DekatronPC

Описание

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

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

Основное требование к ламповому компьютеру — чтобы инструкции в нем в точности соответствовали языку Brainfuck. Во-вторых — 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 выпрямителях питания в схемах обвязки кубов памяти.

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) - UPD: 07.06.2023

• Архитектура - Гарвардская, с раздельной памятью данных и кода.
• Адресация памяти программ - 1 000 000 ячеек шириной 4 бит
• Адресация памяти данных - 100 000 ячеек данных шириной 10 бит
• Разрядность:
  • Шины данных - 10 бит октетами в формате 8-4-2-1. диапазон счета - 0-255 (3 декатрона)
  • Шина адреса данных - 20 бит, октетами в формате 8-4-2-1. диапазон счета - 0-99999 (5 декатронов)
  • Шина адреса программ - 24 бит, октетами в формате 8-4-2-1. диапазон счета - 0-999999 (6 декатронов)
• Тактовая частота - не более 1МГц - ограничение со стороны декатрона А110
• Быстродействие - до 500тыс операций в секунду. Доступна конвейеризация - пока выполняется текущая инструкция, допускается выборка новой.
  • Время выборки новой инструкции, время исполнения инструкции - уникально.
  • Выборка новой инструкции - не быстрее 2 тактов. (в текущей версии кода 3)
  • Исполнение инструкций - от 1 такта - зависит от предыдущего состояния. В серии команд ++++ первый инкремент займет два такта, второй и последующие - 1 такт, но так как время выборки новой инструкции не менее 2 тактов и может производиться параллельно, то частота инкрементов будет не выше 500 тысяч в секунду на частоте 1МГц.
• Текущее Быстродействие в модели:
  • Пиковое: 200тысяч операций в секунду.
  • Среднее 45 тысяч операций в секунду.
• Количество ламп ~1000шт (07.06.2023 - по результатам синтеза Verilog-модели 1244шт)
• Используемые лампы:
  • 6Н16Б - сверхминиатюрный сдвоенный триод для работы в импульсных устройствах.
  • 6Ж2Б - сверхминиатюрный пентод для работы в импульсных устройствах. Утверждается, что может работать в режиме с двумя управляющими сетками.
  • 6Х7Б - сврехминиатюрный сдвоенный диод.
  • А110 - сверхминиатюрный коммутаторный декатрон со скоростью счета до 1млн имп. в секунду.
• Потребляемая мощность, общая - не хуже 5кВт. Для тысячи ламп 6Н16Б расчет составляет:
  • на накал ламп 6.3В 0,4А/лампа (400А) - 2.5кВт
  • анодное 150В 5мА/триод (10А)- 1,5 кВт
• Общие габариты процессора : три 4U серверных блока размерами 920*420*178мм.
• Масса 60кг.

Декатрон

Декатрон — это многоэлектродная газоразрядная лампа, предназначенная для реверсивного счета импульсов. В центре находится диск анода, а вокруг него расположены тридцать электродов. Из них десять 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. У коммутаторного декатрона все выводы катодов выведены наружу, следовательно можно считывать текущее значение, а также - устанавливать разряд на необходимом катоде. Да эта лампа просто создана для языка Brainfuck! Тут нужно сделать ремарку, что нет ни одной схемы записи данных в декатрон по катоду. Однако схема сброса декатрона в исходное состояние есть подача импульса отрицательной полярности на нулевой катод. По образу и подобию можно подать такой импульс на любой катод и получить запись информации в декатрон. В ламповом компьютере Harwell Dekatron используется следующая схема записи данных - на схему сравнения подается сигнал с декатрона и требуемое число. После этого подается серия импульсов инкремента на декатрон до тех пор, пока на нем не окажется необходимое число. Эта схема может быть также реализована, если исходный эксперимент окажется неудачным. Благо что схема записи требуется только для счетчика данных - а это 3 декатрона из 255.

