DekatronPC

Описание

Компьютер на базе вакуумных и газоразрядных ламп, процессор которого не содержит полупроводниковых элементов.

Подпроекты

• Ламповая логика - Проектирование быстродействующих ламповых логических элементов
• Испытатель электронных ламп - Проект современного портативного испытателя вакуумных и газоразряных ламп
• DekatronPC эмулятор - Verilog-модель лампового компьютера на ПЛИС

Технические характеристики (проектные)

• Архитектура - с раздельной памятью данных и кода.
• Объем памяти программ - 1МиБ, из них:
  • Ферритовая память - 1.5киБ
  • Внешняя память - до 1МиБ
• Объем памяти данных - 29.29КиБ(30000ячеек данных). из них:
  • Ферритовая память - 1 Киб
  • Внешняя память (накопитель на магнитной ленте) - до 29.29КиБ
• Разрядность:
  • Шины данных - 8 бит
  • Шина адреса данных - 15 бит
  • Шина адреса программ - 20 бит
• Тактовая частота - 1МГц
• Быстродействие - 1млн операций в секунду
• Количество ламп - 1000шт
• Потребляемая мощность 10кВт

Набор инструкций (Актуальная версия на 4 февраля 2021г.)

Ламповый компьютер DekatronPC предназначен для выполнения программ, написанных яна языке программирования brainfuck. Это значит, что основу набора инструкций составляет восемь инструкций языка brainfuck: +-<>.,[]

Каждая инструкция представлена в памяти 4-х разрядным значением, соответствующим тому или иному опкоду.

При этом, компьютер имеет дополнительные инструкции, которые предназначены для непосредственного управления машиной.

Для этого, в машине имеется 1-х разрядный регистр текущего набора команд. ISAREG, цоторый в теории расширяет число инструкций до 32 - представляя два набора инструкций:

1. ISAREG=0 - Maintance ISA - режим, в котором машина находится после включения. в нем доступны инструкции очистки ОЗУ, сброса состояния машины, команды загрузки данных с перфоленты
2. ISAREG=1 - Brainfuck ISA - основной режим, в котором доступны 8 инструкций языка brainfuck плюс несколько дополнительных

В реальности, одни и те же инструкции могут присутствовать в разных наборах. например инструкции выбора набора инструкций присутствуют везде, таким образом, в одном наборе может быть только до 14 инструкуций по существу.

Maintance ISA (ISAREG=0)

Символ	Опкод	Brainfuck	название	описание
N	0x0		NOP	No operation - Must be in both ISA set
	0x1
	0x2
	0x3
>	0x4	>	AINC	Инкремент счетчика адреса (Может отказаться от дублирования? в brainfuck ISA они есть)
<	0x5	<	ADEC	Декремент счетчика адреса
{	0x6		LABEG	Если текущий адрес равен нулю - пропустить тело цикла
}	0x7		LAEND	Если текущий адрес не равен нулю - выполнить итерацию цикла
L	0x8		CLRL	Сбросить счетчик глубины вложенностей циклов
I	0x9		CLRI	Сбросить счетчик инструкций
0	0xA		CLRD	Сбросить счетчик данных
A	0xB		CLRA	Сбросить счетчик адреса (Что делать с флагом захвата?)
	0xC
R	0xD		RST	Hard reset
M	0xE		ISA2	Set ISAREG=0 - Maintance ISA
B	0xF		ISA3	Set ISAREG=1 - Brainfuck ISA

Загрузчик

загрузчик - код, который будет выполняться сразу после включения машины и подачи тактирования. Расположен по нулевому адресу в памяти. Bootloder is the code, which is performed after reset vector. In placed on the instruction address 0x00000;

Очистка памяти

После включения или перезагрузки, в ОЗУ данных может быть мусор. По правилам brainfuck - все ячейки должны изначально иметь нулевое состояние, в С такой код выглядит следующим образом:

  for (i = 0; i < 30000; ++i)
  {
    Memory[i] = 0;
  }

В формате инструкций компьютера DekatronPC, начальный код загрузчика выглядит так:

  A0> //Установка счетчика адреса в нуль, Обнуление текущей ячейки данных и выбор следующей
  {   // Пока текущее значение счетчика адреса не равно нулю:
    0 >//Обнуление текущей ячейки данных и выбор следующей
  }
  B //Выбор Brainfuck ISA

PunchTape ISA (ISAREG=0) (в составе Maintance ISA)

Предназначен для загрузки данных с перфоленты в память программ. Как именно это сделать - пока не понятно. Так как загрузчик использует счетчик инструкций и часть памяти программ для себя. Следовательно, необходимо реализовать возможность использования счетчика адреса в этих целях. Однако, счетчик адреса не в состоянии покрыть ведь диапазон памяти программ.

Второй вариант - использовать счетчик адреса загрузчиком. Но тогда не получится очистить память данных от мусора.

Третий вариант - использовать аппаратный способ загрузки - когда синхросигнал с перфоленты будет инкрементировать значение счетчика инструкций, а другой сигнал - подавать сигнал записи в память. Таким образом можно инструкцией запустить этот процесс и дальше аппаратные средства сделают все самостоятельно.

