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.
Например, PICO-8 и Gigatron, а также MegaProcessor или MyCPU хоть и разработаны специалистами, но никто не подходил к вопросу с чувством эстета, опираясь на сухой технологический расчёт.
К тому же, те же языки программирования, как КОБОЛ, хоть и задумывались с акцентом на гуманитарии, но в широком практическом применении оказались непрактичными и неудобными…
Сейчас, с заменой файлов конфигурации *.inf и *.ini на *.xml, получается, что история снова повторяется…

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) B₀ хранит Базу возврата из подпрограммы
• C₀…₉ (Counter / Счётчик) C₀ хранит Смещение возврата из подпрограммы
• D₀…₉ (Device / Доступные устройства) Можно организовать кеш

Особенностью регистрового файла является свободное назначение практически всех регистров, которые можно заменить внешней периферией малой степени интеграции, что позволяет показания всяких датчиков или управлять электроприводом напрямую через ссылку как на обыкновенный РОН.

Подпрограммы
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. Для облегчения разработки алгоритма, следует использовать небольшую библиотеку кратких подфункций, выполняющих необходимые операции ветвления и вызова всяких пользовательских подпрограмм, реализующие механизмы стека программным уровнем.
Библиотеку можно найти отдельным файлом в ресурсах репозитория этого проекта.

Работа с памятью
При доступе к внешней памяти нужная ячейка адресуется парой активных регистров Bi и Cj, где Bi указывает на Базу Блока по 256 ячеек и Cj указывает в блоке на конкретную ячейку. Медленная память может удлинить цикл доступа сигналом Wait.

Кеш и периферия
Регистры D₀…₉ не следует использовать в активных вычислительных процессах, так как они управляют периферией непосредственного доступа с мгновенным откликом и пригодны для организации процессорного кеша и контекстного регистрового файла.

Формат команд Койяанискаци
Первостепенной целью в разработке процессора ставилась задача совмещения RISC-кода с внешней читабельностью бинарного представления команд шестнадцатеричным дампом, где алфавитно-цифровые символы двух нибблов несут смысловую нагрузку в виде своеобразных аббревиатур, пригодных к использованию в качестве мнемоники.
«Код» «Нибблы» «Аббревиатурная нагрузка»

• A1 «A,1» Активировать в группе A регистр #1
• BE «B,E» Загрузить в активный регистр группы B извлечённые (Extract) данные из памяти
• EC «E,C» Исполнить (Execute) операции только в случае переноса (Carry) по флагу CF
• EE «E,E» Исполнить (Execute) операции только в случае эквивалентности (Equal) по флагу ZF
• 30 «3,0» Префикс репетиции команды 3 раза, где «0» символизирует скобки «()», что условно можно обозначить как «3×(…)»
• CB «C,B» Подготовить регистровые группы C и B для АЛУ-операции составом «C,B»
• 1A «1,A» Работать с регистром #1 группы второго операнда при выполнении операции сложения (Add)

Система команд Койяанискаци
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 Койяанискаци
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.

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.

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.
Эмулятор класса «очень дёшево и очень сердито»…
Диаграмму работы шин можно изучить здесь…

Исправлено: Alikberov, 17.03.2025 16:13

Шо это, зачем это?

Chudik

Перепевка PIC со своей системой команд. Реализованная на мелкой логике.

Джамаль
Это ответ на первую часть вопроса

Chudik
зачем это?
Написано во "введении".
Но, имхо, элегантности нет - хотя-бы из-за деления регистрового файла на "функциональные группы".

Добавление от 27.06.2020 23:03:

У PDP11 была красивая система команд (но неудобная для реализации в ПЛИС).

ой спасибо вам за подгон, братья-лудильщики, да тут никто не знает за какой конец паяльник надо брать

Raytracer77
Можно всё на скрутках сделать. Тепло и лампово

Raytracer77
Исключительно идя навстречу пожеланию автора темы

В чём отличие от




никогда не мог понять, зачем существуют такие проекты. Видел монструозный проект энтузиаста, который на 315-х транзисторах напаял весьма внушительный процессор, число транзисторов твм исчислялось то ли тысячами, то ли десятками тысяч, точно не вспомню. гуглится по фразе "Энтузиаст компьютерного дела собрал 8-битный процессор из подручных материалов". Но подобные проекты, это как аналог эзотерических языков программирования, в данном случае напомнило Brainfuck, очень простой язык программирования. Но зачем тратить талант на такие штуки?