Пример схемы реверсивного управление декатроном по цепи подкатодов показан в книге Яблонского Декатроны . Имеется два входа - для инкремента и декремента, на которые подается импульс напряжения необходимой длительности. Так как конденсаторы C3 и C4 в обычном состоянии заряжены до 260В, при подаче сигнала на одну из ламп Л1 или Л2 левый вывод конденсатора притягивается к земле, тем самым на правом выводе формируется сигнал с уровнем порядка -200В, что является достаточным для переключения декатрона. Цепь задержки обеспечивает подачу второго импульса после первого. Схема нарисована с использованием германиевых диодов. В экспериментальной ячейке точно будут использоваться Д7Ж. В итоговом монтаже - использование допустимо, но пока под вопросом.

Декатронные счетчики

Декатронный счетчик представляет собой реверсивный многоразрядный счетчик на базе нескольких декатронных ячеек. В декатронную ячейку входят - сам декатрон, усилители чтения, преобразователь позиционного кода в двоично-десятичный, училители записи, преобразователи двоично-десятичного кода в позиционный, а также усилители сигналов подкатодов и схема выдачи сигналов переноса на следующий разряд.

На данной схеме показан наибольший функционал декатронного счетчика данных - с возможностью записи любого числа, чтения, органичения сверху (для реализации счета от 0 до 255). Схема переноса реализована таким образом, что количество декатронов в цепочке не влияет на время счета - все разряды переносятся одновременно если выполняется необходимое условие. В большинстве счетчиков не будет схемы записи - это самая дорогая часть по лампам.

Схема декатронного счетчика содержит две большие группы элементов- обязательная для любого из декатронов и необходимая схемотехнически.

Обязательной является:

1. обвязка самого декатрона,
2. усилители-формирователи управляющих импульсов, 1 лампа(?)
3. трех-позиционная защелка схемы переноса 8 ламп(?)
4. усилители-формирователи линии сброса в 0 и в Х (например в 5 для счетчика до 255), 1 лампа(?) - можно вынести на отдельную плату

Желательно уместить всю эту обвязку на одной плате.

Необходимая обвязка:

1. Схема преобразователя позиционного кода в двоично-десятичный - 11 ламп
2. Схема усилителей-формирователей позиционных линий для любого из катодов. Два усилителя находятся в обязательной секции, поэтому остается оп 8 линий на декатрон. Для счетчика данных требуется в общей сложности 17 линий. Можно округлить до 18 линий и разместить на 1-2 платах. Если в одну плату обязательная обвязка влезать не будет - то для счетчика данных требуется 23 линии, а для любого счетчика - от 6 до 10 линий. Исходя из этих данных нужно определиться с числом линий - однако нужно окончательно определиться со схемотехникой и определить требуемое количество ламп на одну линию.
3. Схема декодера из двоично-десятичного в позиционный код. Требует по две лампы на линию. Вероятно собираться будет на базе элементов И.

В ламповом компьютере требуется 4 реверсивных счетчика с общим количеством декатронов в 17 штук.

Лампы по счетчикам

Счетчик	Функционал	Чтение	Запись	Управление	Декатроны	Диоды	Триоды
IP Counter	Сброс в нуль, Чтение данных, Сигнал Zero	6	0	6	6	84	42
AP Counter	Сброс в нуль, Чтение данных, Сигнал Zero	5	0	5	5	70	35
Data Counter	Сброс в нуль, Запись данных, чтение данных, Верхний лимит, Сигнал Zero	3	3	3	3	42	108
Loop Counter	Сброс в нуль, Сигнал Zero	0	0	3	3	18	15
Всего		14	3	17	17	214	200

Функционал счетчика:

• Инкремент и декремент текущего числа счетчика
  • Для работы в режиме счета от 0 до 255 необходимо выставить TOP_LIMIT_MODE=1. Тогда по достижении счетчиком числа TOP_VALUE  вместо инкремента будет происходить запись 0 в счетчик. По достижении 0 и при декременте - в счетчик будет записано TOP_VALUE.
• Запись числа в счетчик со входа In, заданного в формате 8-4-2-1
• Чтение числа из счетчика на выход Out, в формате 8-4-2-1

Все счетчики работают синхронно от сигнала тактирования и имеют следующие входы управления

