Nibbler

[antsnark]

4-bit homebrew CPU



http://www.bigmessowires.com/2013/09/17 ... irst-boot/

Some specs:

4 bit custom-made CPU
12 bit addressing, 4K address space size
Harvard architecture – separate program and data memory spaces
2 MHz clock speed, 2 clocks per instruction = 1 million instructions/sec
Thirteen 7400-series chips in the CPU data and control paths
Two 28C16 EEPROMs store microcode for generating internal control signals
4K x 4 SRAM (CY7C168A)
28C64 EEPROM stores programs
Four pushbutton inputs
16 x 2 character LCD
Audio speaker
About 100 mA current draw at 5V”

[Stan]

Так на взгляд, если взглянуть на Some specs:

Some specs:

4 bit custom-made CPU
12 bit addressing, 4K address space size
Harvard architecture – separate program and data memory spaces
2 MHz clock speed, 2 clocks per instruction = 1 million instructions/sec
Thirteen 7400-series chips in the CPU data and control paths
Two 28C16 EEPROMs store microcode for generating internal control signals
4K x 4 SRAM (CY7C168A)
28C64 EEPROM stores programs
Four pushbutton inputs
16 x 2 character LCD
Audio speaker
About 100 mA current draw at 5V

так всё выглядит несколько загадочно, поскольку как-то слишком просто...

Но если добавить:

At the bottom-left of the schematic are the SN74LS181 ALU...

то всё становится более понятным!

А система команд Nibbler-а - не ахти:



В этом 4-битном разделе есть и более интересные наборы.

И если я не ошибся, прочитав описание Nibbler 4 Bit CPU и посмотрев его схему,
вызов подпрограммы CALL в нем также не реализован, как и во многих других 4-битных схемах.

[Lavr]

вызов подпрограммы CALL в нем также не реализован, как и во многих других 4-битных схемах.

Я тут посмотрел мимоходом, буквально написано следующее:

Nibbler also lacks any address registers, which means it can’t support any form of indirect addressing, nor a hardware-controlled stack. All memory references must use absolute addresses. That’s a significant limitation, but it’s in keeping with the project’s K.I.S.S. design goals. With the use of jump tables and dedicated memory locations, Nibbler programs can implement a simple call/return mechanism without a true stack.

У Нибблера также отсутствуют какие-либо регистры адреса; это означает, что он не может поддерживать любую форму косвенной адресации, ни аппаратный стек. Все обращения к памяти должны использовать абсолютные адреса. Это существенное ограничение, но это в полном соответствии с концепцией K.I.S.S. (it's an acronym for "Keep it simple, stupid") дизайна проекта.
При использовании таблиц переходов и специальных ячеек памяти, в программах Нибблера можно реализовать простой механизм вызова / возврата, без реального аппаратного стека.

B PDP-8 как-то кургузо программный стек реализовывали... а вот пример программирования, как описано выше "при использовании таблиц переходов и специальных ячеек памяти" хотелось бы посмотреть...

[Lavr]

Я решил присмотреться к этому Nibbler-у поплотнее...
Как-то у него схемотехнически рискованно всё выполнено, хотя и выполняет какдую инструкцию
за 2 такта, хотя я у себя в 4-bit Processor-е выполнял их за 4 такта воизбежание всяких "глитчей".

Расфасовка команд у автора похожая: [КОП+операнд], или [КОП+сегмент][смещение] :

NibblerTab.gif

Несколько удивляет, что применив в конструкции АЛУ типа 74181 на 32 функции, автор задействовал
из них только 3 : сложение, вычитание (как CMP) и NOT_OR.
При этом вычитает он как сложение с дополнением, а всё недостающее - реализует макросами в ассемблере.

Если бы я в свой 4-bit Processor вставил АЛУ 74181, то все его 32 функции задействовались бы без проблем.
Другое дело, что я сознательно применения АЛУ типа 74181 избегал...

[Lavr]

Я решил присмотреться к этому Nibbler-у поплотнее...

И я так пристально присмотрелся, что после трёх суток шаманских плясок с бубнами,
этот Nibbler вдруг сдался и заработал!

Nibbler 2.gif

Все шаманские "бубны" и прочие "вувузеллы" на схеме пока еще видны...

Подробности изложу здесь позже. А то что-то я зело не высыпаюсь 3 дня с этим проектом...


P.S. Shaos... а ты меня подводишь... я столько тестов написал в WinHEX в кодах без Assembler-a...

[Shaos]

Да - чото там автор накрутил-навертел с новыми фенечками C++ так, что в старом добром борланде 2000 года оно уже не собирается, но зато собирается микрософтовским компилятором из командной строки для XP

Code: Select all

Microsoft (R) 32-bit C/C++ Optimizing Compiler Version 13.10.3077 for 80x86
Copyright (C) Microsoft Corporation 1984-2002. All rights reserved.

