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.
8080 стал первым настоящим процессором, его производство началось в первой половине 1974 года. Первый вариант 8080 имел некоторые недоделки и поэтому его через полгода заменили на 8080A, который по факту часто называют тоже 8080. Этот процессор до сих пор производится и находит себе применение. Он многократно клонировался по всему миру, в СССР имел обозначение КР580ВМ80А. Современные процессоры Intel для РС до сих пор легко обнаруживают свою родственность этому уже в каком-то смысле реликтовому изделию. Сам для этого процессора кодов не писал, но будучи хорошо знакомым с архитектурой z80, рискну привести некоторые свои замечания.
Систему команд 8080, как и других процессоров Intel для РС, трудно назвать идеальной, но она универсальная, достаточно гибкая и имеет несколько очень привлекательных особенностей. От своих конкурентов, Motorola 6800 и MOS Technology 6502, 8080 выгодно отличался большим количеством пусть и несколько неуклюжих регистров, предоставляя пользователю один 8-битный аккумулятор А, один 16-битный полуаккуммулятор и по совместительству быстрый индексный регистр HL, 16-разрядный указатель стека SP, а также ещё два 16-битных регистра ВС и DE. Регистры BC, DE и HL можно было использовать и как 6 байтовых регистров. Кроме того, 8080 имел поддержку почти полного набора флагов состояния: переноса, знака, нуля и даже чётности и полупереноса. Некоторые инструкции из набора команд 8080 долгое время были чемпионами по быстродействию. Например, команда XCHG делает обмен содержимым 16-битных регистров DE и HL всего за 4 такта – это было исключительно быстро! Ряд других команд хотя и не ставили столь яркие рекорды, но также долгое время были одними из лучших:
8080 помимо основной памяти, размером в 64 КБ, может использовать ещё два адресных пространства: портов ввода-вывода, размером 256 байт, и стека, размером 64 КБ. Преемники 8080, 8085 и Z80, последнюю возможность не унаследовали.
Этот процессор был использован в первом персональном компьютере Altair 8800, ставшим весьма популярным после журнальной публикации в начале 1975. К слову, в СССР похожая публикация случилась только в 1983, а соответствующая ей по актуальности только в 1986.
Первый почти ПК
Intel 8080 стал основой для разработки когда-то первой массовой профессиональной операционной системы CP/M, занимавшей доминирующие позиции среди микрокомпьютеров для профессиональной работы до середины 1980-х.
Теперь о недостатках. 8080 требовалось три напряжения питания -5, 5 и 12 вольт. Работа с прерываниями скорее неуклюжая: нужен специализированный контроллер и немаскируемые прерывания не поддерживались. И в целом 8080 скорее нетороплив, если сравнить его с вскоре появившимися конкурентами. 6502 мог быть до 3-х раз быстрее при работе на той же частоте, что и 8080. В системе команд несколько раздражает наличие 6 бессмысленных инструкция типа
Но в архитектуре 8080 было заложено, как оказалось, правильное видение будущего, а именно того неочевидного в 70-х факта, что процессоры будут быстрее памяти. Регистры 8080 DE и BC – это скорее прообраз современных кэшей, с ручным управлением, чем регистры общего назначения. 8080 начал с частоты 2 МГц, а конкуренты только с 1, что сглаживало разницу в производительности.
Первое время 8080 продавался по весьма высокой цене $360, но это была своеобразная ссылка на большие компьютеры IBM/360. Intel как бы сообщала, что если купить 8080, то можно получить что-то похожее на очень дорогой мейнфрейм.
Трудно назвать 8080 8-битным процессором на все 100%. Конечно, АЛУ у него на 8 бит, но есть много 16 разрядных команд, работающих быстрее, чем если использовать только 8-битные аналоги вместо них. А для некоторых команд 8-битных аналогов нет вообще. Команда XCHG по сути и таймингам 100% 16-битная. Есть реальные 16-разрядные регистры. Поэтому рискну назвать 8080 частично 16-битным. Было бы интересно по совокупности признаков вычислять индекс разрядности процессора, но, насколько известно автору, пока такой работы никто не проделал.
Автор не знает причины, почему Intel отказалась от прямой поддержки развития 8-битных персоналок своими процессорами. Intel всегда отличaла сложность и неоднозначность политики. Её связь с политикой, в частности, иллюстрирует тот факт, что долгое время у Intel функционируют заводы в Израиле и до конца 90-х это было тайным. Intel практически не пыталась улучшить 8080, была лишь до 3 с небольшим МГц поднята тактовая частота. Фактически 8-битный рынок был передан фирме Zilog с родственным 8080 процессором z80, который смог довольно успешно противостоять главному конкуренту, «терминатору» 6502. А Zilog к концу 70-х была компанией с огромными возможностями, имея почти неограниченное финансирование от Exxon и даже две новейшие фабрики по производству чипов, что было реально много – Motorola, имея миллиардный бизнес, имела в то время также только две фабрики. В начале 80-х значение 6502 стало уже незначительным и Zilog тоже стремительно потерял свой вес – странное совпадение. Кроме того, 8080 и 8085 использовались обычно как контроллеры и в этом качестве могли успешно продаваться по более высокой цене. Наличие z80 позволяло Intel устраниться от конкуренции 8-битных процессоров для компьютеров, где 6502 сильно обвалил цены.
В СССР и России отечественный клон 8080 стал основой многих массовых компьютеров, сохранявших популярность до начала 90-х. Это, конечно, Радио-86РК, Микроша, многоцветные Орион-128, Вектор и Корвет. Однако в войне клонов победили дешёвые и улучшенные клоны ZX Spectrum на основе z80.
Это уже настоящий ПК
В начале 1976 Intel был представлен процессор 8085, совместимый с 8080, но значительно превосходивший своего предшественника. В нём уже стало ненужным питание -5 и 12 вольт, использовалась тактовая частота от 3 до весьма солидных 6 МГц, система команд была расширена несколькими полезными инструкциями: 16-разрядным вычитанием, 16-разрядным сдвигом вправо всего за 7 тактов (это очень быстро), 16-разрядным вращением влево через флаг переноса, загрузкой 16-разрядного регистра с 8-разрядным смещением (эту команду можно использовать и с указателем стека SP), запись регистра HL по адресу в регистре DE, аналогичное чтение HL через DE. Все упомянутые инструкции кроме сдвига вправо выполняются за 10 тактов – это иногда существенно быстрее, чем их аналоги или эмуляция на z80. Были добавлены ещё несколько инструкций и даже даже два новых флага признаков: флаг переполнения и флаг, двоично суммирующий переполнение и знак. Работа с новыми флагами, особенно вторым практически не поддерживалась. Точное назначение второго флага, типичного для знаковой арифметики, стало известным только в 2013, спустя 37 лет после появления 8085! Этот флаг позволяет за раз проверить выполнение отношений «больше или равно» или «меньше», но проверки для парных им отношений потребуют ещё работы с флагом нуля. Были ускорены на такт многие инструкции для работы байтовыми данными. Это было очень существенно, так как на многих системах с 8080 или z80 вводились такты задержки, которые из-за наличия лишних тактов на 8080 могли вытянуть время исполнения почти в два раза. Например, в отечественном компьютере Вектор инструкции типа регистр-регистр выполнялись 8 тактов, а если бы там стоял 8085 или z80, то эти же инструкции выполнялись бы только за 4 такта. Инструкция XTHL стала быстрее на два такта, а инструкции переходов даже на 3. С новыми инструкциями можно написать код для копирования блока памяти, который работает быстрее команд LDI/LDD процессора Z80! Программы для 8080 8085 также, как правило, исполняет несколько быстрее, чем Z80. Однако, некоторые инструкции, например, вызов подпрограммы, 16-битный инкремент и декремент, PUSH, загрузка SP и условные возвраты стали на такт медленнее.
8085 имеет встроенный последовательный порт ввода-вывода и улучшенную поддержку работы с прерываниями: в добавок к зависящему от внешнего контроллера способу, унаследованному от 8080, добавлена подддержка трех маскируемых и одного немаскируемого прерывания – это позволяет, при необходимости, обходиться без отдельного контроллера прерываний в системе. Работа с портом и с управлением прерываниями реализуется через инструкции SIM и RIM – только эти две новые инструкции были официально документированы. Однако, само обслуживание прерываний осталось таким же как и 8080 – очень минималистическим: при прерывании процессор не сохраняет даже слово состояния, это сохранение нужно явно прописывать в коде. Как уже отмечалось, работа со знаковой арифметикой так осталась несколько недореализованной. 16-битная арифметика также не получила поддержки некоторых очень желательных команд: сложения с переносом и вычитания. Такие команды были добавлены в Z80. В 8085 при сложении, например, 32-битных целых нужно использовать условный переход для учета переноса – это, кстати, тоже похоже на мейнфреймы IBM.
Однако, могу опять повторить формулу «по неизвестным автору причинам» Intel отказалась продвигать 8085 в качестве главного процессора. Только в 80-е появилось несколько довольно успешных систем на базе 8085. Первым в 1981 появился предшественник и почти конкурент IBM PC – IBM System/23 Datamaster. Затем в 1982 был выпущен очень быстрый компьютер с превосходной графикой Zenith Z-100, в котором 8085 работал на 5 Мгц. В 1983 в японской фирме Kyotronic был создан очень удачный наколенник KC-85, варианты которого производились и другими фирмами: Tandy производила TRS-80 model 100, NEC – PC-8201a, Olivetti – M-10. Всего их было выпущено возможно более 10 миллионов экземпляров таких компьютеров! В СССР/РФ в начале 90-х на основе отечественного клона ИМ1821ВМ85А были попытки усовершенствовать некоторые системы, например, компьютер Вектор. Удивительно, что главным процессором марсохода Sojourner, достигшем поверхности Марса в 1997, был 8085 с частотой 2МГц! Такой успех 8085 в 80-е во многом связан с тем, что в 1979 был готов 80C85, вариант 8085 с низким энергопотреблением. Упомянутый первый реально карманный компьютер Tandy 100 мог работать до 20 часов на одной зарядке! Возможно, что если бы не ARM, то 80C85 активно использовали бы в мобильных компьютерах и в 90-е.
Фактически фирма Intel дала z80 «зеленый цвет». Спустя несколько лет в битве за 16-битный рынок Intel повела себя совершенно иначе, начав тяжбу по запрещению продаж процессоров v20 и v30 в США. Интересно, что упомянутые процессоры японской фирмы NEC могли переключаться в режим полной бинарной совместимости с 8080, что сделало их самыми быстрыми процессорами архитектуры 8080.
Другая тайна фирмы Intel – в отказе от публикации расширенной системы команд, включая поддержку новых флагов. Впервые она была опубликована в журнале в 1979, а затем и некоторыми из производителей этого процессора. Однако опубликованная информация о новых флагах была весьма неполной. Каковы причины такого странного отказа? Можно лишь гадать. Может Zilog тогда играл роль, подобную которую когда-то возможно играл AMD, и создавал видимость конкуренции, а 8085 мог обрушить Zilog? Может дело в желании сохранять систему команд поближе к проектируемому тогда 8086? Последнее кажется сомнительным. Intel 8086 был выпущен спустя более 2 лет после выпуска 8085 и трудно поверить, что в 1975 уже была известна система его команд. И в любом случае, совместимость как с 8080, так и с 8085 на 8086 достижима только с использованием макропроцессора, заменяя иногда одну команду 8080/8085 (POP/PUSH PSW, Jcc, Ccc, Rcc, XTHL) на несколько своих. Причем две опубликованные новые инструкции 8085 (SIM, RIM) в 8086 не реализуемы вообще. Есть мнение, что отказ произошел только из-за сложностей в поддержке переноса на код 8086 новых флагов 8085. Действительно, такой перенос с поддержкой побитовой работы со словом состояния процессора получается крайне громоздким. Но 7 из 10 новых инструкций прямого отношения к использованию новых флагов не имеют и их можно было бы публиковать без создания сложностей по совместимости с 8086. Можно ещё предположить, что в Intel остались недовольны реализацией знаковой арифметики на 8085 и решили, что лучше скрыть, чем создать почву для постоянной критики. Хотя и в этом случае, семь новых инструкций можно было публиковать, а скрыть только флаги и три инструкции.
