История разработки одного эмулятора

1. Зачем?

Можно сказать, что всю свою программерскую жизнь я был программистом-прикладником. Участвовал в разработке и коробочных продуктов, и под заказ, в небольших компаниях и побольше. Это интересная и разнообразная работа. Но ничего близко связанного с железом я до этого ни разу писал, и по цифровой схемотехнике имел довольно поверхностные знания, если не сказать — никакие. Зато моя программерская юность прошла за освоением C++ под Win32/MFC :) В какой-то степени мне хотелось проверить свои силы — смогу ли.

2. Почему УКНЦ?

Посетители фестиваля ретро-компьютеров в Нью-Джерси увидели много ностальгических и удивительных экспонатов. Одних только устройств хранения было так много, что они смогли бы сохранить целый фильм в MP4.

Среди накопителей представлены древние HDD, магнитные ленты, 8-дюймовые дискеты. Все совместимы только с древним оборудованием. За единственным исключением: это диск DEC RL02, который подключается к современному компьютеру по USB!

Raspberry Pi и аналогичные платы уменьшили популярность Mini-ITX, но участник сайта Hackaday под ником SHAOS решил собрать в корпусе этого стандарта модульный компьютер на процессоре КР1801ВМ2. С VGA-выходом и БК-совместимыми видеорежимами.

Как все начиналось

В 1957 году Кеннет Олсен и Харлан Андерсон учредили компанию Digital Equipment Corporation (DEC), которая выпустила свой первый компьютер PDP-1. До этого Олсен и Андерсон принимали участие в разработке машин AN/FSQ- 7, TX-0 и TX-2 при лаборатории Lincoln Labs.


AN/FSQ- 7

В это трудно поверить, но иногда ошибки в процессорах по сути живут дольше, чем сами процессоры. Недавно мне довелось в этом убедиться на примере 16-разрядного микропроцессора 1801ВМ1А, на основе которого в свое время в СССР было создано семейство бытовых компьютеров БК-0010/11М. Об этом семействе на Хабре неоднократно писали.

(Пара сувениров эпохи мини-ЭВМ)

(мини-ЭВМ PDP-11 (источник) и спичечный калькулятор)

В числе прочих исторических событий начало 1990-х ознаменовалось неспешным закатом эпохи мини-ЭВМ. От этого времени у меня осталось два сувенира.

C. G. Bell, W. D. Strecker, “Computer What Have We Learned from the PDP-11,” The 3rd Annual Symposium on Computer Architecture Conference Proceedings, pp. l-14, 1976.

Эта статья, которую я выбрал сегодня, является ретроспективой компьютерного дизайна. Это одна из ряда статей Гордона Белла с различными соавторами, описывающей разработку, рост, и внезапную замену культовой линейки продуктов компании, миникомпьютеров PDP-11.

В 1984-ом году вышла культовая книга Стивена Леви “Хакеры: герои компьютерной революции”. Существует любительский русский перевод, но он далёк от идеала. Я было взялся исправлять неточности в нём, положив рядом английский оригинал (кстати, и он не без греха), да забросил после второй главы. Так или иначе, хочу обратить ваше внимание на фрагмент (можно прочитать его в виде отдельной статьи), посвящённый подпрограмме печати числа в десятичной системе. Насколько можно уменьшить такую программу? Каков предел?

На рубеже 70-х и 80-х годов ХХ столетия UNIX набирал популярность не только в академических кругах, но также активно внедрялся в различные бизнес-процессы коммерческих предприятий. Портируемость, простота архитектуры и широкие возможности ОС привели к появлению у этой платформы целой армии верных поклонников. Однако «юних» — это у них. А что у нас? В Советском Союзе имелись свои талантливые инженеры и программисты, которые пытались создавать собственные версии операционных систем, во многом вдохновлённые идеями и архитектурой UNIX. И некоторые из этих проектов оказались вполне успешными. А самым успешным среди них стала ОС ДЕМОС.

Это перевод фрагмента из статьи, который, на мой взгляд, уместно вынести в отдельный пост. Основная статья: habrahabr.ru/post/193798

Проект МАС (Multiple Access Computer, Machine-Aided Cognition, Man and Computer) начался как чисто исследовательский в MIT в 1963 году. Потом он разросся в лабораторию компьютерных наук (LCS), а в наши дни назыается Лаборатория компьютерных наук и искусственного интеллекта

В начале 60-х был всплеск интереса к системам с разделением времени. Джон МакКарти написал заметку под заглавием “Программа для оператора с разделением времени для проекта IBM 709” в 1959 году. Корбато, Мервин-Даггет и Далей в 1962 году написали в статье, что “мы на пороге третьего глобального изменения к подходу использования компьюьтеров, из-за разделения времени”. Сначала это рассматривали как способ поднять эффективность использования компьютера, но очень быстро пришли к идее многопользовательской системы. Деннис Ритчи потом скажет, что самый медленный этап в цикле “написать-скомпилировать-выполнить-отладить” стал определяться человеком, а не машиной.