• Request - наличие этого сигнала по нарастающему фронту запускает счетчик. При отсутствии сигналов Set или SetZero будет происходить счет
• Dec - выбор направления счета - в прямую сторону (лог.0) и обратную сторону (лог.1)
• SetZero - при наличии этого сигнала по нарастающему фронту Clk совершается запись нуля в счетчик
• Set - при наличии этого сигнала по нарастающему фронту Clk производится запись числа со входа In в счетчика

Лампы по платам работы с декатроном

Платы	Триоды	Диоды
Схема чтения	2	8
Схема записи	29	0
Управление, перенос	5	6

Экспериментальная декатронная ячейка

Ячейка представляет собой блок 3U-блок на 4 платы, и реализует полную схемотехнику управления декатроном, включая чтение, запись и пересчет с переносом.

Блок необходим для отладки схемотехники управления декатроном, особенно схемы записи числа в счетчик.

Основная плата - плата декатрона. На ней располагаются непосредственно сам декатрон, схема чтения, включающая в себя преобразователь двоичного-кода в двоично десятичный на диодах и катодные повторители-усилители. Отдельно идет катодный повторитель для сигнала нуля.

Также есть схема переноса. Технически это тройная защелка, имеющая два выхода, которые подсвечивают крайние положения - 0 и 9 до момента полного переключения лампы. т.е. этот блок помнит последнее состояние лампы пока идут процессы переключения.

Выход - 30-контактный. На нем есть все линии декатрона на запись, напряжения питания. накал, а также - двоично-десятичный выход 8-4-2-1

Еще две платы примерно одинаковые, их задача - преобразовать двоично-десятичный вход 8-4-2-1 в двоичный с сигналом записи - для этого требуется 4 инвертора, и 5-входовый И - на двух сдвоенных триодах, где анод-катод - это 4 линии и пятая линия - сетка. Схема, вероятно, будет изменяться - с переходом на импульсную логику.

К этим двум платам пока вопросы. На две платы следующие задачи:

1. Инверторы входных сигналов 8-4-2-1. Итого имеем 8 сигналов - прямые и инверсные, которыми можем набрать нужную комбинацию сигналов для следующего этапа:
2. Пятивходовые И на двух сдвоенных триодах, где сетка - это пятый сигнал записи. Им на вход подаются сигналы набранные в нужной комбинации на первом этапе.
3. Усилители записи - 10 штук. По одному на каждый катод. И тут вопрос - либо они будут работать в статическом режиме, либо в импульсном. Первый вариант требует переход в отрицательные уровни напряжения. Второй позволяет обойтись без них, с помощью развязывающих конденсаторов формировать импульсы нужной длительности и амплитуды.
4. Усилители сигналов управления подкатодами. тут опять вопрос к режиму работы. Скорее всего я приду к импульсному варианту - он проще и по нему есть все необходимые схемы.

Источники питания ячейки:

Используется четыре трансформатора - выбор из того что было в наличии. Все трансформаторы проверены на сопротивление изоляции мегаомметром на 1кВ.

• ТСШ-170 - 170Вт. предназначен для выработки основного питания +150В, а также пары накальных линий для 6С19П.
• ТН61 - общей мощностью 190Вт. Имеет 4 линии 6.3В - 3 по 8А и 1 машина - 6.1А. Будет обеспечивать основное питание накалов ламп, разбитых на группы по платам
• ТА48, мощностью 36Вт - питание декатрона +450В (технически сам источник будет на +350В), а также напряжение смещения -50В.
• ТА7, мощностью 15Вт - напряжение +20В.

Схемы питания берем из блоков питания осциллографов С1-54 и TR4401

Архитектура компьютера

Машина проектируется на базе четырех реверсивных многоразрядных счетчиков.

1. IpCounter - (шесть декатронов) будет определять номер текущей исполняемой инструкции.
2. LoopCounter - (три декатрона) для корректной перемотки 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.
3. ApCounter - (пять декатронов) Третий счетчик от 0 до 99 999 будет определять номер текущей ячейки данных. В исходном языке Brainfuck число ячеек 30000 - этот режим реализовать можно, но это будет ограничением функционала машины.
4. DataCounter (три декатрона) По адресу счетчика ApCounter 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.