Особенно трудно объяснить, почему Intel не опубликовала информацию о новых командах уже после выпуска 8086. Можно только ещё предположить, что скорее всего дело было в маркетинге. Искусственно ухудшив спецификации 8085, получали на этом фоне более эффектный 8086.
Рискну предположить ещё одну версию. 8085 было очень трудно, почти невозможно расширить до реально 16-разрядного процессора. А 6502, имея незадействованными почти половину опкодов, мог легко быть расширен до 16-бит. Поэтому для Intel было важно создать тренд на переход к 16-битной архитектуре, без совместимости с 8-битной. Отказываясь от новой полезной функциональности 8085, как бы сообщали, что 8-битки это плохо и уже неважно, надо переходить на 16-бит. Что-то похожее происходило и вокруг 32-битной архитектуры, когда Intel создала ложный тренд на разработку сложного и бесперспективного Intel 8800 или iAPX 432.
Упомянутый клон 8080 производился в СССР с 1977 – это было рекордно быстро, его сделали всего через три года после появления оригинала. Интересно, что при этом использовалась технология, несколько отличная принятой в Intel. Из-за быстроты клонирования, СССР даже мог экспортировать эти чипы, это был единственный такой случай. А вот с клонированием 8085 получилась заминка до начала 90-х. Хотя с 1988 в СССР производился свой улучшенный 8080, КР580ВМ1, который мог тактироваться до 5 МГц и использовал только 5 вольт. Этот процессор при совместимости с 8080 имел множество дополнительных возможностей: он мог использовать дополнительные 64 КБ для данных, дополнительный регистр с функциональностью HL и сотни новых команд, среди которых мощные 16-разрядные. В целом, он значительно превосходил как 8085, так и Z80.
Процессоры Motorola всегда отличались наличием нескольких очень привлекательных «изюминок» при одновременном наличие каких-то несуразных по абстрактности и малопрактичности архитектурных решений. Главная «изюминка» всех рассматриваемых процессоров – это второй полноценный и очень быстрый регистр-аккумулятор.
6800 был первым в мире процессором, которому требовалось только один источник питания (5 вольт) – это было очень полезное новшество. Кроме того, на 6800 была также впервые реализована поддержка немаскируемых прерываний. Ho 6800 из-за единственности громоздкого для 8-битной архитектуры 16-битного индексного регистра получился неудобным для программирования и использования изделием. Он был выпущен ещё в 1974, ненамного позже 8080, но так и не стал основой для какой-либо известной компьютерной системы. Интересно, что разработчики 6502, Чак Педдл (Chuck Peddle) и Бил Менш, называли 6800 неправильным, «слишком большим». Однако, он и его варианты широко использовались как микроконтроллеры. Возможно тут стоит заметить, что Intel производила процессоры с 1971, что поставило Motorola в положение догоняющей стороны, для которой 6800 был самым первым процессором. И если сравнить 6800 не с 8080, а с его предшественником 8008, то 6800 окажется значительно предпочтительнее. Motorola почти догнала Intel с 68000/20/30/40. Можно ещё заметить, что в 70-е Motorola была значительно более крупной компанией, чем Intel.
Производились также многочисленные варианты 6800: 6801, 6802, 6803, 6805,… Большинство из них это микроконтроллеры с встроенной памятью и портами ввода-вывода. 6803 – это упрощенный 6801 и его использовали в сильно запоздалом (1983) для своего класса компьютере Tandy TRS-80 MC-10 и его французском клоне Matra Alice, которые были сравнимы с Commodore VIC-20 (1980) или Sinclair ZX81 (1981). Система команд 6801/6803 была значительно улучшена, были добавлены 16-битные команды, умножение,… Появилась необычная инструкция безусловного перехода (BRN – branch never), который никогда не выполняется! Некоторые инструкции стали чуть быстрее. Тут можно заметить, что архитектура 680x формировалась под сильным влиянием архитектуры PDP-11. Некоторые детали PDP-11 были скопированы скорее механически, например, бесполезные команды CLV и SEV.
680x полностью поддерживают работу с целыми числами со знаком, z80 и 6502 поддерживают её хуже, а у 8080 такой поддержки нет практически совсем. Однако в 8-битном программном обеспечении такая поддержка нужна была редко.
6809 был выпущен в 1978, когда с 8086 уже началась 16-битная эпоха, и имеет весьма развитую систему команд, включая умножение двух байтовых аккумуляторов с получением 16-разрядного результата за 11 тактов (для сравнения, 8086 требует от 70 тактов на подобную операцию). Два аккумулятора могут в нескольких случаях группироваться в один 16-разрядный, что даёт быстрые 16-битные инструкции. 6809 имеет три индексных регистра и рекордное среди 8-битных процессоров число методов адресации – 12. Среди методов адресации есть уникальные для 8-битных чипов, такие как индексная с автоинкрементом или декрементом, относительно счётчика команд (это позволяет писать перемещаемые инструкции – для 6502, Z80 или даже x86 и 68k такой возможности нет), индексная со смещением. Особенно стоит отметить косвенную адресацию, которую можно было использовать почти со всеми базовыми методами адресации. Можно, например, написать
, что соответствует С-коду
, или
6809 имеет команду загрузки эффективного адреса, которой очень не хватает у PDP-11 и которая часто бывает очень полезна, например,
Однако, операции с памятью требует на такт больше, чем 6502 или 6800. Это и некоторые другие факторы сделали сверхдешевый компьютер на базе 6803 (MC-10) иногда быстрее более дорогих машин на базе 6809! Индексные регистры в 6809 так и остались неуклюжими 16-битными динозаврами в 8-битном мире, некоторые операции просто шокируют своей медленностью, например, пересылка одного байтового аккумулятора в другой занимает 6 тактов (дольше загрузки из памяти!), а обмен их содержимым – 8 тактов (сравните с 8080, где 16-битный обмен проходит за 4 такта)! Перемещаемая адресация медленнее неперемещаемой, а косвенная адресация нужна очень редко. Зачем-то предлагаются сразу два стека, возможно это было влияние тупиковой архитектуры VAX-11 – в 8-битной архитектуре с 64 КБ памяти выглядит скорее несуразно. Нет инструкций для сравнения регистров. И даже наличие инструкции с интересным названием SEX всех проблем 6809 устранить не может. В целом, 6809 всё же несколько быстрее 6502 на той же частоте, но требует такую же по быстродействию память. Мне удалось сделать деление для 6809 с 32-разрядным делимым и 16-разрядным делителем (32/16=32,16) за примерно в среднем 480 тактов, для 6502 у меня не получилось добиться менее 530 тактов. Второй аккумулятор – большое преимущество, но другие возможности 6502, в частности, инвертированный перенос, сводят это преимущество только к приведенным примерно 10%. А вот умножение на 16-битною константу оказалось медленнее, чем табличное для 6502 с таблицей на 768 байт. 6809 позволяет писать довольно компактные и быстрые коды, используя адресацию установленной страницы (direct page), но эта адресация делает коды довольно путанными. Суть этой адресации в установке старшего байта адреса данных в специальном регистре и указании только младшего байта адреса в командах. Такая же система только с фиксированным значением старшего байта используется в 6502, где она называется адресацией нулевой страницы (zero page). Адресация установленной страницы – это прямой аналог использования сегментного регистра DS в x86 только не для сегментов размером 64 КБ, а для сегментиков размером всего 256 байт. Ещё одна надуманность архитектуры 6800 в использовании порядка байт от старшего к младшему (Big Endian), что притормаживает 16-битные операции сложения и вычитания. 6809 несовместим по кодам инструкций с 6800 – можно только исходники от 6800 транслировать в код 6809, что аналогично случаю с 8080 и 8086. Фактически семейство 680x – это набор из примерно десятка семейств бинарно несовместимых процессоров. В этом материале рассматриваются только два таких семейства: 6800 (6801, 6803) и 6809 (6309). Остальные семейства использовались только в качестве контроллеров, одним из лучших среди которых – это чип 68HC12, который имеет превосходную плотностью кодов. Семейство 680х выделяется на фоне процессоров других компаний необычными странностями при работе с флагами. Например, команды записи в память (ST) ставят флаги, а команды загрузки регистра из стека (PUL) нет. Другой пример, команда зануления CLR всегда зануляет флаг переноса. 6809 стал последним универсальным 8-битным процессором от Motorola, в дальнейших разработках вместо него было решено использовать 68008.
Можно предположить, что Motorola потратила немало средств для продвижения 6809. Это сказывается до сих пор при упоминании об этом процессоре. Про 6809 имеется много благоприятных отзывов, отличающихся некоторой туманностью, обобщениями и неконкретностью. 6809 позиционировался как 8-битный суперпроцессор для микромейнфреймов. Для него даже был сделан почти Unix, операционные системы OS-9 и UniFlex. Он был выбран как основной процессор для Apple Macintosh и, как следует из фильмов о Стиве Джобсе, только его эмоциональное вмешательство определило переход на более перспективный 68000. Конечно, 6809 – это хороший процессор, но в целом лишь незначительно лучший своих появившихся гораздо раньше конкурентов 6502 (на три года раньше) и z80 (на два). Можно только гадать, что бы было, если бы Motorola хотя бы половину усилий потраченных на разработку и продвижение 6809 потратила на развитие 6502.
6809 использовался в нескольких довольно известных компьютерных системах. Наиболее известные среди них – это американский компьютер Tandy Color или Tandy Coco, а также их британский или точнее валлийский клон Dragon-32/64. Интересно, что в этих компьютерах частота 6809 была явно искусственно занижена и составляла всего 0.89 МГц. Компьютерные рынки 80-х отличала значительная нетранспарентность и Tandy Coco распространялись в основном только в США, а Драконы помимо собственно Великобритании получили некоторую популярность и в Испании. Во Франции 6809 почему-то стал основой для массовых компьютеров 80-х серии Thomson, которые так и остались практически неизвестными где-либо ещё кроме Франции. 6809 также использовался в качестве второго процессора по крайней мере в двух системах: в серии Commodore SuperPET 9000 и в очень малотиражной приставке для TUBE-интерфейса компьютеров BBC Micro. Использовался этот процессор и в других менее известных автору системах, в частности, японских. Он также получил некоторое распространение в мире игровых консолей. Стоит упомянуть одну из таких консолей, Vectrex, которая использует уникальную технологию – векторный дисплей.
Цветной КоКо 3
680x имеют интересную недокументированную инструкцию с интересным названием «Остановись и поджарься» (Halt and Catch Fire – HCF), которая используется для тестирования на уровне электроники, например, осциллографом. Её использование приводит процессор к зависанию, из которого можно выйти только его перезапуском (reset). Эти процессоры имеют и другие недокументированные инструкции. В 6800 есть, например, инструкции симметричные непосредственной загрузке регистра константой, т.е. инструкции непосредственной выгрузки регистра в адрес следующий за этой инструкцией!
