Как я придумал свой процессор.

Я давно работаю в индустрии разработки программного обеспечения. Десять лет я увлекался программированием как хобби, ещё десять лет был программистом по профессии. Хотя мне доводилось программировать на достаточно низком уровне, одно оставалось для меня загадкой: каким образом из простых логических элементов получается машина, способная последовательно менять своё состояние и что-то делать, руководствуясь заданной программой. Не смотря на то, что я читал материалы о том, как устроены процессоры, полного понимания я так и не получил, всё равно оставалась в этом какая-то тайна и магия. Воспользовавшись праздниками я решил восполнить этот пробел, руководствуясь принципом: "чтобы что-то понять, надо научиться это сделать самому".

Для экспериментов я использую программу Logisim - очень удобное и наглядное средство для моделирования дискретных схем. 

Калькулятор

Для разминки и освоения инструмента я решил сделать что-то простое: шестнадцатеричный калькулятор. Калькулятор уже обладает некоторым состоянием, так что это упражнение помогло мне освоить азы работы с регистрами, логическими элементами и арифметическими устройствами.

Процессор 1.0

После успешного освоения схемы калькулятора я стал конструировать свой первый процессор. Первый опыт подсказал мне идею, что процессор по сути - это набор простых модулей - регистров, арифметических и логических устройств - которые соединены такой схемой, которая может их перекоммутировать для выполнения нужной операции. Вдохновившись этим пониманием и схемой простого процессора я стал мастерить первый свой процессор, обладавший одним регистром.

Первый блин, конечно же, вышел комом, но не без пользы. Получилась примитивная схема, которая не умела делать почти ничего полезного, но стала важным технологическим достижением: я сделал схему, которая умела последовательно выполнять команды, а так же разобрался с концепцией микрокода. После прогона пары тестовых программ я понял, что надо этот прототип отправлять на свалку истории и начинать с чистого листа.

Процессор 2.0

Попытки написать программы для Процессора 1.0 выявили примитивность и непрактичность его набора команд, поэтому целью разработки второго процессора стала поддержка полноценного набора команд, который позволит писать осмысленные программы. В частности, необходимым я счёл:

1. Условные переходы
2. Косвенная адресация (доступ к ячейке, адрес которой хранится в регистре)
3. Работа со стеком (команды push/pop).
4. Поддержка подпрограмм (команды call/ret)

Составив список нужных команд я засел за разработку и через несколько дней получил первые работающие варианты. Сегодня компьютер выполнил "Hello, World". Сейчас процессор выглядит так:

Некоторые характеристики:

• Разрядность регистров, шины данных и адреса: 16 бит.
• Память адресуется только 16-битными словами
• Микрокодовая архитектура процессора реализующая 60 команд (RISC). 
• Микрокод составляет 255 24-битных слова.
• Восемь регистров общего назначения (R0-R7)
• Прямая и косвенная адресация через регистры
• Косвенная адресация со смещением через два спец. регистра: SP (stack pointer) и OP (object pointer). 
• Объединенная шина памяти и ввода-вывода.
• Одношинная микроархитектура
• Средняя длительность выполнения команды - 4 такта.

Процессор сделан по максимально простой одношинной архитектуре, которая даёт процессору хорошую гибкость, но делает его чрезвычайно медленным в исполнении команд. Пока я с этим смирился, так как простой процессор позволяет легко добавлять новые команды, просто расширяя микрокод.

При разработке процессора очень удобным инструментом оказался Excel. В нем я вел документацию, составлял микрокод и даже реализовал на VBA простой ассемблер. Вот так выглядит программа "Hello, World" и с генерированный ассемблером код:

Программа Logisim оказалась удивительно хорошо совместима с Excel: сгенерированный двоичный код прекрасно переносится в Logisim через copу/paste. 

Заключение

Опыт создания своего процессора оказался очень интересным, как с точки зрения восполнения пробелов в знания, так и с точки зрения получения интеллектуального удовольствия. Такой радости от того, что моя поделка заработала, я не испытывал с детства, когда писал и запускал свои первые программы.

Вся магия рассеялась. На практике оказалось, что в основе работы процессора лежат очень простые идеи и принципы, которые достаточно легко реализовать даже без специальной подготовки. Впрочем, всё начинает сильно усложняться при попытке оптимизировать схему или обработать все крайние и исключительные ситуации. 

Конечная цель моих игр с Logisim - создание простого виртуального компьютера и базового ПО к нему. Меня сильно вдохновляют советские домашние компьютеры 80-ых (например, ЮТ-088), которые я выбрал для себя как некий идеал конечного результата. К этой цели и буду двигаться по мере наличия вдохновения и свободного времени, так что ждите новых публикаций по этой теме :)