Структурно машину можно разбить на три больших блока:

1. IpLine Block — Отвечает за выборку очередной инструкции из памяти программ.
2. ApLine Block — Отвечает за исполнение инструкций касаемо данных — прогулки по памяти, изменение значения в ячейке, работа с терминалом
3. MachineCtrl — Блок логики, объединяющий блоки работы с программой и данными, контролирующий работу машины и обеспечивающий связь с внешним миром.

Сами блоки состоят из модулей: многоразрядных реверсивных счётчиков, модулей памяти, буферов и т.п. Все эти базовые кирпичики имеют три линии управления: сигнал ЗАПРОС(Request) и флаг ГОТОВ(Ready). По сигналу ЗАПРОС, модуль счётчика, например, начнёт считать адрес новой инструкции. По сигналу ЗАПРОС, модуль памяти, например, начинает выгружать данные по новому адресу.

IpLine

Этот блок содержит два счётчика, модуль памяти программ и логику работы с циклами. Первый счётчик (IP Counter) на базе 6 декатронов определяет номер инструкции, которая считывается из памяти программ.

В дополнение к нему идёт счётчик глубины вложенности циклов (Loop Counter) — сумматора в будущем компьютере нет, а значит, начало или конец тела текущего цикла придётся искать вручную, банально шагая счётчиком инструкций назад (или вперёд) до тех пор, пока не будет найдено начало именно нашего цикла. Трёхразрядного счётчика будет более чем достаточно — в brainfuck-программах, написанных людьми, даже больше 20-30 уровней вложенности циклов — редкость.

Блок выборки инструкций, получив от блока логики сигнал ЗАПРОС, должен выдать следующую инструкцию на выходе. Дальнейшие действия блока зависят от текущей исполняемой инструкции. Если она не является условной — т.е. одна из +-<>., — то счётчику инструкций достаточно сделать +1, зачитать новую инструкцию из памяти программ и выдать её на выходной буфер. Делать это, кстати, можно одновременно с исполнением текущей инструкции в блоке данных. Да, тёплый ламповый конвейер — к моменту завершения текущей операции мы сможем сразу начать новую.

Сложности начинаются с инструкциями границ цикла. Надо обработать условную операцию и либо выполнить инструкции в теле цикла, либо нет. Вариантов тут четыре. Допустим, есть следующий код цикла, реализующий операцию MOV — Мы будем делать +1 в ячейке n+1, и -1 в ячейке n до тех пор, пока ячейка n не равна нулю.

[>+<-]

При выполнении этого цикла может быть четыре варианта действий:

1. Мы на инструкции [ и текущая ячейка не равна нулю — нужно выполнить тело цикла.
2. Мы на инструкции ] и текущая ячейка не равна нулю — нужно вернуться в начало цикла, чтобы выполнить его ещё раз.
3. Мы на инструкции [ и текущая ячейка равна нулю — нужно промотать тело цикла, не выполняя его.
4. Мы на инструкции ] и текущая ячейка равна нулю — выполнение цикла завершено просто идём дальше

Их можно обобщить в два варианта развития событий:

• При вариантах 1 и 4 компьютер просто продолжает выполнять инструкции друг за другом.
• Варианты 2 и 3 требуют промотать тело цикла. Счётчик будет считать либо назад(для варианта 2) либо вперёд(3) в поисках ответной скобки цикла.

Чтобы промотать тело цикла, нужно пошагово изменять значение счётчика инструкций, делать выборку инструкции по этому адресу и Не подавая её на выходной буфер, смотреть, что же за инструкция сидит по этому адресу. Например, если мы начали с открывающей скобки [, и идём вперёд — то при нахождении закрывающей скобки] промотку можно считать завершённой. Но вот в процессе промотки мы наткнулись на ещё одну открывающую скобку [ — от вложенного цикла. Тут-то и пригодится счётчик глубины вложенностей. В самом начале промотки на нашей оригинальной открывающей скобе [ делаем ему +1 и потом будем делать +1 всякий раз, встречая открывающую скобку [, и -1 встречая закрывающую скобку ]. Как только после очередной закрывающей скобки ] значение счётчика станет равным нулю — поиск можно останавливать — цикл мы промотали. Точно так же это работает и в обратную сторону, разве что скобки меняются местами.