В рамках проекта МАС получился значительный вклад в системы с разделяемым временем, включая разработку операционной системы (тогда таких слов не было, но давайте так говорить для определенности — прим. перев.) CTSS (Compatible Time-Sharing System). Во второй половине 60-х было создано несколько других систем с разделением времени, например BBN, DTSS, JOSS, SDC, и пр. Но все это не имеет отношения к этой статье. А вот Multiplexed Information and Computing Service (MULTICS) — имеет.

Мне довелось программировать на ассемблерах разных процессоров. Последний в списке – это Xilinx MicroBlaze. Решил выложить некоторые свои наблюдения за особенностями этих почти волшебных железок, которые как волшебный ключик Буратино открыли нам двери в волшебную страну виртуальной реальности и массовой креативности. Об особенностях современных систем x86, x86-64, ARM, ARM-64 и т.п. писать не буду, может быть в другой раз – тема очень большая и сложная. Поэтому планирую закончить на Intel 80486 и Motorola 68040. Хотелось ещё включить в обзор IBM/370, с которыми имел дело. Эти системы были довольно далеки от широких масс пользователей, но оказали при этом огромное влияние на компьютерные технологии. На них просто не хватило выделенного на тему времени, они не использовали процессоры-чипы и самих их вроде бы почему-то не осталось совсем. Очень надеюсь, что мои материалы привлекут внимание и знатоков, которые смогут добавить что-нибудь из того, о чем не подумал или не знал.

В качестве иллюстративного материала прикрепляю свой небольшой камень из Розетты – программки для расчета числа π на разных процессорах и системах по алгоритму-затвору, претендующие на звание самых быстрых его реализаций. Похожий "камень" есть и для алгоритма для быстрого расчета множеств Мандельброта.

В основу предлагаемой метеостанции положен самодельный компьютер PIDP11, состоящий из «малинки» с эмулятором PDP-11 и корпуса с передней панелью с действующими светодиодами и переключателями. Но несмотря на это, у «малинки» осталось достаточно незанятых GPIO, чтобы подключить ещё и датчик давления и температуры.

На эмуляторе запущена ОС 2.11BSD, в которой «крутится» ПО метеостанции. Данные выводятся на два эмулятора терминала. Один из них — cool-retro-term — отображает текстовую информацию крупным шрифтом при помощи ASCII-арта. Второй — эмулятор графического терминала Tektronix 4010 с запоминающей трубкой — выводит кривые изменения давления и температуры.

Один из наших любимых экспонатов — классический образец американской школы конструирования, надежное и недорогое устройство, мгновенно покорившее Америку в середине 1970-х. Вместе с вдохновителем музея DataArt Глебом Ницманом вспомнили эволюцию устройств ввода-вывода и внимательно рассмотрели терминал ADM-3A для взаимодействия с ЭВМ PDP-серии.

Введение

2020 год был странным для всех в мире. Конкретно в моём случае мне пришлось находиться далеко от своего дома в Шанхае, потому что, когда COVID нанёс удар, мы были в Европе, и Китай усложнил процедуру пересечения границ примерно до конца года.

Отсутствие доступа к моей лаборатории и лишь ограниченный доступ к электронному оборудованию сильно сдерживал мои возможности, однако создание новых проектов не исключалось полностью [перевод на Хабре]. После завершения этого проекта я снова попал в проектный вакуум: всё, что у меня было с собой — это куча комплектов разработки ESP32 и желание что-нибудь создать.

Поэтому я подумал: почему бы не создать ещё один эмулятор? У меня был подобный опыт, поэтому это не будет слишком сложно, и как только я доберусь до своей лаборатории, то, вероятно, смогу превратить его в ещё одну миниатюрную работающую модель компьютера, похожую на то, что я сделал с крошечным Macintosh Plus [перевод на Хабре]. Но какой компьютер выбрать на сей раз? Меня всегда интересовал PDP11. Хоть у меня никогда его не было (и я даже на нём не работал), в своё время он находился в авангарде компьютерных технологий. Его архитектура набора команд (ISA) повлияла на довольно значительное количество архитектур, появившихся позже, а солидная доля ПО, которое мы используем по сей день, основывается на идеях, впервые реализованных на PDP11.

PiDP-11 – это современная реплика выдающегося микрокомпьютера PDP-11, разработанного Digital Equipment Corporation. В самом начале своей истории, когда они еще не стояли в каждом доме и уж тем более не умещались в карман, компьютеры были огромными, можно даже сказать пугающими устройствами, которые порой занимали целые комнаты и использовались только в университетах и корпорациях. Серия PDP в этом плане стала неким переходным звеном, сделавшим компьютеры более доступными для рядовых пользователей.