Как и 8080, 8085 или z80, 6809 очень трудно называть чисто 8-битным. А 6309 даже формально трудно назвать 8-битным, его производила японская фирма Toshiba (точный год начала его производства мне найти не удалось, но есть некоторые данные, указывающие на 1982) как процессор, полностью совместимый с 6809. Однако, этот процессор можно было переключать в новый режим, который при сохранении почти полной совместимости с 6809 предоставлял почти на порядок большие возможности. Эти возможности были скрыты в официальной документации, но были опубликованы в 1988 в сети Usenet. Были добавлены ещё два аккумулятора, но инструкции с ними существенно медленнее, чем с первыми двумя. Интересно, что новый 16-битный регистр W, собираемый из этих новых аккумуляторов, получился настоящим регистром общего назначения, – его можно использовать как адресный и как регистр данных. Сильно сокращено время исполнения большинства инструкций. Добавлены ряд команд, среди которых просто фантастическое для процессоров такого класса знаковое деление 32-битного делимого на 16-битный делитель (32/16=16,16) за 34 такта, причем делитель берется из памяти. Появилось также 16-разрядное умножение с 32-разрядным резульtтатом за 28 тактов. Были также добавлены очень полезные инструкции для быстрого копирования блоков памяти с временем исполнения 6 + 3n, где n – это число копируемых байт, копировать можно как с уменьшением, так и с увеличением адресов. Эти же инструкции можно использовать и для быстрого заполнения памяти заданным байтом. При их исполнении могут происходить прерывания. Появились ещё новые битовые операции (странные загрузка/выгрузка отдельного бита четырехоперандными командами и необычные двухоперандные безрегистровые операции с памятью), нуль-регистр, регистровые сравнения и др. Были ещё добавлены прерывания при исполнении неизвестной инструкции и при делении на 0. В каком-то смысле, 6309 – это вершина технологических достижений среди 8-битных процессоров или точнее процессоров с размером адресуемой памяти 64 КБ. Однако, некоторые новые команды 6309 являются практически бесполезными (ASLD, LSRD, ASRD, ADCD, ROLD, ...), они по размеру и скорости исполнения совершенно аналогичны последовательности из двух команд для 6809.
6309 полностью совместим по клеммам с 6809, что сделало его популярным апгрейдом для цветных Taнди или Драконов. Существуют и специальные версии ОС, использующиe новые возможности 6309.
Клоны 680x производились, в частности, в Японии и Болгарии, но не в СССР.
Это процессор с очень драматической судьбой. Ни один другой процессор в этом с ним сравниться не может. Его появление и внедрение сопровождалось очень большими по размаху и последствиям событиями. Перечислю некоторые из них:
Всё началось с того, что в Motorola по неизвестным вполне причинам отказались поддержать инициативного инженера, Чака Педла, предлагавшего улучшить в целом довольно посредственный процессор 6800, сделать его быстрее и, главное, значительно дешевле. Ему и пришлось покинуть компанию и продолжить свои наработки в небольшой, но перспективной фирме MOS Technology. Он смог уговорить семь других инженеров последовать за ним и только один из них впоследствии вернулся в Motorola. В MOS Technologyони они вскоре подготовили два процессора 6501 и 6502, сделанных по технологии NMOS. Первый был совместим по разъему с 6800, а в остальном они были идентичны. Команде 6501/6502 удалось успешно внедрить новые технологию производства чипов, что радикально удешевило новые процессоры. В 1975 MOS Technology могла предлагать 6502 за $25, в то время как стартовая цена на Intel 8080 и Motorola 6800 была в 1974 $360. В 1975 Motorola и Intel снизили цены, но они все равно были близки к $100. Специалисты MOS Technology утверждали, что их процессор до 4-х раз быстрее, чем 6800. Мне это кажется сомнительным: 6502 гораздо быстрее может работать с памятью, но второй аккумулятор 6800 очень ускорял многие вычисления. Оценочно могу предположить, что 6502 был в среднем быстрее не более, чем в 2 раза. Как следует из некоторых публикаций уже в 1975 в MOS Technology были планы проводить расширение 6502 до 16-разрядного уровня. Однако, успели только выпустить чуть улучшенный чип в 1976, поддерживающий инструкцию вращения вправо.
MOS 6501 рвет конкурентов: Intel и Motorola уже вычеркнуты!
Но Motorola начала судебный процесс против своих бывших сотрудников – те якобы использовали технологические секреты фирмы. В ходе процесса удалось установить, что один из инженеров, ушедших из Motorola, вынес некоторые конфиденциальные документы по 6800, действуя вопреки установкам своих коллег. Был ли это его собственный поступок или за ним стояли какие-то направляющие силы до сих пор неизвестно. В итоге Motorola вынудила MOS Technology, чьи финансовые возможности были весьма невелики, выплатить значительную сумму в $200000 и к отказаться от производства 6501. Intel в похожей ситуации с Zilog действовала совсем не так. Хотя надо признать, что MOS Technology действовола иногда слишком рисковано, когда пыталась использовать большие деньги, потраченные Motorola на продвижение 6800, в своих целях. Ирония ситуации заключается в том, что, как отмечал лидер команды разработчиков 6502, они с 6501 просто хотели сделать «предупредительный выстрел» и посмотреть, что из этого получится. Цели предлагать использовать 6501 вместо 6800 не было. Реально 6501 никогда и не продавался. Тут ещё можно заметить, что 6501 был всё же не совсем совместим с аппаратурой для 6800, он и 6502, в частности, не поддерживал работу с тремя состояниями выводов и поэтому не мог использоваться напрямую, например, с аппаратурой с прямым доступом к памяти, как 6800.
Мы до сих пор в точности не знаем, почему Motorola выиграла тяжбу с MOS Technologies. Возможно просто у MOS Technologies закончились деньги, их на процесс было потрачено до $800000, а деньги тогда были в несколько раз весомее, чем сейчас. Хотя были и другие факторы. Вроде упомянутого выноса документов. Известно ещё, что, например, чип параллельного интерфейса 6520, производимый в MOS Technology, был точной копией Motorola 6820. Всем, кто ушёл из Motorola, пришлось подписать своё согласие с решением по иску, так как перед началом процесса они подписали бумагу с тем, что они признают любой его результат.
Далее в истории появляется легендарная фирма Commodore и её не менее легендарный основатель Jack Tramiel, в тени которого находилась фигура главного финансиста фирмы, определяющего её политику – человека по имени Irving Gould. Джек получил кредит у Ирвинга и на эти деньги, используя несколько, мягко сказать, недобросовестную тактику, вынудил MOS Technology стать частью Commodore. После чего, возможно и вопреки желанию Трамела, вынужденного уступать Гуду, разработка 6502 практически остановилась и это при том, что ещё в 1976 удалось произвести опытные образцы 6502 с рабочими частотами до 10 МГц, хотя сообщение об этом появилось только спустя многие годы от человека по имени Bill Mensch (он был в команде, покинувшей Motorola), который не раз делал громкие, но по большому счету пустые заявления и сыграл в судьбе 6502 довольно неоднозначную роль. Чак Педдл навсегда был отстранён от разработки процессоров. Работать с 6502 продолжили не только в Commodore, но и в фирме, созданной Биллом Меншем, Western Design Center (WDC). Любопытно, что никто из прежней команды 6502 не работал с ним в дальнейшем. Кстати, это именно Бил Менш разработал упомянутый выше 6820, который превратился в 6520. Возможно если бы развитие 6502 не было остановлено, то он мог бы превратиться в основной процессор для персональных компьютеров. У IBM, например, были планы по созданию своего первого массового ПК на базе 6502. В качестве первого шага в этом направлении там собирались купить компанию Atari, которая одной из первых стала использовать этот процессор.
Но на этом драма вокруг 6502 не закончилась. В 1980 в журнале AIM65 Interactive фирмы Rockwell появилась короткая анонимная статья, о том, что все 6502 несут в себе опасного бага, который получил название JMP (xxFF). Тон статьи предполагает, что-то совершенно из ряда вон выходящее. Впоследствии этот настрой перешёл в позицию фирмы Apple по этому вопросу и стал неким мейнстримом. Хотя никакого «бага», строго говоря, не было. Конечно, специалисту, привыкшему к комфортным процессорам больших систем тех лет, одна из особенностей, вполне уместных и даже полезных среди микропроцессоров, могла показаться чем-то раздражающим, багом. Но на самом деле это, задевшее чьи-то чувства, поведение было описано в официальной документации от 1976 года и в учебниках по программированию, вышедших до появления упомянутой статьи. «Баг» был ликвидирован Билом Меншем, сделавшим 65С02 (CMOS 6502) к 1982. Автор этого материала сам сталкивался несколько раз с проблемой этого «бага». Ничего не зная о нем, писал программы для Коммодоров. Потом одну из них перенес на системы, где использовался набор команд 65С02. Возникла несовместимость, пришлось менять коды, делать условную компиляцию. Код для 65С02 получился более громоздким и медленным. Потом поднимал этот вопрос на форуме 6502.org, где большинство участников из мира Apple. Спросил, может ли кто-нибудь привести пример, когда означенный «баг» рушил программу. Получил только эмоциональные и общие замечание, конкретного примера так и не было предложено. Иронично, что в официальной документации WDC «баг» не называют прямо багом, а скорее какой-то странностью, вывертом
Баг!!!
В то время как Intel, Motorola и другие сделали уже 16-битные процессоры новых поколений, 6502 был лишь микроскопически улучшен и сделан искусственно частично несовместимым с самим собой. Даже если сравнивать улучшения, сделанные в Motorola 6801 по сравнению с 6800 или в Intel 8085 по сравнению с 8080, то они окажутся гигантскими по сравнению с теми, что были сделаны в 65C02. Кроме того, Intel и Motorola сделали их значительно раньше. В 65C02 был сделан ряд небольших изменений, которые, в частности, привели к изменению в ходе исполнения нескольких инструкций, которые стали медленнее на такт, но при этом в каком-то надуманном академическом смысле они стали более правильными. Речь идёт об упомянутом «баге» и инструкциях десятичной арифметики. Последние были «скорректированы» так, что флаги oVerflow, Negative и Zero стали работать «корректно». Однако, при работе с десятичными числами на 6502 (и других микропроцессорах) знак не поддерживается и соответственно флаги N и V не имеют для них никакого смысла. Только коррекция флага нуля имеет какой-то смысл, но крайне незначительный. Были также добавлены десятки новых инструкций, абсолютное большинство которых лишь занимали кодовое пространство, почти ничего не добавляя к возможностям 6502, что оставляло меньше кодов для возможных дальнейших модернизаций. Но, надо признать, что несколько новых инструкций оказались ожидаемыми и полезными, например, BIT с новыми адресными режимами и
65C02 был лицензирован многим фирмам, в частности, NCR, GTE, Rockwell, Synertek и Sanyo. Он использовался в Apple II, начиная с моделей IIe, хотя многие IIe использовали NMOS 6502. Вариант 65С02 6512 использовался также в поздних моделях BBC Micro. Atari использовала NMOS 6502, хотя там была попытка перехода на CMOS, но из-за обнаруженных проблем, в частности, на 65C02 не шла известная игра Asteroids, от этих попыток отказались. Commodore так и не выпустил компьютера на базе CMOS 6502, хотя в некоторые прототипы его использовали. Фирмы Synertek и Rockwell помимо CMOS 6502 производили и NMOS 6502. Кстати, NMOS 6502 имеет свой набор недокументированных инструкций, природа которых совершенна отлична от «секретных» команд 8085. В 6502 эти инструкции появились как побочный эффект, поэтому большинство из них скорее бесполезны, но несколько, например, загрузка или выгрузка одной командой сразу двух регистров и некоторые другие могут сделать код более быстрым и компактным.