Технически этот подход реализуется довольно просто, поэтому отсутствие сумматора и возможности одним махом перепрыгивать тело цикла, как это было в релейном компьютере — совершенно не проблема. По крайней мере, эмуляция такой логики как на C++ так и на SystemVerilog работает прекрасно.

IpLine FSM

Конечный автомат линии Ip Line объединяет в себе все основные стадии работы.

Так как блок состоит из двух счетчиков - IP Counter и Loop Counter, основной алгоритм работы конечного автомата - работа по внешнему кольцу состояний -

Готов -> Запрос нового адреса -> Запрос новой инструкции.

Однако, есть особые случаи:

1. Сразу после сброса машины, на выходе счетчика уже находится адрес 0. Нужно сразу зачитывать инструкцию по этому адресу без инкремента счетчика.
2. Если текущие инструкции - условные переходы [ ] и { } и условие перемотки инструкций выполняется - то одновременно поднимается CountRequest на оба счетчика.
3. Если после выгрузки очередной инструкции оказывается:
   1. что значение LoopCounter == 0 - то перемотка завершена.
   2. что значение LoopCounter != 0 - то выдается новый IpCounterRequest сигнал
   3. что выставлен сигнал HaltRq - Система останавливается до снятия сигнала. в этом случае машина либо продолжит счет, либо перейдет в состояние IDLE

ApLine

Блок работы с данными также содержит два счётчика и память данных. Кроме того, тут присутствуют модули ввода и вывода данных.

Один счётчик(AP Counter) считающий от 0 до 29999, будет определять номер текущей ячейки данных. Для чистого brainfuck необходимо будет сделать сброс старшего счётчика в нуль после 2 и наоборот. Один декатрон легко установить в нужное значение. Сложно прогнать сигналы переноса через все разряды.

По адресу этого счётчика происходит выборка данных из ОЗУ в четвёртый счётчик — Data Counter. Он умеет считать от 0 до 255. т.е. мы загружаем в декатрон наше старое значение, делаем инкремент или декремент и выгружаем данные обратно в память. Или же — мы можем напечатать текущее значение в терминале, или, минуя декатронный счётчик — занести число из терминала сразу в ОЗУ. Так как в программах на brainfuck инструкции инкремента/декремента ячейки ОЗУ и значения, как правило, идут группами, то это не значит, что потребуется постоянно загружать/выгружать данные в счётчик и обратно. Этого можно избежать, добавив флаг занятости ОЗУ

MachineCtrl

Блок соединяет вместе блоки ApLine и IpLine, содержит в себе основную машину состояний, а также декодер инструкций. Предоставляет пользовательский интерфейс с оператором и внешними устройствами.

Набор инструкций (UPD: 13.06.2023г.)

Основной набор инструкций - 8 инструкций языка brainfuck. Остальные инструкции служебные, используются для управления состоянием машины.

Каждая инструкция представлена в памяти 4-х разрядным значением, соответствующим тому или иному опкоду. Чтобы увеличить количество инструкций используется специальный регистр ISAREG, определяющий текущий набор команд - Debug ISA и Brainfuck ISA.

1. ISAREG=0 - Debug ISA - режим, в котором машина находится после включения. в нем доступны инструкции очистки ОЗУ, сброса состояния машины, команды загрузки данных с перфоленты. Предполагается, что первоначальный загрузчик, после чтения программы с перфоленты переключит набор команд в Brainfuck ISA и машина начнет исполнять инструкции загруженной программы
2. ISAREG=1 - Brainfuck ISA - основной режим, в котором доступны 8 инструкций языка brainfuck плюс несколько дополнительных.