Brainfuck ISA (ISAREG=1)

Помимо восьми основных brainfuck-инструкций имеет еще 8 дополнительных. Особое внимание стоит уделить инструкциям CLRML, LOAD, STORE

Они могут быть использованы для копирования данных в памяти. счетчик данных может быть использован как временный регистр.

Допустим, нужно скопировать данные из ячейки А в ячейку Б.

1. Счетчик адреса устанавливается на ячейку А
2. Дается команда LOAD - данные загружаются из памяти в счетчик данных
3. Стирается флаг памяти - CLRML. Возможно имеет смысл команду LOAD делать без поднятия флага, тогда эта операция будет не нужна
4. Счетчик адреса устанавливается на ячейку Б
5. Дается команда STORE. значение из счетчика данных выгружается в ячейку памяти Б

Символ	Опкод	Brainfuck	название	описание
N	0x0		NOP	Пустая инструкция
H	0x1		HALT	Останов машины (Может переместить ее в Maintance ISA?)
+	0x2	+	INC	Increment of Current data cell
-	0x3	-	DEC	Decrement of current data cell
>	0x4	>	AINC	Increment of address pointer
<	0x5	<	ADEC	Decrement of address pointer
[	0x6	[	LBEG	If current data cell equal zero, skip the loop
]	0x7	]	LEND	If current data cell not equal zero, repeat loop iteration
.	0x8	.	COUT	Print current symbol to the terminal
,	0x9	,	CIN	Read symbol from the terminal (Blocked acces - Program halted while no symbol)
0	0xA		CLRD	Write zero to current Data Cell
	0xB		CLRML	Clear memory lock
	0xC		LOAD	Explicit Load From Data Counter to current memory cell
	0xD		STORE	Explicit Store From Data Counter to current memory cell
M	0xE		ISA2	Set ISAREG=0 - Maintance ISA
B	0xF		ISA3	Set ISAREG=1 - Brainfuck ISA

Формат записи на магнитную ленту

Если использовать кассетный или бобинный магнитофон (типа ламповой коменты или яузы) для хранения программ и их последующего ввода в память машины, можно использовать DTMF-сигналы. Программа пишется 4-х битовыми пачками, так что в одном сигнале сразу будет готовая инструкция.

Архитектура

Декатрон — это многоэлектродная газоразрядная лампа, предназначенная для реверсивного счета импульсов. В центре находится диск анода, а вокруг него расположены тридцать электродов. Десяток катодов и две группы подкатодов — по два подкатода между каждым катодом. После подачи напряжения на декатрон между анодом и одним из катодов загорается тлеющий разряд. Подавая импульсы определенной последовательности на подкатоды и соседний катод, мы можем перемещать разряд между катодами, обеспечивая операцию инкремента или декремента. Да эта лампа просто создана для языка Brainfuck!

На базе декатрона мы можем создать простой реверсивный десятичный счетчик. Соединим нужное число таких счетчиков последовательно и получим многоразрядный счетчик, который, например, на базе трех декатронов сможет считать от 0 до 999.

Один такой счетчик на базе шести декатронов будет определять номер текущей исполняемой инструкции. В дополнение к нему нам нужен счетчик глубины вложенности циклов — сумматора в будущем компьютере нет, а значит, начало текущего цикла придется искать вручную, банально перематывая счетчик инструкции назад до тех пор, пока начало нашего цикла не будет найдено. Счетчик вложенных циклов поможет корректно искать нужное начало, даже если внутри нашего цикла множество вложенных. Счетчика от 0 до 999 будет более чем достаточно: в программах на Brainfuck, написанных людьми, даже больше 20–30 уровней вложенности циклов — редкость.

Третий счетчик от 0 до 29 999 будет определять номер текущей ячейки данных. Так как у нас чистый Brainfuck, то и число ячеек в точности соответствует исходной спецификации. Декатронный счетчик можно сбросить при любых значениях.

По адресу этого счетчика происходит выборка данных из ОЗУ. Данные помещаются в четвертый счетчик, который умеет считать от 0 до 255. То есть мы загружаем в декатрон наше старое значение, делаем инкремент или декремент и выгружаем данные обратно в память.

Система команд

Одно из требований к ламповому компьютеру — чтобы инструкции в нем в точности соответствовали языку Brainfuck. Второе требование — 99% существующих восьмибитных программ на Brainfuck должны исполняться исключительно на ламповой логике. Оставшийся 1% банально может не умещаться в ОЗУ. Максимум того, что допускается использовать в аутентичной части машины, — это германиевые диоды, да и то лишь в схемах обвязки кубов памяти.

В итоге мы имеем:

• NOP — пустая инструкция, необходимая для выравнивания циклов внутри кеш-линеек;
• + и - — инкремент и декремент текущей ячейки данных;
• < и > — изменение номера текущей ячейки;
• [ и ] — начало и конец цикла;
• . и , — печать текущего символа в консоль и ввод из консоли.

