Введение

Здравствуй, мир! Сегодня у нас перевод спецификации языка CHIP8. Это статья содержит только теоретическую часть.

Что такое CHIP8?

CHIP8 это интерпретируемый язык программирования, который был разработан Джозефом Вейзбекером (прим. перевод Joseph Weisbecker) в семидесятых для использования в RCA COSMAC VIP. В дальнейшем был использован в COSMAC ELF, Telmac 1800, ETI 660, DREAM 6800. Тридцать одна (35?) инструкция давали возможности для вывода простого звука, монохромной графики в разрешении 64 на 32 пикселя, а также позволяло использовать 16 пользовательских кнопок. Сегодня CHIP-8 часто используется для обучения базовым навыком эмуляции (не интерпретации). Интерпретаторы CHIP-8, часто по ошибке называемые „эмуляторами“, существуют на все более расширяющемся множестве платформ. Это обилие интерпретаторов связано со сходством дизайна интерпретатора CHIP-8 и эмулятора системы. Те, кто хочет разобраться в эмуляторах, нередко начинают с написания интерпретатора CHIP-8.

Год назад вышло бесплатное электронное издание на русском языке всеохватного вводного учебника Дэвида Харриса и Сары Харрис «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера». Книга попала в струю, ее скачивания завалили британский сайт Imagination Technologies (дважды — 1, 2), после чего учебник стали использовать преподаватели московских МФТИ, МГТУ, питерского ИТМО, киевского КНУ, КПИ и других вузов. Интересной особенностью учебника является то, что его перевод на русский сделала группа энтузиастов: преподавателей российских и украинских университетов, русских сотрудников компаний в Silicon Valley (AMD, Synopsys, Apple, NVidia ...) и российских компаний (НИИСИ, МЦСТ, Модуль ...).

При этом, электронное издание Харрис-энд-Харрис сформатировано для планшета, и уже после первых скачиваний посыпались емейлы, когда же учебник будет и на бумаге. И вот час настал — Учебник Дэвида Харриса и Сары Харрис «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера» можно заказать на бумаге (выходит в новогоднюю ночь). В этом посте я покажу, чем этот учебник отличается от других. Бонус: фотки участников и участниц проекта!



Есть много учебников, которые хорошо вводят в цифровую логику на уровне триггеров и мультиплексоров, или в программирование готовых микроконтроллеров на ассемблере, или показывают красивые диаграммы процессорных конвейеров, или обучают синтаксису Verilog или VHDL. Но если учить скажем микроархитектуре без HDL, или если например пропускать уровни между триггером и программированием микроконтроллера, то получатся студенты, которые могут сдать экзамен и спорить умными словами в интернете, но ничего не могут сделать практически.

Учебник H&H решает эту проблему:

Господа! Семинар Nanometer ASIC, организованный РОСНАНО, МИСиС и Imagination Technologies, оказался довольно популярным — на него зарегистрировались более 180 человек, пришли 127, причем в аудитории засветились предствители всех значимых российских микроэлектронных проектов — от радиационно-стойких микросхем для космоса из НИИСИ до чипов для умных камер от ЭЛВИС-НеоТек, инженеров из Байкал Электроникс, руководителей проектов по автоматизации проектирования микросхем из МГУ, разработчики российских ПЛИС-ов из Воронежа, преподаватели из ВШЭ/МИЭМ и других вузов, организаторов олимпиад для школьников из МФТИ и многие другие.

Несмотря на то, что для профессиональных спецов по использованию Synopsys IC Compiler семинар был слишком элементарный, но его вводный характер искупился его широтой — инженеры из всей цепочки проектирования и производства могли освежить в памяти области, которые они забыли, инвесторы в полупроводниковой индустрии смогли посмотреть что делают компании, в которые они инвестируют, студенты посмотрели, что им может нравится и так сказать куда копать (в полупроводниковой индустрии Silicon Valley молодые инженеры специализируются в логический / физический / аналоговый дизайн довольно рано в своей карьере).