Часть инструкций присутствует в обоих наборах - NOP, HALT, ISA0, ISA1

Debug ISA (ISAREG=0)

Символ	Опкод	Brainfuck	название	описание
N	0x0		NOP	No operation - Must be in both ISA set
H	0x1		HALT	Must be in both ISA set
\a	0x2		BELL	Ring the bell
	0x3			UNDEFINED
E	0x4		EOT	End Of Transmission
S	0x5		SOT	Start Of Transmission - To load Data from Punch/Mangetic Tape
{	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?)
R	0xC		HRST	Hard Reset
r	0xD		SRST	Soft reset
D	0xE		ISA0	Set ISAREG=0 - Debug ISA
B	0xF		ISA1	Set ISAREG=1 - Brainfuck ISA

Brainfuck ISA (ISAREG=1)

Помимо восьми основных brainfuck-инструкций имеет еще 6 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. MemLock не изменяется.
   1. Если далее идут команды +- - произойдет повторная загрузка данных с учтановкой MemLock плюс выполнится инструкция +-
   2. Если далее идут команды ., -обмен данными будет осуществляться непосредственно с ОЗУ
3. Счетчик адреса устанавливается на ячейку Б
4. 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
+	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	Basic brainfuck optimization: Write zero to current Data Cell
M	0xB		CLRML	Clear memory lock
G	0xC		LOAD	Explicit Load from current memory cell to Data Counter, MemLock not affected
P	0xD		STORE	Explicit Store from Data Counter to current memory cell, MemLock not affected
D	0xE		ISA0	Set ISAREG=0 - Debug ISA
B	0xF		ISA1	Set ISAREG=1 - Brainfuck ISA

Начальный загрузчик (bootloader)

Загрузчик - код, который будет выполняться сразу после включения машины и подачи тактирования.

Одной из идей является установка IpCounter в 999900 - и последние 100 инструкций занять начальным загрузчиком.

Для этого блок MachineCtrl предоставляет два вида сброса машины.

Hard Reset

Этот тип сброса очищает все возможные флаги и устанавливает адрес IpCounter на начало загрузчика. Если тумблер на панели разрешает работу загрузчика автоматически - пускает его. В противном случае будет ждать кнопки Run.

ApCounter <= 0;
DataCounter <= 0;
LoopCounter <= 0;
MemLock <= 0;
RamDataReady <= 0;
IpCounter <= 20'h999900;
//User switch to run bootloader after Hard Reset
if (RunBootloader)
    MachineState <= RUN;
else
    MachineState <= HALT;

Soft Reset

Этот тип сброса очищает все возможные флаги и устанавливает все счетчики в нуль. Отличие в том, что после Hard Reset стартует загрузчик, после Soft Reset - загруженная программа. Если тумблер на панели разрешает работу компьютера автоматически - пускает его. В противном случае будет ждать кнопки Run.

ApCounter <= 0;
DataCounter <= 0;
LoopCounter <= 0;
MemLock <= 0;
RamDataReady <= 0;
IpCounter <= 0;
//User switch to run program after Soft Reset
if (RunBootloader)
    MachineState <= FETCH;
else
    MachineState <= HALT;

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
  }

Программирование машины

В наборе инструкций есть две специальные - SOT(StartOfTransmission) и EOT(EndOfTransmission). Первая должна располагаться по адресу 999999h, ее выполнение осуществляет инкремент счетчика программ и переключает FSM машины в режим разгрузки программы. Имеется два интерфейса для входных данных:

1. Один принимает ASCII символы, например со считывателя перфолент, накопителя на магнитной ленте, печатной машинки Consul 260.
2. Второй принимает непосредственно 4-х битовые опкоды инструкций. Либо с первого интерфейса через конвертер, либо с других устройств, например со считывателя с магитной кассеты, или считывателя перфолент в опкодах.

На уровне OpCode производится самостоятельное переключение между наборами Debug/Brainfuck

По синхроимпульсу проверяется условие (CurrentInsn != EOT) и производится запись опкода в текущую ячейку памяти программ и последующий инкремент счетчика программ. Если условие не выполняется - т.е. текущая инструкция EOT - то автоматически вызывается Soft Reset машины. ЭВМ готова для выполнения загруженной программы.

