Periwinkle: процессор с одной инструкцией

Хочу рассказать о процессоре, который я разработал в 2016 году. Он реализован на C как виртуальная машина. Мой друг Бьёрн написал для него ассемблер на F#.

Periwinkle представляет собой процессор OISC ^[1] (one instruction set computer), в отличие от RISC и CISC. У него нет никакой конвейеризации. По сути, производительность не является главной задачей проекта, он создан скорее для удовольствия и в учебных целях.

Моя подруга Алёна придумала ему название Periwinkle, то есть барвинок (этот удивительно живучий цветок считается символом жизненной силы — прим. пер.)

Есть множество типов инструкций для OISC. Но в Periwinkle это инструкция move. Просто перемещаете литерал ^[2] в регистр ^[3] или значение из одного регистра в другой. Логические и арифметические операции, ветвление и т.д. выполняются с помощью регистров.

Длина инструкции Periwinkle стабильно 40 бит. Шина данных 32 бита.

У Periwinkle в общей сложности 64 регистра.

Вот описание некоторых:

Программный счётчик (PC)

• Счётчик до 32 бит
• Размер памяти программы составляет 255 40-битных слов (зависит от реализации)
• Перемещение -1 в регистр PC приводит к явной остановке счётчика

Стек общего назначения (STK)

• Стек для чего угодно (16 уровней в глубину)
• Нет сигнала переполнения и неполного стека
• Чтение пустого стека возвращает 0
• Перемещение сюда значения — это операция push
• Перемещение отсюда — операция pop

Генератор случайных чисел (RNG)

• При вызове генерирует случайное 32-битное число
• Перемещение сюда значения кажется бессмысленным

Skip If Zero (SIZ)

• Пропускает следующую инструкцию, если в него переместить нуль

Skip If Non-zero (SINZ)

• Пропускает следующую инструкцию, если в него переместить ненулевое значение

Reference (REF)

• Используется для указания на адрес на основе перемещённого значения
• Большие значения усекаются до 6-битных чисел

Dereference (DEF)

• Разыменование после REF

Зарезервированные регистры (RSV)

• Перемещение сюда значения не имеет эффекта. Регистр по-прежнему будет содержать ноль.
• Можно применить для какой-нибудь задачи при переносе виртуальной машины на микроконтроллер или чего-то еще
• Для будущих/дополнительных регистров
• Можно использовать для удаления элемента из стека общего назначения и операционных регистров, переместив элемент сюда (не рекомендуется)
• При чтении возвращает 0

Регистры общего назначения (GPR0-GPR31)

• Могут содержать 32-битные числа

Нулевой регистр

• Можно использовать для удаления элемента из стека общего назначения и операционных регистров, переместив этот элемент сюда
• Возвращает 0 при чтении

Регистр состояния:

• 0000 0000 0000 0000 0000 0000 000P ZVNC
• Содержит пять флагов (C, N, V, Z, P)
• Carry
• Negative
• Overflow
• Zero
• Регистр PLUS влияет на флаги C, N, V, Z, P
• Регистры AND, OR, XOR влияют на флаги N, Z, P
• Последняя запущенная операция повлияет на регистр состояния
• Перемещение значения здесь кажется бессмысленным.

Но как работают регистры PLUS, AND, OR, XOR? В этих четырёх регистрах есть своеобразный стек, который является на самом деле вычислительным стеком. Когда в стеке вычислений два числа, операция запускается.

Вот пример для регистра PLUS. Схема работает аналогично для остальных трёх регистров.

Но как производить арифметические действия всего с четырьмя операторами? Как я уже говорил, цель этого проекта — развлечение и образование. Поэтому можете самостоятельно синтезировать недостающие действия.

Вычитание производится путём сложения с дополнительным кодом ^[4], который представляет отрицательные числа. Дополнительный код образуется инверсией битов, то есть запушив на число 0xFFFFFFFF (2³²-1) через XOR. И прибавив единицу через регистр PLUS. Впрочем, ассемблер поддерживает отрицательные числа, так что не обязательно всё это делать.

Умножение — просто многократное сложение.

Деление — это сколько раз одно число помещается в число. Это можно посчитать через счётчик последовательных вычитаний.

Битовый сдвиг делается умножением на 2 или делением на 2.

Сами подумайте, как синтезировать другие операции.

Если интересно, вот репозиторий github ^[5] некоторых программ на ассемблере, которые я написал для Periwinkle. Инструкция move работает слева направо:

#50 gpr0 //переместить литерал 50(base-10) в gpr0
gpr0 gpr1 //переместить значение gpr0 в gpr1

Кроме того, попытаюсь выложить исполняемый файл виртуальной машины Periwinkle VM. Для какой платформы делать виртуальную машину? (Windows (x86? x86-64?), Linux (x86? x86-64? ARM?, ARM64? и т.д.?) и т.д.?) Поскольку ассемблер написан на F#, наверное, он может работать везде, нужен только .NET framework ^[6], можете заглянуть в Mono ^[7].

Если вы знаете архитектуру PIC16 ^[8], то могли заметить у Periwinkle некоторое сходство с ней (STATUS, SIZ, SINZ, REF, DEF). Действительно, она вдохновила меня на работу как первая архитектура, с которой я начал программировать на ассемблере.

Автор: m1rko

Источник ^[9]