Интересно, что NMOS 6502, совместимого с 65C02, так и не сделали. Хотя в начале 80-х технология CMOS не имела явных преимуществ (кроме пониженного энергопотребления) перед NMOS и её развитием HMOS и при этом была заметно дороже. Стоит конечно заметить, что WDC смогла создать CMOS процессор всего лишь спустя несколько лет после того, как Intel и Motorola сделали CMOS варианты своих процессоров 8085 и 680x. В этом она значительно опередила Zilog, где CMOS вариант Z80 был создан только к 1987 году. Однако, если CMOS 8085 и Z80 сразу нашли широкое употребление в мобильных компьютерах, то низкое энергопотребление 65C02 нашло свое применение в компьютерах сравнительно поздно, могу назвать лишь игровую консоль Atari Lynx, производившуюся с 1989. Стоит ещё заметить, что само по себе внедрение технологии CMOS – это вполне рутинный процесс, через который другие процессоры (x86, 68k, ...) прошли практически незаметно.
Были и другие попытки модернизировать 6502. В 1979 появилась статья, что для компьютеров Atari готовится к производству процессор 6509 (не путать с появившимся позже процессором с таким же названием фирмы Commodore), в котором ожидалось ускорение исполнения команд на 25% и много новых инструкций. Но по неизвестным в точности причинам производство этого процессора так и не состоялось. Commodore проводила лишь микроскопические модернизации. С точки зрения программирования самым интересным является процессор 6509, который пусть и в очень примитивной форме с помощью всего двух специально выделенных для этой цели инструкций и двух байт нулевой страницы позволяет адресовать до 1 МБ памяти. В сверхпопулярных Коммодорах 64 и 128 стояли процессоры 6510/8510, а в менее удачливых серии 264 – 7501/8501. Эти процессоры имели лишь соответственно 6 и 7 встроенных битовых портов ввода-вывода, при этом 7501/8501 не поддерживали немаскируемых прерываний. Кроме того, на этих процессорах реализовали поддержку с логикой трех состояний, что было необходимо для работы с видеоконтроллерами на C64 и C264. Фирмы Rockwell и WDC производили вариант 65C02 со своим расширенным 32 битовыми операциями (похожи на битовые инструкции z80) набором инструкций, однако, насколько мне известно, в компьютерах такие процессоры не использовались и сами эти битовые инструкции имели значение скорее только для использования во встроенных системах. Это расширение, кстати, тоже произвёл Билл Менш. Получается, что Билл работал над 6502, только имея конкретные заказы, и никогда не пытался сам в чем-то этот процессор улучшить.
Последняя сцена драмы с участием 6502 обозначилась в недопущении компьютеров на базе 6502 с частотой 2 МГц на рынок США в первой половине 80-х. Это коснулось иностранца-англичанина BBC Micro, их производившая фирма Acorn сделала большую партию компьютеров для США, но, как оказалось, зря. Сработала какая-то блокировка и компьютеры пришлось срочно переделывать под европейские стандарты. Полуамериканские, но формально канадские компьютеры Commodore CBM II (1982) со стильным Porsche-дизайном, несмотря на некоторые проблемы (в частности, по соответствию стандартам на электрооборудование), были всё же допущены. Однако почему-то Commodore продавала эти компьютеры, как и позднее компьютеры Amiga, в основном за пределами США… Более того, с 1984 Commodore вообще тихо свернула производство своих оригинальных офисных компьютеров и стала вместо них производить свои IBM PC совместимые клоны. Уничтожив, тем самым, идею вертикальной интеграции, ради которой Джек Трамел, с одной стороны, фактически уничтожил инновационную компанию MOS Technology, а с другой, попал в зависимость от Гуда. Как минимум одна из публикаций даже пишет, что Джеку пришлось продать свою душу ради этой идеи! Последним в списке неудачников оказался 100% американский Apple III (1980) – известно, что Стив Джобс, как и менеджмент Apple в целом, сделали много, чтобы этот этот компьютер не состоялся. Джобс требовал явно невыполнимых спецификаций, а менеджмент – нереальных сроков. Удивительно, что по одному из требований менеджмента, Apple III должен был быть только ограниченно совместимым с Apple II! В Apple III Plus, выпущенном в 1983, удалось устранить некоторые недостатки Apple III, но менеджмент Apple тихо закрыл проект в 1984 возможно из-за нежелания иметь конкуренцию с компьютером Macintosh. Только в 1985, когда эпоха 8-битной техники начала уходить, появился Commodore 128, который мог использовать в одном из своих режимов 6502 с тактом на 2 МГц. Но и тут получился скорее анекдот, так как этот режим практически не поддерживался и программ для него практически нет. В этом же году должен был быть выпущен перспективный наколенник Commodore LCD с 65C02 @2MHz. Однако, несмотря на успешную публичную демонстрации проект был почему-то закрыт. Только во второй половине 80-х в США стали производить приставки-ускорители для Apple II, а с 1988 и модель Apple IIc+ c процессором на 4 МГц. Почему так случилось? Возможно потому, что 6502 на 2 или 3 МГц (а такие уже производились в самом начале 80-х) на ряде задач и в особенности с играми могли успешно конкурировать с системами на основе Intel 8088 или Motorola 68000. В 1991 волевым решением корпорация Commodore закрыла интересный, хотя и запоздалый проект С65 на базе процессора 4510 с частотой 3.54 МГц. Чип 4510 был сделан на основе процессора 65CE02, который в свою очередь сделан на основе WDC 65C02. 65CE02 – это самый быстрый 6502, сделанный только в 1988, в нём была проведена наконец упоминавшаяся раннее оптимизация циклов, давшая 25% прирост скорости. Таким образом, процессор в С65 по быстродействию близок к системам с 6502 на 4.5 МГц. Удивительно, но этот самый быстрый 6502 с расширенным набором инструкций (в каких-то деталях это расширение получилось более удачным, чем в 65816) нигде с тех пор так и не нашёл применения.
C128 и Apple III Plus имели блок управления памятью (MMU), что позволяло использовать несколько стеков и нулевых страниц, адресовать более 64 КБ памяти, и др. В C128 MMU был искусственно урезан для работы только со 128 КБ памяти. Для BBC Micro выпускались приставки с 6502 на 3 Мгц (1984) и 4 МГц (1986).
Антиреклама – множественные Porsche PET в апартаментах злодея из Жемчужины Нила (1985) – эра «только Apple» в Голливуде ещё не наступила
Теперь несколько слов о системе команд 6502. Главная особенность этого процессора в том, что его сделали почти максимально быстрым, практически без лишних тактов, которых особенно много в процессорах 8080/8085/z80/8088/68000. Фактически это была идеология появившихся позднее и под прямым влиянием 6502 процессоров архитектуры ARM. Эта же идеология доминирует, начиная с 80486, и среди процессоров Intel. Кроме того, 6502 максимально быстро реагировал на прерывания, что делало его очень полезным в некоторых встроенных системах. У 6502 один аккумулятор и два индексных регистра, кроме того первые 256 байт памяти можно использовать в специальных командах либо как более быструю память, либо как набор 16-разрядных регистров (которые почти идентичны по своей функциональности регистрам BC и DE в 8080/z80) для довольно мощных способов адресации. Некоторые арифметические команды (сдвиги, вращение, инкремент и декремент) можно использовать с памятью непосредственно, не используя регистры. 16-разрядных команд нет – это 100% 8-битный процессор. Поддерживаются все основные флаги кроме характерного архитектуре Intel флага чётности. Есть ещё несколько необычный флаг малополезного 10-го режима, который заменил флаг полупереноса, используемый большинством других процессоров. Процессоры Intel и Motorola используют специальные корректирующие инструкции для работы с десятичными числами, а 6502 может переключаться в 10-й режим, что делает его преимущество по скорости с 10-ми числами ещё более значительным, чем с двоичными. Очень впечатляет наличие для 6502 табличного умножения 8-битных операндов с получением 16-битного результата за менее, чем 30 тактов, при размере вспомогательной таблицы в 2048 байт. 6502 использует простейший конвейер инструкций, который позволяет ускорить время исполнения многих инструкций на 1 такт. Медленнее всего у 6502 получаются операции массового копирования памяти – от 14 тактов на байт. Система инструкций 6502 в некоторых частностях необычно асиммeтрична, например, есть инструкция загрузки регистра Y
Самым главным недостатком 6502 считается маленький стек, всего 256 байт. Однако для системы с объемом памяти 64 КБ этого, как показала практика, обычно вполне достаточно. В 6502 мало регистров и поэтому нагрузка на стек меньше, чем, например, у 8080, 6809 или Z80. Кроме того, архитектура 6502 естественно предполагает организацию добавочного стека на нулевой странице – такой стек особенно хорош при работе с указателями, так как адресация типа (zp,X) идеально подходит для таких случаев. Конечно, размер такого добавочного стека очень ограничен и на многих системах не может быть больше нескольких десятков байт. Помимо этого можно организовать стеки любого объема на основе abs,X/Y-адресации. Дополнительные стеки можно использовать только для данных, например, параметров подпрограмм, для хранения адресов возврата альтернативы основному стеку нет.
Поддержка аппаратных прерываний на 6502 реализовано просто и эффективно. Для маскируемых и немаскируемых прерываний в памяти выделяется два фиксированных адреса, куда записываются адреса соответствующих обработчиков. Примерно так же, но ещё проще, позднее сделали самый популярный режим 1 прерываний в Z80. А вот программные прерывания в 6502 сделаны совсем примитивно: они используют адрес для маскируемых прерываний, что требует громоздких дополнительных программных проверок для их различения. Именно для этого среди флагов 6502 присутствует уникальный флаг программного прерывания. Кроме того, у инструкции программных прерываний нет аргумента, хотя такой аргумент можно добавлять ценой усложнения процедуры обработчика. Из-за того, что возможность для обработки программных прерываний значительно замедляет обработку аппаратных, поддержка программных прерываний довольно часто просто не реализуется.
6502 может работать параллельно с другим устройством, например, другим 6502. Такие двухпроцессорные системы встречались крайне редко. В качестве примера таких систем мне известны только несколько весьма редких моделей дисководов Commodore. Вместо второго процессора обычно использовался видеоконтроллер, который использовал общую с 6502 память.
6502 довольно хорош для симуляции других процессоров. Ещё в 70-е был написан симулятор 8080. Мне известны случаи переноса кодов с Z80, PDP-11, 8086 на платформу 6502.
65816 был выпущен WDС в 1983. Это был первый случай, когда был сделан 16-битный процессор, совместимый со своим 8-битным предшественником, – для Z80 подобные разработки (Z800, Z180, Z380, eZ80, ...) стали появляться только с 1985. Кроме того, это был один из первых 16-битных процессоров, изготовленных по технологии CMOS! Можно удивиться тому, что WDC 65816 не поддерживает дополнительные битовые инструкции WDC 65C02. Интересно, что спецификации нового процессора Билл Менш получил от Apple. Конечно, это был большой шаг вперёд, но явно запоздалый и с большими архитектурными изъянами. 65816 уже никем не рассматривался как конкурент для основных процессоров Intel или Motorola – это уже был второстепенный аутсайдер, который уже как-то запрограммировано был настроен на дальнейшую потерю позиций. 65816 имел два важных плюса – он был сравнительно дешёв и почти совместим с по-прежнему весьма популярным 6502. В последующие годы Бил Менш даже не пытался как-то улучшить своё детище, сделать оптимизацию циклов, заменить адресацию нулевой страницы расширенной с использованием регистра Z (это было сделано в 65CE02), добавить хотя бы умножение,… WDC только повышала предельные тактовые частоты, дойдя к середине 90-х до 14 МГц (такой процессор использовался в популярном ускорителе для С64 SuperCPU на частоте 20 МГц). Однако даже сейчас (2020!) WDC предлагает 65816 почему-то только на тех же 14 МГц. 65816 может использовать до 16 МБ памяти, но используемые для этого методы адресации выглядят далёкими от оптимальных. Например, индексные регистры могут быть только 8- или 16-разрядными, стек можно помещать только в первые 64 КБ памяти, только там же можно использовать удобную короткую адресацию установленной страницы (direct page — обобщение zero page), работа с памятью выше более 64 КБ сравнительна неуклюжа,… 65816 имеет 16-разрядное АЛУ, но 8-разрядную шину данных, поэтому на арифметических операциях он лишь примерно на 50% быстрее чем 6502. 65816 может использовать 4 типа кодов и имеет два основных режима работы (всего режимов 10, в 6502 их было только 2) – это делает программирование и отладку более трудными. Как и на 8088 переходы и вызовы подпрограмм могут быть как короткими, так и длинными. И как и на 8088 работа с массивами, большими 64КБ, весьма громоздка. Тем не менее 65816, по словам Билла Менша, был выпущен в количестве более миллиарда.