Ведущий семинара, лектор Калифорнийского университета в Санта-Крус (отделение в Кремниевой долине) Чарльз Данчек (Charles Dancak) отвечает на вопросы:



Скачать все слайды на русском можно здесь.

Под катом — избранные слайды Nanometer ASIC (25 из 322):

В прошедшую субботу решил провести «субботник» и наконец-то навести порядок на полках и в шкафах.

В старых коробках, среди всякого разного оборудования, разных плат, девелопер китов и пачек старых дисков обнаружил несколько интересных экземпляров устройств, просто настоящие артефакты древности. С этими артефактами связана целая история, которую и хотел бы рассказать.

Дело было так. В далеком-далеком году мы получили заказ на разработку прошивки для микросхемы Cypress CY7C63723. Это был такой PS/2-USB микроконтроллер. Задача: написать прошивку к этой микросхеме. Но был один нюанс. Микросхема предназначена для преобразования протокола из PS/2 в USB, а нужно было подключить два устройства PS/2, то есть нужно подключить PS/2 мышь и PS/2 клавиатуру с помощью одной такой микросхемы USB конвертера. Микросхема должна была бы устанавливаться на материнскую плату Jetway (если память не изменяет).

Точнее, дело было даже так: эта задача уже делалась каким-то разработчиком, но у него чего-то не получалось. Нам отдали его исходники и сказали, что нужно срочно починить и переделать, но чтоб работало. Кроме исходных текстов нашего неудачливого предшественника тогда мы получили вот это…

Традиционно московская конференция CEE-SECR (Central & Eastern European Software Engineering Conference in Russia) была про софтвер, но в этом году ее организаторы решили поэкспериментировать и впустить темных демонов хардвера. Причем не из чего-то народного типа Ардуино, а из уровней посуровее: микроархитектуры микропроцессоров, прототипирования систем на кристалле с помощью микросхем ПЛИС/FPGA, и автоматической генерации тестов для процессоров во время их разработки. Чтобы привязать данный материал к чему-то знакомому для программистов, в хардверной теме возникли приложения встроенных процессоров для интернета вещей, связь лицензируемых микропроцессорных ядер с российскими микропроцессорными проектами, обучение хардверу в российских университетах, а также российские встроенные операционные системы реального времени для тех применений, куда нельзя впускать длинный нос американского Госдепа.

Можно сказать, что хардверная тема на SECR-е удалась: вся комбинация докладов была сбалансированна и покрывала тему с разных сторон; людей в зале было не то что особенно много, но выше среднего; возникли интересные споры о достоинствах и недостатках открытых процессорных ядер супротив частично открытых, но шире используемых в промышленности.

4 года назад вышла моя статья про IBM SOM, где я констатировал крайне плачевную ситуацию, когда утерян значимый инструментарий, и чем дальше, тем меньше шансов восстановить. За прошедшее время много, чего случилось, нашлись и SOM 3.0 для Windows, и SOM 2.1, и открытый клон somFree, и рабочий компилятор DirectToSOM C++ для Windows, и мост в OLE Automation.

Один из моих проектов реализует поддержку SOM в Delphi. Разработка начиналась на Delphi, пришлось часть привязок делать вручную и не так красиво, в процедурном стиле, без проверки типов. Используя эти привязки, был написан генератор привязок в объектном стиле, а затем и сам генератор был переписан на новые привязки, став подтверждением их работоспособности. Ради красоты пришлось хакнуть объектную систему Delphi, и, может быть, вам будет интересно, как это вообще можно делать.

«Hardware is just software crystallized early»
— Alan Kay

Компьютер Magnavox Odyssey 2 (Videopac) появился в 1978 году и позиционировался как игровой, однако с возможностью более серьёзного применения (для чего у него имелась встроенная плёночная клавиатура). Серьёзных приложений, учитывая назначительный объём памяти, было очень мало, так что, по факту, правильнее считать Videopac игровой приставкой.