Инструкции для работы со считывателем перфолент (в составе Debug ISA)

Предназначен для загрузки данных с перфоленты в память программ.

Текущая идея следующая: 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.

Специальная инструкция StartOf Transmission сбрасывает счетчик IpCounter в нуль и переключает машину в режим счета-записи по внешнему синхроимпульсу. т.е.

initial begin
    IpCounter <= 0;
	MachineState <= COUNTER;
end

always @(posedge WriteSync) begin
	IRAM.Write(IpCounter.value, Insn);
	IpCounter <= Ipcounter + 1;
	if (Insn == EOT)//Tape is loaded
	    MachineState <= SOFT_RESET;	
end

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, когда двумя синусоидами кодируется до 16 символов. Так как программа пишется 4-х битовыми пачками, так что в одном сигнале сразу будет готовая инструкция. По завершении записи на ленте формируется прерывистый сигнал 0x01(HALT)

Оптимизация доступа к памяти

Допустим, код на bf выгладит следующим образом:

>>>>>+++++<<<<<

В наивном режиме выполнения произведется следующий алгоритм:

for (i = 0; i < 5; i++){
    ApCounter.Inc();
    DataCounter.Store(Ram.Load(ApCounter));
}
for (i = 0; i < 5; i++){
    DataCounter.Inc();
    Ram.Store(ApCounter, DataCounter.Load);
}
for (i = 0; i < 5; i++){
    ApCounter.Dec();
    DataCounter.Store(Ram.Load(ApCounter));
}

Таким образом помимо 15 операций со счетчиками будет 15 операций работы с памятью, совершенно бесполезных. По факту мы девять раз просто так будем делать загрузку-выгрузку. Проще перед первым инкрементом данных один раз сделать сделать LOAD из памяти в счетчик, а после последнего вызвать STORE обратно из счетчика в ОЗУ. За основу взят принцип Memlock.

insn = DPC.fetch(IpCounter);
if (((insn == "+")|(insn=="-"))& !MemLock){
    DataCounter.Store(Ram.Load(ApCounter));
    MemLock = true;
}
if (((insn == "<")|(insn==">"))& MemLock){
    Ram.Store(ApCounter, DataCounter.Load());
    MemLock = false;
}
DPC.exec(insn);

Тогда код на bf будет выполняться следующим образом:

for (i = 0; i < 5; i++){
    ApCounter.Inc();
}
DataCounter.Store(Ram.Load(ApCounter));
for (i = 0; i < 5; i++){
    DataCounter.Inc();
}
Ram.Store(ApCounter, DataCounter.Load);
for (i = 0; i < 5; i++){
    ApCounter.Dec();
}

Итого осталось 15 операций со счетчиками и только две операции работы с ОЗУ.

Конструктив машины

Модуль

Модуль представляет собой печатную плату размером 140х140мм с краевым разъемом 3х36 пин либо разъемом ГРПМШ-31. На плате располагаются непосредственно лампы, и схемы обвязки. Несколько видов базовых плат, реализует всю возможную схемотехнику. Платы на базе краевого разъема в приоритете. Предлагается заблокировать один ряд пинов для создания ключа - так не получится платы одного типа воткнуть в разъем для другого типа плат

Модуль 140х140мм с краевым разъемом 2х36пин.	Первое поколение плат. Модуль 140х200мм с разъемами ГРПМШ-31

Блок

Каждый их трех блоков должен уместиться в 4U стоечном корпусе:

Логические элементы располагаются на модулях, до 16 ламп на каждом модуле, с краевым разъемом 31 или 72пин. Три ряда плат, с шагом 24мм для логики и 36мм для плат с декатронами. Теоретическая вместимость каждого блока 768 ламп.

Каждый блок содержит собственный трансформатор питания мощностью 1.7-2.5 кВт. При этом трансформатор находится ближе к лицевой стороне. Платы располагаются ближе к задней стороне чтобы все провода были минимальной длины.