Конечно, ряд команд 65816 явно дополняют пробелы в архитектуре 6502, например, команды массового копирования памяти за 7 тактов на байт, а также адресные режимы для работы со стеком. Улучшена работа с программными прерываниями. 65816 использует почти все коды инструкций (255 из 256). Последний неиспользованный код предназначен для длинных будущих инструкций, которые так и не появились. Интересно, что 65816 делался родственниками, самим Биллом и его сестрой. Кстати, упомянутая инструкция для будущих длинных команд называется WDM – это инициалы самого Билла, на котором развитие 6502 остановилось! Несколько заброшенное состояние 65816 в WDM также иллюстрируется фактом наличия в реализации этого процессора на Verilog от WDM ошибок, которые возможно не устранены до сих пор.
Apple IIx, в разработке которого активное участие принимал Стив Возняк, должен был использовать 65816, но наладить производство этого процессора удалось только в 1984 и первые партии 65816 были бракованными, что вызвало чрезмерные задержки и в итоге закрытие всего проекта.
Есть ещё вариант 65816 65802, который использует 16-разрядную шину адреса и совместим по разъему с 6502. Предлагались апгрейды для Apple II на основе этого процессора, но ускорения с таким апгрейдом возможно получить только на специально для него написанных программах.
6502 использовался в большом числе компьютерных систем, самые популярные из которых – это 8-битные Commodore, Atari, Apple, Acorn, NES. Commodore PET, в разработке которого активное участие принимал Чак Педдл, появился в продаже на полгода раньше Apple ][, хотя его массовое производство наладилось только на полгода позже Apple ][. Он и его варианты стали первыми компьютерами, широко использовавшимися в школах США и Канады, – можно только удивляться, почему Commodore так легко сдала свои позиции Apple в этом бизнесе. Также удивительно, что Commodore легко сдала свои неплохие позиции в бизнесе редактирования текстов, где впоследствие Amstrad добилась впечатляющих успехов. Как уже упоминалось выше, по неясным причинам произошел отказ от производства очень перспективной модели Commodore LCD, тем самым был проигнорирован стремительно растущий рынок мобильных устройств. Однако, Commodore VIC-20 стал первым домашним компьютером, продажи которого превзошли миллион штук. Commodore 64 стал самым массовым ПК в истории, их было продано до 17 миллионов штук. Игровые консоли Atari, производимые с 1977 до 1996, были проданы в количестве примерно 35 миллионов! Но это не рекорд, японских игровых консолей NES было продано около 62 миллионов в период с 1983 по 2003. Кстати, в NES использовали вариант 6502 фирмы Ricoh без поддержки десятичного режима. Возможно из-за его почти полной бесполезности, но возможно просто из-за нежелания связываться с патентом MOS Technology на этот режим. Можно наверное утверждать, что для большинства пользователей до конца 80-х дверью в мир цифровых технологий был именно 6502. 6502 использовался в качестве контроллера клавиатуры в компьютере Commodore Amiga, а два 6502 на 10 МГц использовались в высокопроизводительном Apple Macintosh IIfx. Процессор на основе 6502 используется в известной игрушке Томагочи, выпущенной наверное в более сотни миллионов экземпляров. 65816 применялся в довольно популярном компьютере Apple IIgs, а также в редком английском компьютере Acorn Communicator. Игровые консоли Super NES на базе 65816 производились с 1990 по 2003, их было продано около 50 миллионов. 65816 использовался также в некоторых ранних моделях электронных книг.
Интересно, что из трех массовых ПК (так называемая «святая троица»), появившихся в 1977, два были на 6502 и только один на Z80. К сожалению, важнейшие американские производители компьютеров (Apple, Tandy RadioShack, IBM), начиная с 80-х не публиковали информацию о числе произведенных ими ПК.
В 1984 в журнале Byte на фоне картинок с красными знамёнами, Лениным и марширующими солдатами появилась статья о плохой копии компьютера Apple ][, сделанной в СССР. В этой статье приводилась любопытная цена на этот компьютер – $17000 (это абсурдное число, реальная цена первых серийных Агатов в комплекте с монитором и принтером была примерно 4000 руб.) и иронично указывалось на то, что советским производителям придётся сильно (dramatically) понизить цену, если они захотят продать своё изделие на Западе. Это был материал о прототипе Агата, в котором вместо 6502 использовали его аппаратный эмулятор. Агат использовался в основном в школьном образовании. Старшие модели Агатов могли были почти на 100% совместимы с Apple ][ и имели некоторые довольно полезные расширения. Удивительно, что процессоры для Агатов и болгарских клонов Apple II массово закупались в США – это было исключительный случай, когда процессоры массово закупались, а не клонировались. В Болгарии все-таки удалось наладить небольшое производство своего клона 6502 к середине 80-х. А в СССР удалось сделать клон 65C02 только к концу 80-х. Интересно, что отечественный клон 6502 можно было разгонять до 5 МГц повышением напряжения питания с 5 до 15 вольт – для Агата существовала плата с таким ускорителем.
Можно лишь попытаться фантазировать на тему о том, что бы было, если бы 6502 смог развиваться теми же темпами, что и его конкуренты. Мне кажется, что постепенный перенос памяти нулевой страницы в регистры, улучшение конвейра инструкций и постепенное расширение системы команд с одновременной оптимизацией циклов, позволило бы «терминатору» 6502 оставаться в лидерах по быстродействию до начала 90-х. Введение режима 16, а затем 32 бит позволило бы использовать большие объемы памяти и более быстрые команды. Смогли бы его конкуренты что-то этому противопоставить?
Билл Менш смог обеспечить некоторую поддержку развитию 6502. Однако возможностей одного человека для поддержки конкурентоспособности процессора явно недостаточно. Билл, как превосходный инженер-электронщик, смог обеспечить поддержку исполнения заказов на модернизацию 6502, но обеспечение независимой разработки успешного процессора требовало команды. Кому-то надо было заниматься разработкой модернизации системы инструкций, кому-то разрабатывать новые маркетинговые стратегии и т.п. Кроме того, для разработки были потеряны, как минимум, 1976-78 годы и одному человеку наверстать упущенное было уже не под силу. В каком-то смысле, WDC создала иллюзию благополучия вокруг ситуации с развитием 6502 и это имело для реального развития скорее негативный эффект.
Хотя сам Чак Педдл видел будущее 6502 скорее как дешевого контроллера и конкурента не для Z80, а скорее для микроконтроллеров типа Intel 8048 и процессоров типа 6800, которые обычно использовали только как контроллеры. В 2014 он работал над твердотельным накопителем, в котором использовал 10 штук контроллеров на основе 6502. В начале 80-х он вместе с компаньоном создали компанию, в которой он в 1981 разработал компьютер Victor 9000. В качестве процессора там использовался 8088 – Чак считал, что 6502 для персонального компьютера будет не лучшим выбором.
Интересно, что сам Чак как и некоторые другие ключевые фигуры ИТ США 1970-х и 1980-х пошел работать с высокие технологии с идеей предотвратить отставание от СССР в развитие ИТ. Эта идея была весьма популярна после запуска Спутника. Тут можно ещё упомянуть ключевую для Intel фигуру Билла Давидова (Bill Davidow), которого Чак очень уважал и с которым поддерживал контакт.
Чака не стало в конце 2019. Он учился у Клода Шеннона и первым предложил использовать групповое кодирование при работе с дисками. Хотя запатентовать это у него не получилось, он в конце 70-х и начале 80-х разработал дисководы, которые позволяли использовать до двух раз больше места, чем типовые. Это, в частности, использовалось в некоторых лучших дисководах Commodore и в компьютере Victor. Затем он сделал первый портативный жесткий диск. Этот диск не ломался, если падал на пол! Затем он работал с производством недорогого ОЗУ. После чего он разрабатывал сверхбыстрый твердотельный накопитель, о котором уже упоминалось.
Хочется закончить некоторыми общефилософскими рассуждениями. Почему 6502 был приторможен и лишен гораздо более яркого будущего? Возможно из-за того, что он реально мог очень потеснить крупные фирмы и создать совершенно новую реальность. Но была ли команда 6502 настроена на такое? Скорее нет, они просто хотели сделать лучший процессор. Возможно они сами не поняли насколько удачным был их процессор и что скорость это главное свойство любого процессора. Любопытно, что ведущие производители компьютеров на базе 6502 (Apple, Commodore, Atari) в 80-е явно тормозили развитие систем на базе этого процессора. Ничего подобного не было для других процессоров. Возможно, скрытые регулирующие механизмы таким образом защищали других производителей компьютеров и процессоров.
Уже гораздо позже, в начале 21-го века при помощи навязанных надуманными причинами судебных процессов была разгромлена фирма Lexra, производившая в течении 5 лет различные инновационные процессоры. Эта печальная история, чем-то напоминает то, что случилось с MOS Technology.
Этот процессор стал наряду с 6502 основным процессором первых персональных компьютеров. В истории его появления и использования нет никаких насыщенных драматизмом событий. Есть только некоторая интрига в неуспехе Zilog сделать следующее поколение процессоров. Z80 начали производить в 1976 и его варианты производят до сих пор. Когда-то даже сам Билл Гейтс объявил о поддержке систем на основе z80.
Интересны ряд совпадений. Как и в случае с 6502, главный разработчик Z80, Федерико Фаггин (Federico Faggin), ушёл из крупной компании, из Intel. После работы над z80 Федерико уже почти не работал с процессором следующего поколения Z8000 и в начале 80-х ушёл из основанной им компании, чтобы в дальнейшем уже никогда процессорами не заниматься. Он создал затем несколько относительно успешных стартапов, создавая системы связи, тачпады и цифровые камеры. Можно упомянуть, что, помимо z80, в Zilog им ещё был разработан удачный и производимый до сих пор микроконтроллер Z8.
Z80 – это более удобный для включения в компьютерные системы процессор, чем 8080. Он требует только одного напряжения питания и имеет встроенную поддержку регенерации динамической памяти. Кроме того, он при полной совместимости с 8080 имеет довольно много новых команд, второй набор основных регистров и несколько совершенно новых регистров. Любопытно, что в Zilog отказались от использования мнемоник ассемблера 8080, а стали использовать свои собственные мнемоники, более подходящие для расширенной системы команд z80. Подобная история случилась с ассемблером Intel x86 в мире программного обеспечения GNU, там тоже почему-то используют по умолчанию свои собственные соглашения по записи программ на ассемблере. В Z80 добавили поддержку флага переполнения, Intel официально добавила поддержку такого флага только в 8086. Однако, этот флаг в z80 совместили с флагом чётности, поэтому одновременно, как в 8086, оба флага использовать не получится. В z80, как и в 6502, есть только базовая проверка значения одного флага, т.е. нет проверок сразу двух или трех флагов, что необходимо для беззнаковых сравнений «строго больше», «меньше или равно», а также всех знаковых – в таких случаях приходится делать несколько проверок, на 8086, 6800 или PDP-11 достаточно одной.
