Мой маленький триод: Ламповая ЭВМ — это магия

Основы ламповой логики

▍ Инвертор

▍ Катодный повторитель

▍ Катодно-связанная логика

▍ Диодная логика

Язык программирования brainfuck

• С помощью инструкций < и > мы можем перемещаться по памяти данных влево или вправо, выбирая ту или иную ячейку данных. При этом память закольцована, т.е. ячейки с номерами 29999 и 0 являются соседними
• Инструкциями + и - мы можем изменять значение в текущей ячейке данных на единицу вверх или вниз в диапазоне от 0 до 255.
• С помощью инструкций . и , — реализуется интерактивность. С их помощью можно напечатать в консоли значение текущей ячейки данных, или ввести символ с терминала в ОЗУ.
• Последние две инструкции [ и ] — используются для организации циклов. Всё что внутри скобок является телом цикла. Допускается вложенность циклов. На границах цикла проверяется состояние текущей ячейки данных. Если оно не равно нулю — необходимо выполнить тело цикла.

Декатрон

• Плата конвертера двоично-десятичного кода в позиционный,
• Плата усилителей сигнала,
• Плата декатрона, со схемой считывания и переноса разряда,
• Плата стабилизаторов напряжения,
• Блок трансформаторов питания.

Архитектура ламповой машины

1. Instruction Ptr Block — Отвечает за выборку очередной инструкции из памяти программ.
2. Address Ptr Block — Отвечает за исполнение инструкций касаемо данных — прогулки по памяти, изменение значения в ячейке, работа с терминалом
3. Блок логики, контролирующий работу машины

Думаешь я шучу?

Нет, у меня и структурная схема имеется:
Принцип работы ферритовой памяти в роли кэша для внешних накопителей

Это было придумано потому, что найти даже 30кбайт ферритовой памяти ОЧЕНЬ проблематично. Вместе с этим НМЛ СМ5300 позволяет записать на ленту несколько мегабайт. И либо мы делаем ферритовую память на очень малый объём данных или программ, либо начинаем веселье.

Три кэш-линейки для того, чтобы нивелировать задержки доступа к НМЛ. В каждой линейке расположен 1Кб инструкций. В каждый момент времени есть текущая кэш-линейка, на которую указывает счётчик инструкций, предыдущая и следующая. Когда IP Counter станет указывать на следующую линейку — она тут же станет текущей, текущая — предыдущей, а та, что была предыдущей — начнёт заполняться следующей порцией данных с НМЛ. Предыдущая кэш-линейка нужна для того, чтобы быстро бежать назад при выполнении циклов.

А если серьёзно — я ещё не пытался воспроизвести эту логику в SystemVerilog для эмулятора. Но хочу попробовать. На это он и эмулятор, но об этом позднее. Совершенно не представляю, насколько это реально будет собрать в железе. Вероятно, для отсчёта номера ячейки в кэше при загрузке данных придётся делать ещё один счётчик.

▍ Instruction Ptr Block

[>+<-]

1. Мы на инструкции [ и текущая ячейка не равна нулю — нужно выполнить тело цикла.
2. Мы на инструкции ] и текущая ячейка не равна нулю — нужно вернуться в начало цикла, чтобы выполнить его ещё раз.
3. Мы на инструкции [ и текущая ячейка равна нулю — нужно промотать тело цикла, не выполняя его.
4. Мы на инструкции ] и текущая ячейка равна нулю — выполнение цикла завершено просто идём дальше

• При вариантах 1 и 4 компьютер просто продолжает выполнять инструкции друг за другом.
• Варианты 2 и 3 требуют промотать тело цикла. Счётчик будет считать либо назад(для варианта 2) либо вперёд(3) в поисках ответной скобки цикла.

▍ Data Ptr Block

>>>>>+++++<<<<<

1. После выполнения пяти инструкций > AP Counter увеличится на 5
2. Перед выполнением инструкции + Проверка флага занятости покажет, что он не взят. Значит, перед операцией инкремента данных нужно загрузить эти данные в счётчик
3. После выполнения пяти инструкций + Data Counter увеличится на 5
4. Перед выполнением инструкции < Проверка флага занятости покажет, что он взят. Значит, необходимо сначала выгрузить данные из счётчика Data в ОЗУ
5. После выполнения пяти инструкций < AP Counter уменьшится на 5 до начального значения

▍ Какова цена счётчиков?

▍ Система команд

• +-<>[]., — базовые 8 инструкций языка brainfuck.
• {} — инструкции работы с циклами, но за условие берётся сигнал AP_Counter->isZero.
• N(NOP) — пустая операция. Можно использовать для выравнивания кэш-линеек.
• H(HALT) — операция останова машины. Добавляется либо в конце программы, либо в любом другом месте в роли точки останова — машину можно пустить дальше кнопкой на панели оператора. Необязательна, но желательна — без неё ЭВМ будет бежать по памяти программ вперёд до посинения.
• RILA0 — инструкции сброса всей машины (Reset) или отдельных её счётчиков в ноль — соответственно, для IP, Loop, AP и Data Counter. Последнее можно использовать для быстрой очистки ячейки памяти вместо выполнения инструкций[-] — это самая базовая оптимизация в большинстве программных эмуляторов.
• GS(Get/Set) инструкция явно копирует данные из памяти в счётчик и обратно, не изменяя флаг занятости.
• DB(Debug/Brainfuck). Эти две инструкции переключают наборы команд из-за того, что перечисленные выше инструкции суммарно не влезут в 4 бит… Всего их при таком подходе может быть 30 штук.

D //Выбор Debug ISA
A0> //Установка счётчика адреса в нуль, обнуление текущей ячейки данных и выбор следующей
  {   // Пока текущее значение счётчика адреса не равно нулю:
    0 >//Обнуление текущей ячейки данных и выбор следующей
  }
  B //Выбор Brainfuck ISA

>>>> //Доходим до ячейки данных источника
G //Записываем значение из ячейки памяти в счётчик
>>>> //идём к ячейке данных приёмника
S //записываем значение из счётчика в ячейку памяти.

+++++++>>>> //набили в счётчике число, переместились к другой ячейке и
S //записываем это же число из счётчика в другую ячейку памяти.

[->+>+<<]>>[-<<+>>]

Эмулятор

DekatronPC challenge

Вместо заключения

1. Й. Янсен Курс цифровой электроники в 4-х томах 1987.
2. Харрис и Харрис — Цифровая схемотехника и архитектура компьютера.
3. Цифровой синтез практический курс. под. ред. Романова и Панчула.
4. Шевкопляс. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения 1990.
5. Handbook of electronic control circuits. By John Markus. 1959.