В противоположность известных всем процессоров «Intel», марку которых довольно легко запоминать и выговаривать, «Койяанискаци» задумывался как процессор, имя которого сложнее произнести, чем разобраться в его архитектуре и научиться его программировать на самом элементарном уровне машинного кода редакторами дампа, чтобы проверить, действительно ли стоит прогибаться под радиолюбительские ТУ и невозможно сформировать красивую систему команд, понятную на уровне интуиции?
Не имеется ввиду код стиля «O'Kей, процик, вычисли мне среднее факториальное», а планировался машинный код с минимальным уровнем вхождения в основы искусства его программирования, не требующего жёсткой зубрёжки и заучивания всех команд.
Введение
Начальный дизайн процессора задумывался как шуточный автомат со сквозным байт-кодом и возможностью кодировать дамп сценария даже без необходимости обращения к таблице команд до полного их заучивания. Ставилась простая задача разработки простого процессорного устройства, в котором любые из 30 РОН можно заменить на всякую периферию из датчиков, двигателей и соленоидов. В таком дизайне имеется уникальная возможность организации почти непосредственного взаимодействия всех требуемых устройств без надобности в высоких частоте и производительности.
Архитектура процессора
Весь процессор основан на регистровом файле из четырёх функциональных групп по десять ячеек в каждой. Хотя операции АЛУ возможны над любыми ячейками, правила корректного оперирования с ними соблюдать необходимо более-менее строго. Здесь стоит просто запомнить логику и назначение этих функциональных групп:
A₀…₉ - Аккумуляторы (A₀ хранит флажки статуса АЛУ)
B₀…₉ - Base/База доступа к памяти (B₀ хранит Базу возврата из подпрограммы)
C₀…₉ - Counter/Счётчик/Смещение байта в памяти (C₀ хранит Смещение возврата из подпрограммы)
D₀…₉ - Devices/Доступные устройства с мгновенным откликом (можно организовать кеш)
Так как процессор достаточно прост и не имеет встроенных аппаратных механизмов организации стековых операций, регистры B₀:C₀ сохраняют адрес, на котором была размещена операция обращения к подпрограмме. Программист при необходимости сам обязан позаботиться о всех операциях работы со стеком и описать их алгоритмом. Все эти сложности легко обходятся использованием стандартной библиотеки.
Система команд
Практически все команды кодируются WYSIWYG-стилем акына:«Что вижу, то значит». Шестнадцатеричная кодировка отчасти является аббревиатурой самой команды и всё задумывалось так, чтобы большинство команд просто совершали понятные действия.
00: HLT (останов программы) - крайне логичный и гармоничный код!
01: Приращение единицы к активному регистру-приёмнику
02…09: Префикс повтора операции от 2 до 9 раз или пропуск группы операций по условию
10…99: Используется BCD-код приращения к активному регистру-приёмнику - код 56 означает именно 56₁₀, а не 0x56₁₆
A0…A9, B0…B9, C0…C9: Безвременные префиксы выбора активного регистра указанной группы - A₀…A₉, B₀…B₉, C₀…C₉ соответственно
D0…D9: Выбор активного устройства группы Devices - D₀…D₉
AA…AD, BA…BD, CA…CD, DA…DD: Безвременные префиксы выбора сочетания операндов для АЛУ-операций - A,A…D,D соответственно
E0…E7: Обращение к расширению (Extension) через подпрограмму - CALL 0xE000…0xE700
F1…F9: Обращение к функции (Function) с указанным индексом - CALL 0xF100…0xF900
E8…EF: Условный префикс к исполнению кода следующей операции - Enable if SF/PF/CF/ZF
F0: Завершение текущей функции (Function Over - как Game Over)
AE/BE/CE/DE: Извлечение (Extract) данных из памяти в указанный регистр
AF/BF/CF/DF: Запись/фиксация (Fix) данных указанного регистра в память
FA…FF: Вызов прочих функций - CALL 0xFA00…0xFF00
0A/1A/2A…9A: АЛУ-операция "Сумма" (Add) над группой операндов - индекс правого операнда указывается явно 0…9
0B/1B/2B…9B: АЛУ-операция "Вычитание" (suB) над группой операндов - индекс правого операнда указывается явно 0…9
0C/1C/2C…9C: АЛУ-операция "Конъюнкция" (Conjunct/and) над группой операндов - индекс правого операнда указывается явно 0…9
0D/1D/2D…9D: АЛУ-операция "Дизъюнкция" (Disjunct/or) над группой операндов - индекс правого операнда указывается явно 0…9
0E/1E/2E…9E: АЛУ-операция "Исключающее ИЛИ" (Exclusive or/Eor/xor) над группой операндов - индекс правого операнда указывается явно 0…9
Основы программирования
Однако, тут не стоит думать, что «процессор акына» совсем ничего не требует от продвинутого пользователя-программиста: Минимальный порог вхождения преодолеть всё-таки придётся… А значит, придётся чуточку поднапрячься и преодолеть порог!