Правда пришлось убрать stdafx.h отовсюду и одну конструкцию в assembler.h разделить на 2 части, а также опцию /EHsc применить, иначе ругалось.
В результате оно даже работает и собирает примеры с сайта автора с точным совпадением, за исключением одного случая:

FROGGER
binary output: wrote frogger.bin (3279 program bytes, 80% full)
symbols: wrote frogger.sym
Comparing files frogger.bin and ORIGINAL/FROGGER.BIN
FC: no differences encountered

Comparing files frogger.sym and ORIGINAL/FROGGER.SYM
FC: no differences encountered

-
GUESS-THE-NUMBER
binary output: wrote guess-the-number.bin (1742 program bytes, 42% full)
symbols: wrote guess-the-number.sym
Comparing files guess-the-number.bin and ORIGINAL/GUESS-THE-NUMBER.BIN
FC: no differences encountered

Comparing files guess-the-number.sym and ORIGINAL/GUESS-THE-NUMBER.SYM
FC: no differences encountered

-
MASTERMIND
binary output: wrote mastermind.bin (2057 program bytes, 50% full)
symbols: wrote mastermind.sym
Comparing files mastermind.bin and ORIGINAL/MASTERMIND.BIN
0000003D: 4F 4E
Comparing files mastermind.sym and ORIGINAL/MASTERMIND.SYM
***** mastermind.sym
LCD_COMMAND_CUSROR_POS_LINE_1 =$80 ;
LCD_COMMAND_DISPLAY =$F ;
LCD_COMMAND_INTERFACE4 =$2C ;
***** ORIGINAL/MASTERMIND.SYM
LCD_COMMAND_CUSROR_POS_LINE_1 =$80 ;
LCD_COMMAND_DISPLAY =$E ;
LCD_COMMAND_INTERFACE4 =$2C ;
*****

-
MUSIC-WALTZ
binary output: wrote music-waltz.bin (3569 program bytes, 87% full)
symbols: wrote music-waltz.sym
Comparing files music-waltz.bin and ORIGINAL/MUSIC-WALTZ.BIN
FC: no differences encountered

Comparing files music-waltz.sym and ORIGINAL/MUSIC-WALTZ.SYM
FC: no differences encountered

-
TESTRAM
binary output: wrote testram.bin (123 program bytes, 3% full)
symbols: wrote testram.sym
Comparing files testram.bin and ORIGINAL/TESTRAM.BIN
FC: no differences encountered

Comparing files testram.sym and ORIGINAL/TESTRAM.SYM
FC: no differences encountered

Хотя вроде у меня собралось правильно - ума не приложу как у автора
#define LCD_COMMAND_DISPLAY $0F ; display on, cursor on, blinking cursor on
могло превратиться в
LCD_COMMAND_DISPLAY =$E ;
(исходник на 5 минут старше бинарника - возможно он потом исправил, но не пересобрал)

[Lavr]

Я тебе очень благодарен - всё заработало просто отлично!
Пожалуй, со всем, что ты сделал, я бы и за неделю не справился...


P.S. Честно говоря, у автора и в схемотехнике там такие фокусы, что я просто
был удивлён - а собрал ли кто-нибуть в реале этот Нибблёр ?

Думаю, собрать такой компьютер из дискретных элементов вполне под силу каждому не затрачивая на это пол жизни

Меня терзают смутные сомнения, что это не совсем так...

[Lavr]

Что мне не понравилось в схемотехнике, так это то, что автор совершенно не избегал ситуаций,
когда на шинах один буфер закрывается, а другой - открывается.

err257.gif

Я в своей конструкции этого настойчиво избегал, поскольку конфликт неизбежен,
в реале, он, может быть и проскакивает, а вот Proteus - это вгоняет в ступор...
Хотя я и в жизни бы такого делать не стал, а разнес бы процессы хотя бы на
несколько корпусов-задержек ТТЛ.

Ну я и раздвинул конфликтные места цифровыми задержками, и схема задышала...

И вот тут меня ожидал сюрприз от автора, которого я очень надеялся избежать...
Выяснилось, что не работают инструкции JP и JNP - а это уже не
схемотехника, это уже - микрокод! А в него мне так не хотелось лезть...

Но оказалось, что инструкция JNZ работает! Вот по её образу и подобию
я и пропатчил в 2-х местах ПЗУ микрокоманд...
И у меня тоже сложилось впечатление, что автор выложил не совсем ту прошивку,
что прошита у него.
Хотя... два файла прошивки ПЗУ микрокоманд прилагаются к авторскому эмулятору,
и, возможно, что даже и работают!

В общем я немного подробнее подебажу сабж, благо, Shaos помог мне с ассемблером,
ибо не так страшны 16 команд, как неприятно вычислять адреса переходов в WinHEX.
Ну а потом - выложу сами проекты, если будет интерес.

вы это - схемку, давайте, схемку, ...

Да - схемку надо дать... Поскольку собирал я проект по своей схемке - несколько окультурив
авторский вариант:

 Схема Nibbler принципиальная окультуренная

NibblerSch2.gif

Я бы еще отзеркалил её слева направо... но тогда бы пришлось реверсить все надписи...

[Lavr]

Выкладываю архив с проектом "Nibbler" как есть, ибо ковыряться мне в нем более
не интересно, всё что меня интересовало - я уже посмотрел.

Nibbler.zip

Один глюк там где-то есть, но отлавливать его мне не охота.

В архиве - проект Proteus "Nibbler" .
Прошивки ПЗУ: патченные и оригинальные.
Авторские программы на ассемблере и в кодах.
Сам ассемблер, любезно перекомпилированный Shaos-ом.

Так что, если кто хочет покопошиться в недрах "Nibbler"-а, желаю успехов и удачи.