Среди новых команд z80 особенно впечатляют команды массового копирования памяти за 21 такт на байт, а также интересная команда поиска байта в памяти. Добавили также похожие блочные инструкции для ввода и вывода. Однако наиболее интересна команда EXX, меняющая местами содержимое 48 бит регистровой памяти, регистры BC, DE, HL с их двойниками, которая выполняется всего за 4 такта! Даже 32-битным ARM понадобится на примерно такую же операцию не менее 6 тактов. Остальные добавочные инструкции не так впечатляют, хотя иногда могут быть полезными. Добавлены ещё:
Всего к 244 инструкциям 8080 было добавлено 458 новых инструкций, а если считать те, которые впоследствии были признаны как почти официальные, то получится ещё около полусотни новых инструкций.
Большинство новых команд довольно медленные, но их правильное использование может все же сделать код несколько быстрее и существенно компактнее. Это особенно относится к использованию новых 16-разрядных регистров IX и IY, которые можно использовать для новых методов адресации. Интересно, что индексные регистры IX и IY появились в Z80 с целью привлечь пользователей 6800 к переходу на Z80!
Многие команды 8080 в z80 стали на такт быстрее и это очень заметное ускорение. Но основная для 16-битной арифметики команда ADD стала на такт медленнее. Также стали медленнее команды
В Z80 добавили поддержку уникального флага, который не встречается больше ни в одной системе. Это флаг вычитания. Он используется только командой десятичной коррекции DAA, которую на Z80 можно использовать и после вычитания.
Другая уникальная особенность Z80 – это общедоступный регистр регенерации памяти. Его можно, например, использовать для генерации случайных чисел.
Система работы с прерываниями стала разнообразнее имеющейся у 8080. С z80 можно использовать как немаскируемые прерывания, так и три способа для работы с маскируемыми:
Однако, прерывания в режиме 2 можно использовать и без поддержки контроллера, просто резервируя 257 байт в памяти под адрес прерывания. Так делают на компьютерах, где аппаратура не поддерживает режим 2, например, на Amstrad CPC/PCW, MSX, ZX Spectrum,… Это, конечно, несколько затратно, но необходимость в этом может возникнуть в случаях подобных ZX Spectrum, когда вектор прерывания режима 1 находится в ПЗУ. Любопытно, что в некоторых компьютерах MSX можно использовать и прерывания режима 0 без поддержки контроллера.
Работа с прерываниями у Z80 имеет и другие уникальные особенности. Как известно, Z80 как и 8080 при прерываниях не сохраняет слова состояния процессора, но z80 тем не менее имеет целых две уникальные команды для возврата из прерываний. Инструкция возврата из маскируемого прерывания RETI работает также как и обычный возврат из подпрограммы, но её должны заметить как особенную внешние схемы управления и произвести сброс установки прерывания. В других архитектурах (6502, х86, ...) в коде обработчика прерываний нужно явно прописывать команды сброса контроллера, типа
По непонятным мне причинам компьютеры на базе Z80 обычно не использовали схемы управления прерываниями с полной поддержкой возможностей этого процессора. Возможно из-за цены. Хотя это получается как-то необычно. Дешевый процессор и дорогие схемы поддержки. Как будто Zilog был нацелен на производство только Z80. Для Z80 производились фирменный таймер, параллельный и последовательный интерфейсы, чип DMA и другие подобные устройства, но их в популярных компьютерах не использовали. Применяли их только в некоторых моделях сравнительно редких и дорогих офисных систем, например, Tandy TRS-80 model 2/12/16, ABC 800, Tatung Einstein или Robotron 1715.
Z80 имеет довольно много недокументированных инструкций, некоторые из этих инструкций пропали при переходе на технологию CMOS, но те которые сохранились стали фактически стандартными и были документированы некоторыми фирмами. Особенно полезны инструкции, позволяющие работать с отдельными байтами неуклюжих 16-битных регистров IХ и IY. Кроме недокументированных инструкций Z80 имеет и другие недокументированные свойства, например, два особых флага в регистре состояний.
Конечно, z80 ещё в большей степени, чем 8080 имеет право называться слегка 16-битным. Гипотетический индекс разрядности у z80 явно чуть-чуть повыше, но при этом парадоксально, что АЛУ у z80 на самом деле 4-битное! На электронном уровне z80 и 8080 – совершенно разные чипы.
16-е операции остались у Z80 не вполне реализованными, хотя возможно это случилось из-за необходимости поддержания совместимости с 8080. В частности, очень неудобно, что 16-е инкремент и декремент вообще не меняют флагов.
Конечно, Z80 может дать немало других оснований для критики. Помимо унаследованных от 8080 пустых инструкций типа
В официальной документации по Z80, помимо отмеченных, есть и другие неточности. Энтузиасты только недавно узнали особенности исполнения некоторых команд Z80, например, OTIR/OTDR/INIR/INDR.
Много было написано про сравнение быстродействия z80 и 6502, так как эти процессоры очень широко использовались в первых массовых компьютерах. В этой теме есть несколько непростых моментов, без понимания которых очень трудно сохранять объективность. Благодаря наличию довольно большого числа регистров z80 естественно использовать на частоте большей, чем работает память. Поэтому z80 на 4 МГц может использовать ту же память, что и 6502 или 6809 на 1.3 МГц. По мнению многих опытных программистов, писавших коды для обоих процессоров, на одинаковой частоте 6502 в среднем примерно от 2.4 до 2.6 раз быстрее, чем z80. Автор этого материала с этим согласен. Только нужно добавить, что писать хорошие, быстрые коды для z80 – это очень непросто, нужно постоянно оптимизировать использование регистров, а для работы с памятью максимально задействовать стек. Если очень стараться, то по моему мнению можно свести разницу между z80 и 6502 до примерно 2.1 раз. А если не стараться и игнорировать тайминги, то легко можно получить разницу и более 4-х раз. В некоторых отдельных случаях z80 может показывать очень быструю работу. На задаче заполнения памяти z80, используя команду PUSH, может быть даже чуть быстрее 6502, но это ценой запрета прерываний. На копировании блоков памяти z80 только в 1.5 раза медленнее. Особенно впечатляет, что в делении 32-разрядного делимого на 16-делитель z80 медленнее только в 1.7 раз. Кстати, такое суперделение было реализовано российским программистом. Подобные отличные результаты Z80 может показывать и на других интенсивных 16-битных расчетах, когда хватает регистров. Таким образом, получаем, что ZX Spectrum c z80 на 3.5 MHz примерно в полтора раза быстрее С64 с 6502 на 1 МГц. Стоит ещё отметить, что часть тактов в большинстве систем с z80 или 6502 отбирается у процессора схемами поддержки генерации видеосигнала, например, из-за этого у популярных компьютеров Amstrad CPC/PCW реальная частота процессора 3.2 МГц, а не полные 4. В системах на 6502 обычно можно отключать экран для получения максимальной процессорной производительности. Если за основу брать частоту работы памяти, а не процессора, то получится, что z80 на 25-40% быстрее, чем 6502. Последний результат можно проиллюстрировать тем, что с памятью с частотой 2 МГц z80 может работать на частоте до 6 Мгц, а 6502 только до 2 МГц.
Также было бы любопытно сравнить быстродействие Z80 и 8088. Конечно, в целом 8088 — это более мощный процессор, но во многих важных частностях он медленнее, чем Z80. Рассмотрим следующую таблицу, где представлены некоторые типичные случаи, когда Z80 быстрее. Соответствие между регистрами установлено таким же как в стандартной программе, конвертирующей код 8080 в код 8086.
Легко можно заметить, что Z80 быстрее на инструкциях для счетчика команд и операциях с памятью, унаследованных от 8080. Особенно заметно преимущество Z80 на дальних условных переходах. У 8088 смещение у условных переходов только один байт, поэтому когда нужен более дальний переход, то приходится писать две команды. У Z80 такой проблемы нет, там для перехода выделяется два байта и поэтому в таких случаях условный переход на Z80 существенно быстрее, на 6 или 9 тактов. Практически все операции через регистр HL выполняются на Z80 чуть быстрее, а это и сложение, и вычитание, сравнение, BIT и другие логические операции. Хотя возврат из прерывания у Z80 и 8088 архитектурно сильно различаются, они несут идентичные функции. RETI у Z80 на 30 тактов быстрее IRET и это не считая команд, которые нужно выполнить 8088 для сброса контроллера прерываний. У Z80 вызовы подпрограмм и возврат из них может быть условным, что делает аналогичные коды для Z80 компактнее и быстрее, чем для 8088. И, конечно, эмуляция команд EXX и EX для дополнительного набора регистров, блочных команд ввода-вывода или команд RLD/RRD займет на 8088 весьма значительное время. Кроме того, 8088 работает с очередью команд, которой требуется 4 такта на каждый байт инструкции и это часто добавляет такты при выполнении команды, у Z80 такого тормоза нет. Однако самое главное преимущество Z80 над 8086/8088 – это более быстрый доступ к памяти. На Z80 этот доступ занимает 3 такта, а на 8086/88 – 4. Но несмотря на все это, код для 8088 обычно несколько быстрее кода для Z80 на одинаковых частотах. Все-таки 8088 имеет 16-битное ALU, более мощные методы адресации и команды, а его регистры более универсальны.
Z80 использовался в очень большом числе компьютерных систем. В США были очень популярны Tandy TRS-80 – интересно, что команда HALT на этих компьютерах производит перезапуск системы. В Европе — ZX Spectrum, а позднее Amstrad CPC и PCW. Любопытно, что компьютеры Amstrad PCW сохраняли актуальность до середины 90-х и их массово и активно использовали по назначению до конца 90-х. В Японии и других странах производили довольно успешные во всем мире компьютеры MSX. Хотя до сих пор не вполне понятно, почему неплохие компьютеры MSX не смогли попасть в США и многие европейские страны. Довольно популярный C128 мог также использовать z80, но тут пользователям был подстроен скорее конфуз – у этого позднего, 1985 года выпуска, 8-битного компьютера z80, тактированный официально 2 МГц, реально работает под CP/M только на 1.6 МГц! Это медленнее даже, чем первые системы на 8080 середины 70-х! Номенклатура компьютеров для использования операционной системы CP/M насчитывает не менее трех дюжин довольно известных систем. Z80 использовался также в игровых консолях Master System, Game Gear, Mega Drive и др. Общее число произведенных систем на базе Z80 скорее всего менее 100 миллионов, что меньше числа систем на базе 6502. Но это не считая калькуляторов. В школах и вузах США, начиная с 90-х и по настоящее время, почти все учащиеся обязаны иметь калькулятор TI-83 или совместимый с ним! Поэтому с учетом калькуляторов, возможно, что в 21 веке число систем на базе Z80 превзошло такое число для 6502.
Такой ПК достойно выглядел даже в середине 90-х, но его z80 медленнее того, что в ZX Spectrum
Самая быстрая известная автору компьютерная система на основе z80 – это BBC Micro c TUBE-приставкой с z80B на 6 МГц, выпускавшейся с 1984. Процессор в этой системе работает на полной скорости, как говорят, «без тормозов». Подобные приставки производились и для Apple ][ с 1979. Позднее некоторые из таких приставок использовали Z80H на 8 МГц и даже выше. Интересно, что Microsoft в 1980 году получила наибольшую прибыль именно от продажи таких приставок. Можно ещё упомянуть Amstrad PCW16, производившийся с 1994, который использовал CMOS Z80 на частоте 16 МГц.