(Здесь подразумевается, что читатель уже имеет все базовые понятия и принципы, позволяющие ориентироваться в синтаксической конструкции и строить выражения…)
Сложение величин из регистров A₁ и B₂ традиционно можно представить выражением «A1 += B2» или мнемонической записью «ADD A1,B2», которую и следует оформить в машинный код. Так как архитектура процессора предельно проста и организовалась на польской записи, буквально необходимо сначала предопределить используемые в операции операнды, чтобы потом произвести саму конкретную операцию вычисления.
Так как используется сочетание регистров «A1» и «B2» в порядке «An,Bn», то под их определение следует указать машинный код AB₁₆. Выбор индексов на конкретных операндах выполняется кодами A1₁₆ и B2₁₆, что указывает на буквальность кодов. Так как индекс правого операнда равен двум, то в коде АЛУ-операции «Сумма» его следует указать явно в левой тетраде как 2A₁₆. Тем самым, становится очевидным размещения кода всего выражения как «A1 AB B2 2A». Но так как индекс B₂ указан явно в АЛУ-операции, байт команды «B2» можно исключить из цепочки, так как сам регистр B₂ не является приёмником результата и код сократится до одной из двух комбинаций записи «A1 AB 2A» или «AB A1 2A», так как от расположения префиксов перед операциями результат не изменяется и всё зависит от стиля программиста.
0000 A1 |----vv ;A1 выбирает регистр A₁
0001 AB |------v ;AB задаёт порядок операндов A,B
0002 2A|ADD A1,B2;2A - ADD, где двойка выбирает индекс B₂
^----------^
Выражение «A1 = A1 + B2 - B3 & B4 | B5 ^ B6» можно описать последовательностью «A1 AB 2A 3B 4C 5D 6E», так как в каждом следующем коде операции явно указан и индекс правого операнда, что позволяет писать код компактно и производительно.
Максимально доступно каждому любителю
Так как Logisim куда доступнее и проще того же Proteus и компактнее KiCAD, вся схема процессора разрабатывалась в рамках проекта именно Logisim, чтобы проект был по-детски прост и лёгок для использовании заинтересованными любителями. По предварительным подсчётам, если схему проекта попытаться собирать микросхемами серии 74xx или отечественной номенклатуры, понадобится порядка 250 корпусов...
При грамотном подходе проектирования процессоров с применением мультиплексоров и специализированных микросхем РОН, число всех микросхем может снизиться всего до сотни корпусов с повышением производительности без переходов в Z-состояние.
Скачать архив исходной схемы с прошивками можно по ссылке на странице проекта…
Если смущает использование ПЗУ для дешифрации команд, имеется набросок схемы с использованием уровня комбинаторики, по которой можно осознать, что и красивую систему команд можно декодировать простейшим способом логических вентилей, без ущерба концептуальной задумки…
Эмуляция?
Никакого программного эмулятора не задумывалось специально, чтобы архитектурно процессор изначально готовился к реализации на физических макетных платах и не содержал в себе решений, которые аппаратно крайне сложно будет реализовывать в силу излишней вольности в эмуляторе. Вся схема разрабатывалась несколько лет в часы досуга эпизодически и несколько раз перерисовывалась вся с чистого листа.
Ссылки
Скачать исходные файлы симуляции можно здесь.
Основная статья размещена здесь.