Что касается названий, Magnavox Odyssey 2 продавался в США и выдавал NTSC видеосигнал (через RF выход). Philips Videopac G7000 (он же C52) продавался в Европе, соответственно, с PAL видео. Кроме этого различия (которое, разумеется, влияло на работоспособность части игр) компьютеры совершенно одинаковые.

Videopac был одной из первых игровых приставок, для которой игры выпускались в виде картриджей с программами. Поэтому ничего удивительного, что и технически это устройство весьма аскетично.

На дворе конец 2016 года, наконец-то, вызвав бурю восторга среди фанатов, вышла третья часть «Казаков»… А мне всё не давала покоя странная ошибка в сетевой компоненте первой части. Странность заключалась в том, что при создании игры в локальной сети нормально запустить игру могли только два человека. При трёх игроках индикатор загрузки рос мучительно медленно, а начиная с четырёх и вовсе оставался на отметке 0%. Что ж, начнём расследование!

— А видеовыход у него есть?
— И как ты себе это представляешь?
(из разговора о Vectrex)

Vectrex выпускался GCE в 1982 — 1983 гг. и представляет собой игровой компьютер (приставку) ключевая особенность которой, векторный дисплей, делает его одним из самых необычных и интересных 8-разрядных компьютеров. С некоторой натяжкой можно сказать, что он является упрощённой версией векторных игровых автоматов Cinematronics, технически более совершенных.

В качестве процессора в Vectrex используется Motorola 6809 — он похож на MOS 6502/6510, но добавлены 16-битные регистры, дополнительные режимы адресации, умножение.
Тактовая частота — 1.5MHz.

Поскольку компьютер был выпущен как игровая приставка и игры для него продавались на картриджах, программа размещается в ПЗУ картриджа (32 кб), а ОЗУ — совсем крохотное (1 кб — две штуки 2114) и предназначено больше для данных.

Также есть встроенное ПЗУ с BIOS'ом (8 кб — одна 2363), который включает набор подпрограмм для рисования векторов и вывода текста, несколько примитивных мелодий и даже одну игру — Minestorm (многим известную как Asteroids).

Компьютер Texas Instruments TI-99/4a почти неизвестен за пределами США, однако он был там весьма популярен (выпущено более двух миллионов машин). Хотя этот компьютер создавался как домашний, существенной особенностью (во многом определившей его архитектуру, а затем и судьбу) было то, что за основу был взяли уже существовавший серьёзный мини-компьютер TI-990, собранный на обычной ТТЛ логике. Фактически, микропроцессор TMS9900 в компьютере TI99/4A является реализацией TI-990, но в виде чипа. TI-990 был выпущен в 1975 году, а TMS9900 в 1976 году.

Таким образом, TI99/4a (в 1979 был выпущен чуть более простой TI-99/4, а в 1981 уже TI-99/4a) получил в наследство крайне странную, для домашних компьютеров, архитектуру. Во-первых, микропроцессор TMS9900 в нём 16-разрядный — с честной 16-разрядной шиной данных (это в конце 1970-х!). Во-вторых, на чипе нет регистров (кроме PC, флагов и указателя «регистров» WP). То, что можно назвать регистрами, находится в отдельной микросхеме 16-разрядного статического ОЗУ размером 256 байт и может адресоваться одновременно как память и (первые 16 слов) как регистры R0..R15. Называется это «scratchpad».
Аппаратного стека нет, вместо этого сохранение значений при вызове подпрограмм осуществляется изменением указателя начала регистров WP в этом самом ОЗУ (напоминает регистровые окна в Sparc'ах). В предке (TI-990) это также использовалось для переключения контекста при реализации многозадачности.
Хотя тактовая частота TMS9900 — 3 МГц, инструкции занимают довольно много тактов — не менее 8. При этом реализовано даже умножение и деление (124 такта).