DJ_Quake
В чём отличие от
Этo - дилетантская попытка закрыть брешь в технологиях, путём разработки архитектуры, за уши притянутой к эстетическому плану человеческого восприятия.

Например, возьмём архитектуру IA-32 с командой «ADD [ECX],DL»…
Самое сложное здесь - кодирование битовых полей, где регистр ECX имеет индекс #1, а DL - индекс #2.
Так как используется 8-битный источник DL для сложения с ячейкой памяти, то код команды - «00₁₆».
Никаких относительных смещений не имеется, значит используется режим адресации #0.
Тем самым, команда кодируется кодами «00₁₆ 021₈» комбинацией шестнадцатеричного и восьмеричного кодов, так как в справочниках коды команд представляются именно в двоичном виде или шестнадцатеричном, а восьмеричный код используется всё реже как удел микроконтроллеров.
И если в программе HIEW программист желает сам поскрипеть мозгами, то байт с полями mod | reg | r/m перекодировать в шестнадцатеричное 0x11.
Получается у команды «ADD [ECX],DL» код «00₁₆ 11₁₆».
Здесь очевидно, что вся система команд никак не разрабатывалась для кодирования вручную и имеет очень много неочевидных и противоречивых моментов.
(Например, краткий условный переход «JZ $±127» кодируется кодом 74₁₆, тогда как длинный переход кодируется уже кодом «0F₁₆ 84₁₆»: Почему политика Intel такая переменчивая? Что мешало теми же префиксами расширить код до «66₁₆ 74₁₆» или «67₁₆ 74₁₆», будто бы кто-то мешал под байт адресации ветвлений сделать исключение и расширить его. Ещё хуже, что они не сделали «0F₁₆ 74₁₆» по каким-то причинам, а именно «0F₁₆ 84₁₆» в и так мусорном префиксе «0F₁₆», где куча всякого хлама: И MMX, и SSE, и управляющие регистры с привилегированным доступом.
Будто в болото окунаешься, когда пишешь эмулятор и пытаешься охватить всё больше команд… )
У Intel даже регистры не по алфавиту - «AL CL DL BL» в силу каких-то внутренних функциональных привязок, до которых сейчас никому нет дела, так как начиная с i486 всем управляет RISC-ядро.

И вот я потратил более 25 лет черновых бумажных карикатур на тему идеального процессора.
Из которых за 20 лет я пришёл к выводу, что код «00₁₆» не должен означать ни «NOP», как у i8080/z80, ни «ADD», как у x86…
То есть, на протяжении 20 лет я твёрдо поставил себе целью придумать процессор, где кодом «00» кодируется команда «HLT». А там уж сама Операционная Система чтобы разбиралась.
Когда код 00 = HLT - это всё упрощает в разы, так как тот же x86-отладчик заполняет стековый фрейм кодом «CC₁₆» команды «INT3», так как ни «00₁₆» не годятся, ни «FF₁₆»…

И вот лишь прошедшие 5 лет я активно занимался разработкой системы команд, где нету ужасных битовых полей. Разработал эмулятор процессора с системой команд, которую не нужно слепо заучивать и зубрить, а где каждая команда стоит в своей ячейке таблицы именно по смыслу:

• BC₁₆ - Branch if Carry (JC)
• BE₁₆ - Branch if Equal (JZ)
• DB₁₆ - Decrement BX
• 4A₁₆ - Add with r4

То есть, если у i8080/z80 порог вхождения в таблицу команд - зубрить и заучивать. То мой процессор - почти та же ветка i8080, но с таблицей команд, притянутой за уши к визуальному осмыслению шестнадцатеричного кода.

И лишь год назад, Койяанискаци появился как процессор под качество ядра того моего «x80», чтобы и на уровне RISC-ядра микропрограммы кодировались осмысленным кодом без гадких битовых полей!

Видишь код A5₁₆, значит в группе A активируется регистр #5.
Видишь код CB₁₆, значит под АЛУ-вычисления используются операнды регистровых групп C и B.
Видишь код 3E₁₆, значит регистр #3 используется в операции Eor…

Принцип «акына»: Что думаю - то пишу; Что написал - то и значит; Что значит - то исполняется.