В Японии для систем MSX TurboR (1990) производился процессор R800, совместимый с z80. В R800 было добавлено аппаратное 16-разрядное умножение с 32-разрядным результатом. Хотя при умножении на 16-разрядную константу, табличное умножение с таблицей на 768 байт получается на такт быстрее. Есть мнение, что R800 — это сильно упрощенный Z800, работающий на частоте в четыре раза большей, чем частота шины, которая равна примерно 7.16 MГц. Таким образом, внутренняя частота R800 равна примерно 28.64 МГц!
Сама фирма Zilog производила работу по улучшению Z80 очень непоследовательно и крайне медленно. Первые Z80 работали на частотах до 2.5 МГц, у появившегося вскоре Z80A предельная частота была увеличена до 4 МГЦ – именно эти процессоры стали основой для большинства популярных, использующих Z80 компьютеров. Z80B появился к 1980, но использовался сравнительно редко, например, в упоминавшейся приставке для BBC Micro или в позднем (1989) компьютере Sam Coupé. Z80H появился к середине 80-х и мог работать на частотах до 8 МГц – в известных компьютерах не использовался. Интересно, что изделия Zilog имели на чипе специальные ловушки для тех, кто пытался делать с них копии, например, базовый Z80 имел 9 ловушек и они, по отзывам тех, кто этим занимался, замедляли процесс копирования почти на год.
Более глубокая модернизация z80 была приторможена желанием Zilog создать 16-разрядный процессор. В 1979, чуть позже 8086, но раньше 68000, был выпущен Z8000, не совместимый с z80. Z8000 использовался в примерно десятке систем, как правило, для работы с вариантами Unix. Это был весьма интересный процессор с 16 16-битными регистрами, которые можно было даже использовать как 4 64-битных регистра! Для Z8000 производился чип для управления памятью, который стал доступен к 1980. Для архитектуры x86 процессор с системой управления памятью стал доступен только в 1982, а для 68k только в 1984. Однако, несмотря на хорошие технические характеристики Z8000 получил очень небольшое распространение. IBM даже не рассматривала Z8000 как возможный процессор для IBM PC, поскольку Zilog финансировалась компанией Exxon, которая собиралась конкурировать с IBM. Тут ещё можно вспомнить странные откровения ведущего инженера Zilog Масатоши Шимы (Masatoshi Shima), в которых тот утверждает, что в Zilog искусственно занизили частоту Z8000, чтобы он был не быстрее, чем 8086. Поэтому можно сделать вывод, что с Intel Zilog в области 16-битных процессоров конкурировать не собиралась. Считается, что Motorola 68000 оказался в целом несколько лучше Z8000. Однако, одним из главных преимуществ 68000 была более высокая тактовая частота… Можно предположить, что Z8000 была назначена роль быть в тени 8086, но 68000 уничтожил эту нишу. Возможно из-за неуспеха Z8000 Zilog стала к 1980 подразделением Exxon. Была ещё попытка создать конкурентный 32-битный процессор. В 1986 появился Z80000, совместимый с Z8000, который так нигде и не нашёл применения. Некоторые обстоятельства, в частности, очень странные жалобы команды Zilog на чрезмерное финансирование, позволяют подумать, что возможно Zilog в силу каких-то неясных причин скорее саботировала свою работу, будучи частью Exxon.
Можно только удивляться, почему Zilog отказалась от своего подхода, показавшего сверхуспешные результаты с Z80, а именно делать процессоры программно совместимые с процессорами Intel, но лучшие их и при этом совершенно разные на аппаратном уровне. Впоследствии такой подход успешно использовали многие фирмы, в частности, AMD, Cyrix, VIA.
Создание нового процессора на базе Z80 было отложено до 1985, когда был сделан Z800. Однако, тогда основные усилия Zilog были направлены на Z80000 и Z800 было выпущено очень мало. В 1986, после провала Z80000 был выпущен Z280, незначительно улучшенный вариант Z800, который, в частности, мог работать на внутренней частоте в несколько раз большей, чем частота шины – такая новинка принесла потом процессорам Intel 486DX2 и 486DX4 крупный успех. Z280 имел и другие перспективный особенности, которые потом с успехом применяли другие фирмы. Но, возможно из низкой производительности – Z280, несмотря на многие технологические новинки, мог использовать только сравнительно низкие тактовые частоты, этот процессор также нигде не нашёл применения. Считается, что Z280 примерно соответствовал по возможностям Intel 80286, но был существенно, не менее 50% медленнее при использовании одинаковой с 80286 тактовой частоты. Возможно, если бы Z280 появился 5 годами ранее, то он бы мог стать очень успешным.
Наибольшего успеха удалось добиться благодаря сотрудничеству с японской фирмой Hitachi, которая в 1985 выпустила свой супер-Z80, HD64180, схожий по возможностям с Intel 80186, который позволял использовать 512 КБ памяти, добавлял дюжину новых инструкций, но при этом некоторые почти стандартные недокументированные инструкции Z80 не поддерживались. HD64180 использовался в некоторых компьютерных системах. Zilog получила лицензию на HD64180 и стала производить их с маркировкой Z64180. Zilog удалось незначительно улучшить этот процессор, в частности, добавить поддержку работы с 1 МБ памяти и выпустить его к концу 1986 года. Этот новый процессор получил название Z180 и стал основой для семейства процессоров и контроллеров, с тактовыми частотами до 33 МГц. Он использовался в некоторых редких компьютерах MSX2, но больше как контроллер. Любопытно, что Z280 и Z180 появились в один год, как и их примерные аналоги 80286 и 80186 четыре года до этого. В 1994 на базе Z180 был сделан 32-битный Z380, сохранивший совместимость с z80 и примерно соответствующий по возможностями Intel 80386 или Motorola 68020 – Zilog показала отставание от конкурентов почти в 10 лет. Уже 21 веке опять на базе Z180 производятся весьма успешные процессоры-контроллеры eZ80 с таймингами почти как у 6502. Их используют в различном оборудовании, в частности, в сетевых платах, DVD-приводах, калькуляторах,… А процессора, совместимого с 6502 и сравнимого с eZ80, так и не появилось. Возможно просто из-за того, что у Zilog всегда было лучше с финансами, чем у WDC.
Многие варианты и клоны Z80 выпускались многими компаниями (Mostek – производил Z80 раньше самой Zilog, SGS-Thomson, Sharp, NEC, GoldStar/LG, National Semiconductor, ...) и во многих странах мира. Интересно, что процессор NEC μPD9002, доступный, как минимум, с 1986, использовался в топовых моделях популярного компьютера PC-8800 на частоте 8 МГц и был совместим не только с Z80, но и с Intel 8086. В Восточном блоке наибольших успехов в клонировании Z80 достигли в ГДР, где клон этого процессора производился с 1980. Там же производились и все сопутствующие Z80 чипы. В Румынии смогли сделать свой клон Z80 только к 1988. А в СССР только к 1991, причем процессор получил необычное название T34 такое же, как у самого массового танка второй мировой войны. Впечатляет, что в ГДР смогли сделать даже клон Z8000.
Это первый доступный для использования в персональных компьютерах 16-битный процессор. Он производился с 1976 года. Использует гораздо реже встречающийся порядок байт от старшего к младшему (Big Endian). Такой порядок используется ещё только в процессорах Motorola серий 6800 и 68000 и в архитектуре IBM/370. Все прочие процессоры данного обзора используют обратный порядок байт (Little Endian).
У TMS9900 есть всего три внутренних 16-битных регистра: счётчик команд, регистр состояний и регистр базы внешних регистров. Этот процессор использует выделенный участок памяти размером 32 байта, указываемый значением регистра базы, как 16 двубайтных регистра общего назначения. Такое использование памяти чем-то напоминает нулевую страницу памяти в архитектуре 6502. Таким образом внешние регистры – это скорее форма адресации, чем реальные регистры. Меняя значение регистра базы, TMS9900 может очень быстро менять свой набор внешних регистров. Это напоминает Z80, который имеет два регистровых контекста. Система флагов отличается своеобразием, наряду с типичными флагами переноса, нуля (равенства), переполнения, чётности, есть ещё два уникальных флага признаков логического и арифметического больше. Последний флаг компенсирует отсутствие флага знака, а вот флаг логического больше является логическим следствием флагов переноса и нуля и поэтому он теоретически избыточен. Для пояснения избыточной роли флага логического больше привожу следующую ниже таблицу.
Однако, TMS9900 не ставит флаг переноса в операциях сравнения и поэтому возможно флаг логического больше отчасти играет роль, похожую на флаг переноса в архитектуре 68k. Готового стека нет, его можно сделать использую один из регистров. При вызове подпрограмм стек не используется, вместо этого адрес возврата сохраняется в выделенном для него регистре – именно так работают с вызовами подпрограмм на ARM или IBM/370. Можно ещё вызывать подпрограммы с переключением контекста, когда при вызове сохраняется не только адрес возврата, но и набор внешних регистров и остальные два внутренних регистра. Такой расширенный вызов подпрограммы больше похож на вызов программного прерывания. Есть и инструкция для явного вызова программного прерывания. Довольно уникально, что при вызове программного прерывания можно передавать параметр. TMS9900 имеет встроенный контроллер прерываний, рассчитанный на работу с маскируемыми аппаратными прерываниями c 16 приоритетами. Кроме того, есть и поддержка немаскируемых прерываний. В TMS9900 встроен последовательный интерфейс, который позволяет работать с 4096 битовыми портами в отдельном адресном пространстве. Для работы с этим интерфейсом предназначены 5 специальных инструкций. Необычно, что TMS9900 имеет 5 внешних инструкций, в исполнении которых могут участвовать внешние схемы. Архитектура TMS9900 подразумевает наличие инструкций, определяемых аппаратурой пользователя.
Первый 16-разрядный домашний компьютер – у него даже цветные спрайты есть
Система команд выглядит очень внушительно. Есть даже умножение и деление, многократные сдвиги. Уникальная инструкция X (подобная есть только на мейнфреймах IBM) позволяет исполнять одну инструкцию по любому адресу в памяти и переходить к следующей. Другими словами, эта инструкция исполняет другую инструкцию как подпрограмму. Исполнение команд довольно медленное, самые быстрые инструкции выполняются только за 8 тактов, арифметические команды – за 14, зато умножение (16*16=32) за 52 такта и особенно деление (32/16=16,16) за 124 такта были наверное рекордно быстрыми среди процессоров 70-х. Интересно, что умножение вообще не меняет флагов, а деление устанавливает только флаг переполнения. Последнее очень удобно – на x86 такое переполнение деления сразу вызывает аварию-исключение. Инкремент и декремент могут работать с шагом 1 или 2 и при этом устанавливают все арифметические флаги (даже переноса), но они могут применяться только к словам – для инкрементирования/декрементирования байта понадобится операция сложения/вычитания. В байты также нельзя загружать константы, можно только в слова. Вообще все операции с константами доступны только для слов. Система команд отличается почти полной ортогональностью. Хотя не хватает условных переходов по переполнению, четности и знаковых переходов по <= и >=. Есть и другие пробелы в ортогональности, например, отсутствие некоторых операции с константой. Операнды обычно берутся в порядке слева направо, но некоторые команды используют обратный порядок, что несколько запутывает. Необычно ещё, что при операциях с байтом из регистра используется старший байт регистра. Хотя это и логически более последовательно, чем в архитектуре 68k.