Коллеги: как вы возможно уже знаете, компания Imagination Technologies (известная как разработчик GPU внутри Apple iPhone + продолжатель культового проекта Стенфорд/MIPS) вместе с РОСНАНО+МИСиС+МГУ+МФТИ+МИЭТ в Москве, ИТМО в Питере и киевских активистов из КПИ и КГУ — проводит серию семинаров по разработке микросхем и программированию встроенных микропроцессоров. Самый ближайший из этих семинаров будет уже на следующей неделе (18-20 октября в Алма-Ате). В этом посте — текущее почасовое расписание семинаров и немножко эстетичных изображений конвейеров встроенных микропроцессорных ядер, о длине, максимальной частоте и энергопотреблении которых мы немножко поговорим во время семинаров.



Итак расписания:

На Хабре уже как минимум дважды упоминался новый отечественный стандарт блочного шифрования ГОСТ Р 34.12 2015 «Кузнечик», ru_crypt в своем посте рассмотрел основные механизмы и преобразования нового стандарта, а sebastian_mg занимался пошаговой трассировкой базового преобразования. Но многие вопросы остались без ответа. Насколько быстр новый ГОСТ? Можно ли его оптимизировать, эффективно реализовать, ускорить аппаратно?

Стремитесь узнать про все этапы проектирования и производства микросхем от идеи до фабрики? Хотите построить прототип своей собственной системы на кристалле используя микросхемы ПЛИС? Интересуетесь программированием микроконтроллеров и операционными системами реального времени? Тогда приходите на семинары, которые совместно организовали американские, российские и украинские компании и университеты. Эти семинары будут проходить в Москве, Зеленограде, Санкт-Петербурге, Киеве и Алма-Ате во второй половине октября и первой половине ноября:

• Nanometer ASIC — двухдневный семинар, описывающий все этапы проектирования и производства микросхем: создание спецификации, описание цифровой логики на языках описания аппаратуры Verilog и VHDL на уровне регистровых передач, логический синтез, размещение и трассировка, создание фотошаблонов и производство микросхем на фабрике. Для проведения этих семинаров из Калифорнии приезжает Чарльз Данчек, преподаватель такого курса в University of California Santa Cruz Extension in Silicon Valley. В Москве семинары проходят под эгидой Фонда инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП) РОСНАНО и его дочерней компании eNANO.
  
  
• MIPSfpga — устройство систем на кристалле, протоколы внутри чипа и вне чипа, интеграция процессорного ядра с памятью и устройствами ввода-вывода, наблюдение работы кэша и конвейера промышленного процессора на плате с ПЛИС. Семинары проводятся под эгидой британской компании Imagination Technologies, известной как разработчик графического процессора PowerVR внутри Apple iPhone.
  
  
• Connected MCU — введение в использование микроконтроллеров, организация параллельности на одном процессоре, использование прерываний, таймеров, конечных автоматов реализованных в софтвере, и наконец — введение в RTOS и лабораторное занятие с использованием операционной системы FreeRTOS. Материалы семинаров подготовлены профессором Александром Дин из университета Северной Каролины в сотрудничестве с Imagination и Microchip Technology.
  

Обновившись в конце апреля на новые драйвера AMD 16.4.2, я обнаружил, что все DirectX12-приложения перестали работать. Ничуть не удивившись, я решил подождать устранения проблемы и отложил DirectX12 в сторону. Но месяцы шли, а с новыми драйверами ситуация не менялась.

30 августа закончился Google Summer of Code, в котором мы принимали участие во второй раз. В целом результат достойный — большинство студентов подтвердили, что их выбрали не зря. Но были и ошибки, о которых расскажем в этой статье. Для подведения итогов GSOC были опрошены менторы — те самые люди, на плечах которых всё и держалось последние полгода. Подробности под катом.

В 2017 году языку Fortran исполняется 60 лет. За это время язык несколько раз дорабатывался. «Современными» версиями считаются Fortran 90, 95, 2003 и 2008. Если изначально это был язык программирования высокого уровня с чисто структурной парадигмой, то в более поздних версиях появились средства поддержки ООП и параллельного программирования. На сегодняшний день Fortran реализован для большинства платформ.

