DekatronPC
Описание
Компьютер на базе 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)
- 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
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.
Набор инструкций (Актуальная версия на 18 марта 2022г.)
Общая концепция
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.
Оптимизация доступа к памяти
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 перед первым инкрементом один раз сделать явно сделать LOAD из памяти в счетчик, а после последнего явно вызвать 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 при чтении следующей инструкции необходимо учитывать текущее состояние флагов машины и выполнять дополнительные действия.
В итоге выбрал способ неявного LOAD и STORE. За основу взят принцип data-lock.
- Pагружаем новую инструкцию
- Текущая инструкция +(или -).
- Проверяем флаг APLock:
- Флаг снят. значит в счетчик данных еще не загружено значение из текущей ячейки данных. Производим операцию LOAD из текущей ячейки памяти в счетчик данных. Выставляется флаг APLock
- Флаг стоит. Значит данные в счетчике уже загружены. Ничего не делаем
- Проверяем флаг APLock:
- Текущая инструкция < или >
- Проверяем флаг APLock
- Флаг снят. Ничего не делаем
- Флаг стоит. Производим операцию выгрузки текущего значения счетчика данных в ОЗУ. Снимаем флаг APLock
- Проверяем флаг APLock
- Текущая инструкция - другая
- Дополнительных действий не требуется.
- Исполняем текущую инструкцию
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, который в теории расширяет число инструкций до 32 - представляя два набора инструкций:
- 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
- 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.
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 | |
| 0x2 | ||||
| 0x3 | ||||
| 0x4 | ||||
| 0x5 | ||||
| { | 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 | |
| D | 0xE | ISA2 | Set ISAREG=0 - Debug 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 Debug 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 наиболее предпочтителен - 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.
- Счетчик адреса устанавливается на ячейку А
- Дается команда LOAD - данные загружаются из памяти в счетчик данных
- Стирается флаг памяти - CLRML. Возможно имеет смысл команду LOAD делать без поднятия флага, тогда эта операция будет не нужна
- Счетчик адреса устанавливается на ячейку Б
- 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 | |
| S | 0xD | STORE | Explicit Store from Data Counter to current memory cell | |
| D | 0xE | ISA2 | Set ISAREG=0 - Debug 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, 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)
Декатронные счетчики
| Платы | Триоды | Диоды |
|---|---|---|
| Схема чтения | 2 | 8 |
| Схема записи | 29 | 0 |
| Управление, перенос | 5 | 6 |
| Счетчик | Функционал | Чтение | Запись | Управление | Декатроны | Диоды | Триоды |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| IP Counter | Сброс в нуль, Чтение данных, Zero | 6 | 0 | 6 | 6 | 84 | 42 |
| AP Counter | Сброс в нуль, Чтение данных, Zero | 5 | 0 | 5 | 5 | 70 | 35 |
| Data Counter | Сброс в нуль, запись данных, чтение данных, Zero | 3 | 3 | 3 | 3 | 42 | 108 |
| Loop Counter | Сброс в нуль, Zero | 0 | 0 | 3 | 3 | 18 | 15 |
| Всего | 14 | 3 | 17 | 17 | 214 | 200 |
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.
К этим двум платам пока вопросы. На две платы следующие задачи:
- Инверторы входных сигналов 8-4-2-1. Итого имеем 8 сигналов - прямые и инверсные, которыми можем набрать нужную комбинацию сигналов для следующего этапа:
- Пятивходовые И на двух сдвоенных триодах, где сетка - это пятый сигнал записи. Им на вход подаются сигналы набранные в нужной комбинации на первом этапе.
- 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.
- 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:
- ТСШ-170 - предназначен для выработки основного питания +150В, а также пары накальных линий для 6С19П. Трансформатор необходимо проверить на сопротивление изоляции.
- 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 смещениям.
- ТА48, мощностью 36Вт - питание декатрона +500В (технически сам источник будет на +350В), а также напряжение смещения -50В.
Схемы питания берем из блоков питания осциллографов С1-54 и TR4401
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. Эти 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.
Общий прогресс
Видеоматериалы
Ссылки
- Статья на Xakep.ru