В отличие от всех других, которые просто хотели построить какой-то процессор, который что-то делает конкретно каким-то кодом. У меня процессоры задумывались, чтобы просто были!
Да, теоретически под них можно написать CP/M-80 или Linux… При необходимости и желании - можно…

P.S.: Но основным стремлением стало не быстренько хоть что-то сделать, а сделать нечто конкретное и с конкретной системой команд без скрытой эзотерики в битовых полях: Каждый ниббл - часть смысловой аббревиатуры выполняемой операции.

Alikberov
Смысла ноль. Если только изобретать кодер для нейронных сетей.
Как там писали что любой процесс можно описать в 230 К значных функций.

Набросoк дизассемблера…

vanpetr
Смысла ноль.
Нo не я один этим занимаюсь.
Просто я подошёл именно со стороны эстетики, чтобы количество ТТЛ-корпусов было не более сотни и система команд была более интуитивно-понятная.

P.S.: Уж половину цифрового века переживаем, а ведущие гиганты индустрии предлагают произведения «своего искусства» с таким бинарным кодом, что в случае Ахтунга только Ахтунг кричать и останется.
Перед одними только битовыми полями искусство Пикассо - отдыхает!

Alikberov
я подошёл именно со стороны эстетики, чтобы количество ТТЛ-корпусов было не более сотни
Откройте для себя ПЛИС и забудьте о ТТЛ корпусах.

Chudik
Откройте для себя ПЛИС и забудьте о ТТЛ корпусах.
А учитывая вот такие новости существует отличная от нуля вероятность даже воплотить его на 130 нм ТП.

Там, конечно, 7 потов сойдёт, пока пробъёшься через PDK, но красиво....

Chudik
Ограничение 10кв мм. Но наверно лучше чем лепить непойми что. Собственно зачем изобретать велосипед? Должна же быть цель полезности.
Хотя раньше тоже подобным увлекался.
Alikberov
Почитайте того же Дж К. Джонса, чтоб увлечение имело хоть какой то практический смысл.

slasla
А учитывая вот такие новости существует отличная от нуля вероятность даже воплотить его на 130 нм ТП.
Большоe Спасибо за информацию!

Получается, что мечта всей жизни исполнилась (с детства мечтал, что когда-нибудь проведут конкурс такой), но слишком уж быстро: Ничего у меня не имеется, окромя LogiSim-модели…
А перевести впопыхах на Verilog не успею по-любому…

а мне нравится

Chudik
Там, конечно, 7 потов сойдёт, пока пробъёшься через PDK, но красиво....
когда-то было модно создавать новые языки программирования (в недавнем прошлом тоже был мини-бум, из которого Питон родился). А здесь та же ситуация, многие, хорошо владеющие схемотхникой и знаниями архитектур микропроцессоров хотят сделать своё микропроцессор, но не все на это решаются. Сюда же и тех, кто всю жизнь посвящает написанию своей собственной, ни на что не похожей операционной системы, дисковой системы, и под этту же систему пишет весь стек технологий, начиная с компилятора , заканчивая прикладным софтом типа тетриса и волков коммандера.

Добавление от 07.07.2020 17:18:

Alikberov
Здесь очевидно, что вся система команд никак не разрабатывалась для кодирования вручную и имеет очень много неочевидных и противоречивых моментов.
Ну когда-то давно я тоже таким улекался. Но не на аппаратном, а на программном уровне. Толчком к этому послужило желание написать свой миникомпилятор известной задачи: программы, которая строит график функции. Одногруппник использовал дерево указателей, я решил его уделать и сделал компилятор кода разбора скобочного выражения, и затем его исполнение с помощью простейшей виртуальной стейт машины, которая на вход как раз принимала читаемые коды, которые были бы удобнее для отладки. В итоге его подход работал на 30% медленнее чем нативная компиляция, мой - на 10% медленнее. Поэтому я где-то понимаю такие желания, но мне кажется, во всем должно быть чувство меры. Бывают же люди, которые просто в компании выпьют на Новый Год, а бывают алкоголики с зависимостью. Вот мне кажется, то тут также есть некоторый вид техно-зависимости. Не знаю, плохо это или хорошо, в конце концов, все мы разные.