Охлаждение

В блоке установлены мощные 120мм вентиляторы NMB 4710PS-23T-B20 с питанием от 220В для отведения тепла. Мощность 9Вт, 1900об/мин, производительность 1.4м^3/мин при создаваемом давлении 23.5Па.

Измерение декатронной ячейки анемометром показывает скорость воздуха 2.4м/с, что при трех вентиляторах дает производительность 5.8м^3/мин, а на один - 1.9м^3/мин - что плюс-минус корректно. В час 350м^3. Для охлаждения лампы ГУ-5 с рассеиваемой мощностью 3.5кВт достаточным является охлаждение в 400м^3/час. Так что должно хватить.

В принципе, 4U серверные корпуса способны выделять 2-3кВт тепла и при наличии активного охлаждения они не перегреваются. Требуется модель openFoam и натурные эксперименты для измерения характеристик нагрева:

1. Измерить поток воздуха и создаваемое давление от используемых вентиляторов
2. Загрузить 3D модель блока с платами с лампами в openFoam и просчитать потоки воздуха
3. Подать питание на сверхминиатюрку и обеспечить на ней необходимое тепловыделение, нарисовать график нагрева в закрытом пространстве
   1. То же, но при наличии активного обдува.

Стойка

DekatronPC Challenge

Сейчас у меня собрано все железо, нужное для начала экспериментов, в том числе полторы тысячи сверхминиатюрных ламп - 6Н16Б, 6Х7Б и 6Ж2Б. Продолжается долгий и интересный процесс проектирования и сборки будущей машины. В отличие от релейного компьютера с его монолитной конструкцией, здесь конструкция блочная.

Этап 1: Верификационная программная модель C++ (UPD: 19.05.2023)

Создан программный эмулятор на языке C++. При этом поведение модели такое же как будет в железе - 4 счетчика - для верификации алгоритма исполнения программ на brainfuck только на счетчиках. Модель поддерживает только 8 базовых инструкций языка Brainfuck и требует доработки для дополнения остальными инструкциями.На данный момент модель подключена к Verilator и обеспечивает пошаговое сравнение Verilog-модели с C++ моделью.

Завершением этапа будет программный код, поддерживающий расширенный набор инструкций описанный выше.

Этап 2: FPGA-Эмулятор лампового компьютера (UPD: 07.06.2023)

Архитектура машины реализуетсяна языке Verilog. А также изготавливается эмулятор лампового компьютера на базе ПЛИС. На данный момент модель уже умеет исполнять программу Hello World! Идет активная переработка исходного кода. Также, на базе Verilator создано окружение виртуального эмулятора - он позволяет отлаживать прошивку Эмулятора без физического доступа к железу, в виде C++ приложения, в котором код Эмулятора пишется на языке Verilog.

Прогресс: Verilog-модель поддерживает 7 инструкций brainfuck - кроме CIN.

Тестирование:

Тест	Состояние
Dekatron	PASSED
Counter	PASSED
IpLine - LoopTest	PASSED
ApLine	PASSED
Hello World	PASSED
Pi	PASSED
ROT13	PASSED

В завершении этапа будет синтезируемый код на языке Verilog, работающий на FPGA-эмуляторе и позволяюющий запускать любые программы языка brainfuck

Этап 3: Экспериментальная декатронная ячейка (UPD: 19.05.2023)

Параллельно, ведется третий этап - изготовление экспериментальной декатронной ячейки, задача которой - отладка схемотехники управления декатроном - чтение, запись, счет.

Этап 4: Сборка в железе

На этом этапом будет последовательное создание блоков машины в железе и их подключение к Эмулятору. 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.

Бюджет проекта (UPD: 08.06.2023)

План/Факт расходов на проект.

Наименование	Стоимость, тыс. руб	Примечание
Лампы, декатроны, панельки	90
Прочее	87
Всего израсходовано	177	Учтенных расходов
Трансформатор питания, 3шт	100
Корпус	50
Электронные компоненты	50
План	377

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
• Книги
• Схемотехника
• Температурная стабильность, охлаждение
• Укладка кабелей
• Интерфейс ввода-вывода
• Надежность машины

Ссылки

• Статья на Xakep.ru