До появления языка Fortran разработчики программировали, используя машинный код и ассемблер. Язык высокого уровня быстро набрал популярность, так как был прост в изучении и обеспечивал генерацию эффективного исполняемого кода. Это существенно упростило жизнь программистам.

На Geektimes летом была статья про Megaprocessor — процессор из дискретных транзисторов и светодиодов, который весит полтонны и занимает всю гостиную в обычном таунхаусе под Кембриджем. Я решил воспользоваться своей географической близостью к этому мегапроекту, и запрограммировать для него что-нибудь презентабельное — например, спортировать для Megaprocessor мою предыдущую хабрапрограммку «Digital Rain».

Система команд Megaprocessor описана на сайте разработчика.

Большинство команд состоят из одного байта, за которым может следовать непосредственный операнд (один или два байта). Регистров общего назначения всего четыре (R0-R3), при этом они не равноправны: например, для команд доступа к памяти адрес должен быть либо в R2, либо в R3; а операнд — в одном из двух оставшихся регистров.

Программистам, привыкшим к системе команд x86 или ARM, набор команд Megaprocessor покажется крайне бедным: нет ни косвенной адресации «база+смещение», ни непосредственных операндов у арифметических команд (за исключением addq ±1, addq ±2). Зато есть пара неожиданных возможностей: отдельная команда sqrt, и режим .wt для команд сдвига, который заменяет результат суммой выдвинутых битов. Таким образом можно, например, парой команд ld.b r1, #15; lsr.wt r0, r1 вычислить количество единичных битов в r0 (вопрос, столь любимый собеседователями на работу!). Мнемоника ld для команды, загружающей в регистр непосредственное значение (вместо привычной по x86 или ARM мнемоники mov) указывает на способ её выполнения: фактически, с точки зрения процессора, выполняется ld.b r1, (pc++).

Итак, приступим.

Каждый язык программирования хорош по-своему. Однако с этим утверждением согласятся не все. После прочтения следующего материала ряды несогласных могут пополниться. Более того, есть мнение, что некоторые «конструкции» вообще нельзя считать языками программирования.

По мнению «Википедии», язык программирования — формальная знаковая система, предназначенная для записи компьютерных программ. Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, определяющих внешний вид программы и действия, которые выполнит исполнитель под её управлением.

Какие-то знаковые системы проще для освоения, какие-то сложнее. Однако среди них есть и весьма причудливые. А есть настолько сложные, что осваивают их только самые хардкорные разработчики.

Господа! Сегодня на 1 сентября, в День Знаний, группа из украинских преподавателей вузов, их аспиранток, а также российских инженеров, решили, по согласованию с британскими издателями Elsevier через компанию Imagination Technologies, сделать небольшой подарок всем учителям компьютерной архитектуры и цифровой схемотехники, особенно тем, которые используют популярный учебник Дэвида Харриса и Сары Харрис.

Просто нажмите вот на эту ссылку и вы получите zip-файл с слайдами для чтения лекций по этому учебнику на русском языке. Причем без регистрации, которая требуется для загрузки учебника как такового.

Слайды могут быть полезны не только учителям, но и любым интересующимся, кто хочет узнать, как своими руками построить микропроцессор, но не хочет пробиваться через 1600 планшетных страниц книги.

Итого, вырезка из слайдов, чтобы вы поняли, о чем идет речь:

Какой язык использовали для написания самых первых программ для самых первых компьютеров с хранимой программой?

Двоичный машинный язык, конечно.

Почему?

Очевидно потому, что не было символьного ассемблера. Первые программы необходимо было писать двоичным кодом.

Насколько легче писать программы на ассемблере, чем на двоичном машинном языке?

Намного легче.

Можно цифру? Во сколько раз легче?

Ну, блин, ассемблер делает всю тяжелейшую «рутинную» работу для вас. Т.е. он рассчитывает все физические адреса. Он составляет все физические машинные команды. Он обеспечивает невозможность выдачи физически нереализуемых команд, например, адресацию за пределы адресного пространства. И затем он создаёт легко загружаемый двоичный вывод.

Экономия объёмов работы огромная.