Инструкция кодируется четырехбитным значением, а это значит, что остается еще семь свободных инструкций, которые можно использовать для управления машиной.

Например, инструкция HALT остановит машину при завершении работы программы. Еще две инструкции — LOAD и STORE — оптимизируют работу с памятью.

Допустим, у нас есть десять инструкций +, идущих подряд. Нам придется десять раз повторить следующий набор действий:

прочитать значение текущей ячейки и записать его в декатронный счетчик; выполнить операцию инкремента; записать новое значение текущей ячейки из счетчика в ОЗУ. По факту мы девять раз просто так будем делать загрузку-выгрузку. Проще явно сказать, что нужно сделать LOAD из памяти в счетчик и STORE обратно из счетчика в ОЗУ. Либо ламповая логика должна понимать, какая инструкция будет идти следом за текущей и выполнять LOAD и STORE неявно, не тратя в дальнейшем время на холостые загрузки-выгрузки.

С одной стороны, неявный LOAD/STORE позволит грузить в компьютер программы, написанные на Brainfuck вообще без модификаций. С другой стороны, усложняется логика выборки инструкции, так как необходимо читать на одну инструкцию вперед.

В итоге выбрал способ неявного Load и Store. За основу взят принцип data-lock.

• При исполнении инструкции + и - сначала проверяется флаг загрузки счетчика.
  • Если флаг снят, значит в счетчик еще не загружено значение из текущей ячейки данных. Сначала необходимо выгрузить значение из ОЗУ в счетчик и только потом производить операцию + и -.
  • Если флаг стоит, значит данные в счетчик уже загружены
• При исполнении инструкции < и > сначала проверяется флаг загрузки счетчика
  • Если флаг снят. То счетчик свободен и можно изменять значение AP-счетчика
  • Если флаг стоит, то счетчик занят, значит необходимо сначала сохранить значение из счетчика в ОЗУ и только потом менять значение AP-счетчика
• При исполнении инструкции , флаг не проверяется - значение из консоли заносится сразу в ОЗУ
• При исполнении инструкции . флаг проверяется - и значение в консоль печатается либо из ОЗУ либо из счетчика в зависимости от флага.

DekatronPC Challenge

Сейчас у меня собрано все железо, нужное для начала экспериментов. Впереди — долгий и интересный процесс проектирования и сборки будущей машины. В отличие от релейного компьютера с его монолитной конструкцией, здесь будет блочная. Тот или иной блок можно будет собрать за пару месяцев и продолжать спокойно заниматься другими делами.

Однако не стоит забывать о нормальном моделировании схемотехники будущей ЭВМ. Для начала в планах написать программный эмулятор, в котором виртуально реализована предполагаемая архитектура.

На втором этапе эту же самую архитектуру необходимо реализовать на языке VHDL или Verilog и запускать как в эмуляторе, так и на живой ПЛИС.

Третьим этапом будет воссоздание блоков в железе и их подключение к ПЛИС. Получается, что блоки можно будет использовать для реальных вычислений по ходу строительства компьютера. Потом, замещая один за другим эмулируемые блоки реальным железом, мы полностью избавимся от ПЛИС, и ламповый компьютер станет полностью самостоятельным. Проект будет считаться завершенным, когда от ПЛИС в системе не останется и следа.

Впереди много разноплановой работы: эксперименты с ламповой логикой и ферритовой памятью, создание реверсивных декатронных счетчиков... В общем, будет весело.

Часто-задаваемые вопросы и ответы

• Зачем?
  • Затем.
• Почему brainfuck? Может быть лучше взять более практичный урезанный ассемблер?
  • brainfuck - и есть урезанный ассемблер. Ламповая машина в любом случае будет в миллион раз медленнее современных компьютеров и проект является видом инженерного искусства. А раз так - то реализовывать надо наиболее безумный вариант. Тем более что декатрон - основа машины - позволяет реализовать brainfuck и ничего более.
• Питание?
  • Каждый блок будет оснащен своим собственным источником накального напряжения. Основной источник накального - трансформаторы ТН60 и ТН61.
  • Напряжения смещения а также напряжение питания декатронов - анодные трансформаторы ТА и ТПП подходящей мощности и напряжений. Все напряжения смещения будут оборудованы стабилизаторами выходного напряжения. ти напряжения подаются через пускатель по команде общего блока управления - после прогрева ламп.
  • Основное анодное напряжение - некоторые блоки будут получать от собственных силовых трансформаторов типа ТС160, ТС170, ТС270 - это трансформаторы от ламповых телевизоров. а также от трансформаторов типа ТА подходящей мощности. Стабилизаторов напряжения на выходе не будет предусмотрено. Анодное на схему будет подаваться через пускатель по команде общего блока управления после подачи накального напряжения и прогрева ламп, подачи напряжений смещения, анодного декатронов.
  • Предусмотрен общий стабилизатор напряжения на базе автотрансформатора. От него будут питаться все остальные блоки.

Ссылки

• Статья на Xakep.ru