Центральный процессор – дома с нуля

Если в последние лет 40 для выполнения задачи нужен микропроцессор – единственный рассматриваемый вариант это купить готовый. Ну или в крайне редких случаях «накатить» стандартное конфигурируемое FPGA ядро (например Nios II) с парой дополнительных инструкций. Многие сейчас даже не могут представить, что процессоры могут получаться каким-то другим путем :-) Это всё равно что считать что продукты беруться в магазине, а вырастить их самому – абсолютно невозможно.

С одной стороны, зачем помнить основы технологии если все производится промышленно? На мой взгляд – чтобы быть уверенным, что технология не будет утеряна, что даже если случиться ядерная война компьютеры можно будет собирать из подручных материалов (так же как и с продуктами в начале 90 - многим пришлось возвращаться к технологии 100-летней давности из-за краха инфраструктуры производства и доставки).

Оказывается есть такие люди, которые до сих пор в качестве хобби делают центральные процессоры из дискретных компонент(транзисторов, реле) и микросхем низкой степени интеграции (счетчики, регистры). Единственные применяемые микросхемы – память (оперативная и перепрограммируемая).

В этой статье я хочу рассказать кратко об архитектуре и о нескольких реально работающих процессорах, сделаных в домашних условиях.

Общие архитектурные заметки:

Большинство самодельных процессоров работают (почти как и большинство современных процессоров )– на микрокоде, считываемого из flash/SRAM-памяти – тут обычно и находится самое медленное место: за последние лет 20 прогресс в латентности работы flash памяти остался почти на месте, и для широко доступных микросхем составляет 70нс, следовательно быстрее 14 МГц на процессоре на микрокоде во флеше не разогнаться. Процессоры обычно имеют шину данных 8 или 16 бит, адресную шину 16-20-24 бита (ограничивать себя 65Кб никому не хочется, особенно с нынешними ценами на память). ALU(вычислительное ядро) делается либо однобитным (т.е. для 16-и битной операции надо 16 тактов), либо используется готовое ALU на 2-4 бита (из которых собирается 8-16-и битное ALU). Процессоры на микрокоде обычно и код и данные хранят в одной и той же памяти (архитектура Фон-Неймана). RISC-подобные процессоры без микрокода обычно работают по Гарвардской архитектуре (данные и код отдельно, зачастую программа не может ничего писать в память кода). В абсолютно всех самодельных процессорах длина всех инструкций одинакова – переменная длина инструкций создает трудности даже при разработке «промышленных» процессоров. В качестве памяти используют обычно SRAM – раньше её использовали только для кэша из-за большой цены. От обычной SDR/DDR памяти отличается крайней простотой и неприхотливостью интерфейса, не нужно следить за «обновлением» памяти (в обычной SDR/DDR памяти данные выживают всего 32-64 миллисекунды).

Маленькие хитрости

Несмотря на то, что обычно используются простые микросхемы, есть некоторые хитрости, которые раньше(30 лет назад) были не доступны: готовые ALU (не совсем простая микросхема), SRAM память(например 1Мб SRAM памяти - это около 48млн транзисторов) и использование EEPROM-памяти как ALU (например, на микросхеме памяти 65кб 8бит можно сделать сумматор или мультипликатор, а на 1Мб микросхеме можно "проводить" 16 разных 8-битных операций - FPGA использует тот же принцип для построения произвольных логических схем). Также, сейчас можно использовать намного больше памяти для хранения микрокода и самого программного кода в памяти.

А теперь несколько самых выдающихся реализаций:

BMOW – Big Mess of Wires

http://www.stevechamberlin.com/cpu/bmow1
Собран из простых микросхем. Тактовая частота – 2 МГц.

MyCPU

http://www.mycpu.eu/
Собран из простых микросхем. Тактовая частота – 8 МГц. Развитая переферия – вплоть до доступа к сети. Кстати, сам Web-сайт http://www.mycpu.eu/ обслуживается именно этим самодельным сервером. Конструкция посторяемая, собрано много экземпляров.

Harry Porter's Relay Computer

http://web.cecs.pdx.edu/~harry/Relay/index.html
Собран на 415 реле, на взгляд около 7Гц :-)

Magic-1

http://www.homebrewcpu.com/
Собран на ~200 простых микросхемах, рабочая частота до 4МГц. Порт Minux, сам сайт работает на этом самодельном сервере.

Mark-1 Forth computer

http://www.holmea.demon.co.uk/Mk1/Architecture.htm
Собран на простых микросхемах, рабочая частота 1МГц. Как нетрудно понять из названия, оптимизирован для программ на языке Форт. Микрокод хранится в диодной матрице, вместо «неспортивных» микросхем флеш-памяти.

MT15

http://www.6502.org/users/dieter/
Самое вкусное на последок: 16-и битный процессор, собранный на самых простых низкочастотных биполярных транзисторах (около 3000 штук). Тактовая частота – 500КГц, из микросхем только память и генерация синхросигнала. Производство таких транзисторов на кухне вполне реально наладить уже через год после ядерной войны

Заключение

Надеюсь эта статья подтолкнет кого-то к более глубокому изучению внутренней архитектуры процессоров. Лично я в процессе изучения многочисленных архитектур поменял своё мнение о x86 – раньше мне она казалась громоздкой и страшно неэффективной (ну и конечно «инженеры – идиоты, я один в белом»), сейчас же практически все решения принятые инжеренарми Intel кажуться вполне логичными, если учитывать ограниченность количества транзисторов в начале 80-х (даже 6000 транзисторов i8080-го процессора обходились покупателям в 360-180$).