Методы адресации у TMS9900 довольно разнообразны. Можно, например, даже использовать косвенную адресацию через регистр или через регистр со смещением. Интересно, что у регистра 0 может быть особая роль при его использовании в адресации, что опять напоминает архитектуру IBM/370. У TMS9900 есть адресация с автоинкрементом, но нет с автодекрементом. Последнее может вызвать некоторую асимметрию в кодах для реализации, например, стека. Для TMS9900 довольно естественно генерировать перемещаемый код. Однако, команды для перемещаемых переходов только короткие, со смещением от -256 до 254 байтов. Хотя для сравнения на 8086 и даже 80286 смещения у таких переходов ещё меньше, только от -128 до 127.
Неприятно отсутствие операций сложения и вычитания с флагом переноса. Неприятно также отсутствие вращений через знак переноса. Вращения влево нет, его надо заменять вращением вправо. Всё это делает арифметику длинных целых более медленной. Кроме довольно типичной операции для смены знака, есть ещё операция отбрасывания знака – получения модуля числа. Также помимо довольно типичной операции зануления есть ещё и операция для заполнения заданной величины единицами. Все эти операции (вращение, сдвиги, смены знака, ...) можно применять только к словам.
В TMS9900 помимо довольно типичной возможности для проверки всех заданных бит на равенство нулю (в x86 для этого используют инструкцию TEST) есть ещё возможность проверить все заданные биты на равенство единице. Вместо поразрядного умножения (AND) как и в архитектуре DEC PDP-11 используется операция умножения с предварительным инвертированием.
Мнемоники инструкций ассемблера у TMS9900 часто уникальны. Например, операция OR называется SOC (set ones correspondingly). Хотя команды нециклических сдвигов имеют названия, идентичные соответствующим инструкциям на Z80. Мне больше всего нравится мнемоника AI (Add Immediate), которой также соответствует фраза Artificial Intelligence (искусственный интеллект). Интересно, что вычитания с константой нет, его надо всегда заменять на AI, что хотя и всегда возможно, но требует некоторого интеллекта. Интересно ещё, что регистры по умолчанию именуются только своим номером – это возможно также влияние архитектуры IBM/370. Можно ещё заметить, что в ассемблере TMS9900 для записи 16-х чисел используют знак больше – мне неизвестны другие системы, использующие этот знак таким же образом.
TMS9900 требует три напряжения питания -5, 5 и 12 вольт и четыре фазы сигнала тактирования – это антирекорды среди известных мне процессоров. Хотя возможно рассматривать четыре фазы частоты как умножение внутренней частоты процессора на 4, подобно 80486dx4. В 1979 этот процессор был продемонстрирован специалистам фирмы IBM, которые тогда искали процессор для находящегося в разработке прототипа IBM PC. Очевидные недостатки TMS9900 (адресуемость только 64 КБ памяти, громоздкость подключения, отсутствие необходимых архитектуре контроллеров, относительная медленность) произвели соответствующее впечатление и для будущего лидера среди ПК был выбран Intel 8088. Для устранения проблемы отсутствия контроллеров Texas Instruments также производила вариант TMS9900 с 8-разрядной шиной, TMS9980, который работал на 33% медленнее.
TMS9900 использовался в довольно популярных в США компьютерах TI-99/4A, которые были «разгромлены» в войне цен компьютером Commodore VIC-20 к 1983. Любопытно, что в результате этой войны Texas Instruments была вынуждена снизить цены на свой компьютер до невероятных для 1983 $49 (в 1979 цена была $1150!) и продавать их с большим для себя убытком. Можно для примера привести сравнительно непопулярный компьютер Commodore+4, который прекратили производить ещё в 1986, но цены на который упали до этих $49 только в 1989 году. TI-99/4A прекратили производить в 1984, тогда, когда из-за сверхнизких цен он стал набирать популярность. Интересно, что в ещё 1982 году продажи TI-99/4A составляли 34% американского рынка компьютеров по цене около 500$, опережая Commodore VIC-20 (33%), Atari 400 (20%) и Tandy Coco (13%). Этот компьютер лишь условно можно назвать полностью 16-разрядным. Потому что он имеет только 256 байт (!) памяти ОЗУ и системную память ПЗУ, адресуемые через 16-разрядную шину. Остальная память и устройства ввода-вывода работают через медленную 8-разрядную шину. Более того, большая часть ПЗУ работает вообще через очень необычный и медленный последовательный интерфейс. С другой стороны, TI-99/4A более 16-разрядный, чем IBM PC XT. Возможно более правильно считать первым домашним 100% 16-битным компьютером отечественный БК-0010 или Atari ST. Любопытно, что TI-99/4A использует процессор на частоте 3 МГц – точно на такой же как и БК-0010.
Серия TI-99/4A – это редкий пример компьютеров, где производитель процессора и компьютера был одним и тем же. Кстати, именно в Texas Instruments была когда-то разработана основа всех персональных компьютеров – интегральная схема.
В своих популярных калькуляторах серии, начавшейся с TI-81, Texas Instruments предпочла использовать Z80 вместо своих в чем-то более продвинутых процессоров. Хотя когда-то именно Texas Instruments разработала как первый процессор для калькуляторов, так и первый карманный калькулятор.
В TI-99/4A в качестве видеоконтроллера использовалась довольно удачная микросхема TMS9918, которая стала основой для весьма популярного во всём мире стандарта MSX, а также некоторых других компьютеров и игровых консолей. В японской компании Yamaha этот видеочип был значительно улучшен и впоследствии использовался, в частности, для модернизации самих TI-99/4A! Странно, что Texas Instruments не удалось склонить производителей к использованию своего процессора в изделиях, использовавших TMS9918. Единственным исключением стал компьютер компании Panasonic Tomy Tutor, который использовал процессор TMS9995, совместимый с TMS9900. Кстати, Texas Instruments сделала прототипы компьютеров TI-99/2 и TI-99/8 на базе этого процессора, которые по не совсем понятным причинам в серию не пошли. TMS9995 также использовался в позднем (1987) компьютере Geneve 9640, который совместим c TI-99/4A и поэтому стал наиболее известной системой на базе этого процессора.
TMS9995 заслуживает, чтобы о нем было сказано несколько слов. Это – весьма оригинальный процессор. Внешняя шина данных 8-разрядная. Но есть внутренняя память размером 256 байт, расположенная по двум фиксированным адресам, которая работает через внутреннюю 16-разрядную шину. TMS9995 использует уже только одно напряжение питания и один сигнал тактирования, что делало системы на его основе проще и дешевле. Есть встроенный таймер. У него по сравнению с TMS9900 всего 4 новых инструкции, которые скорее только оптимизируют некоторые операции, чем вносят что-то принципиально новое. Система управления внешними маскируемыми прерываниями стала более примитивной, от 16 уровней осталось только 3. Однако появилась поддержка внутренних прерываний-исключений: по некорректной инструкции, по таймеру и по переполнению – последнее было реализовано с ошибкой, которую возможно так и не исправили. Всего от 17 векторов для прерываний в TMS9900 в TMS9995 осталось только 6. TMS9995 работает с памятью на частоте в 4 раза меньшей тактовой, т.е. фактически он работает по упомянутой схеме 80486dx4. Официальные тайминги инструкций также базируются на частоте в 4 раза меньшей, чем входная. Интересно, что если брать в качестве базовой частоту для работы с памятью, то даже с внутренней памятью TMS9995 чуть медленнее, чем TMS9900 на той же частоте.
Cистема инструкций как TMS9900, так и TMS9995 – это подмножество системы инструкций, использовавшейся на мини-ЭВМ серии TI-990. В заключение можно сделать вывод, что первые домашние 16-битные компьютеры – это побочная ветвь развития мини-компьютеров от DEC и Texas Instruments.
В СССР производился клон TMS9940, контроллера на базе TMS9900.
С начала 70-х в мире началась 10-летняя эпоха доминирования фирмы DEC. Компьютеры DEC были существенно дешевле, производимых фирмой IBM и поэтому привлекли к себе внимание со стороны небольших организаций, для которых системы IBM были недоступны. С этих компьютеров начинается также эпоха массового профессионального программирования. Серия компьютеров PDP-11 оказалась очень удачной. Различные модели PDP-11 производили с начала 70-х до начала 90-х. В СССР они были успешно клонированы и стали первыми массовыми популярными компьютерными системами. Среди клонов компьютеры с названиями СМ ЭВМ, Электроника-60/81/85, ДВК-1/2/3, БК-0010/0011 (БК0010 – это первый ПК, которые стало возможным купить в магазине). Кстати, очень вероятно, что количество компьютеров архитектуры PDP-11, произведенных в СССР, было большим общего числа компьютеров этой архитектуры, произведенных во всем остальном мире.
Однако, DEC продвигала также более дорогие и сложные компьютеры семейства VAX-11, ситуация вокруг которых отличалась некоторой политизированностью. И со второй половины 70-х DEC практически остановила развитие в линии PDP-11. В частности, так и не была введена поддержка 16-х чисел для ассемблера. СУБД Oracle изначально была создана для PDP-11 в 1979, но уже следующую версию в 1983 для этих компьютеров делать не стали – предпочли им системы на MS-DOS. Быстродействие систем PDP-11 также практически не менялось с середины 70-х. Всё это очень удивительно, так как DEC добилась крупных успехов именно с относительно недорогими компьютерами PDP-11, а отказ от их поддержки в пользу дорогих, почти мейнфреймов VAX получался как добровольный отказ от дальнейших успехов. Хотя скорее всего отказ произошел не добровольно, а под давлением IBM, которая таким изящным образом сломила своего опасного конкурента, заставив его «конкурировать» на своем поле. Возможно тут была также замешана большая политика, так как в 1974 в СССР начали клонировать архитектуру PDP-11 и чуть позже произошел странный сдвиг приоритетов у DEC. Произошёл фактический отказ от развития систем PDP-11, в частности, от очень интересной многопроцессорной модели 11/74. Странности у DEC закончились в точности к началу 90-х, когда СССР развалился.
PDP-11/70 (Мисс Хрюшка) из Музея живых компьютеров, работает до сих и свободно доступен через сеть
PDP-11 использовали разные, совместимые по основной системе команд процессоры, например, LSI-11, F-11, J-11. В конце 70-х DEC сделала дешёвый процессор для микрокомпьютеров T-11. Однако, несмотря на казалось бы большое и качественное программное обеспечение, которое можно было бы в перспективе перенести на систему его использующую, T-11 так и не был замечен производителями компьютерных систем. Единственным исключением стала одна модель игровой консоли фирмы Atari. T-11 нашёл себе массовое применение только в мире встроенного оборудования, хотя по возможностям он скорее слегка превосходил z80. В СССР массово выпускались процессоры К1801ВМ1, К1801ВМ2, К1801ВМ3,… близкие процессорам DEC, а также точные копии некоторых процессоров DEC. Клоны T-11 и J-11 стали производиться только к началу 90-х. Клонирование J-11 тогда считалось особенно большим успехом, а на самом деле – это был шаг на дороге в никуда, просто тратой ресурсов. К1801ВМ1 был функционально близок к T-11. Интересно, что он был спешно переделан из оригинального процессора К1801ВЕ1, который использовался в первом советском ПК Электроника НЦ-8010 в 1981, по принуждающему приказу, скорее из-за общей политической ситуации. Особенно трудно понять такой приказ на фоне действовавших тогда ограничений COCOM. К1802ВМ2, который использовался в ДВК и УКНЦ, теоретически должен быть примерно в два раза быстрее К1801ВМ1, но на практике он обычно лишь чуть быстрее. К1801ВМ3 несколько быстрее К1801ВМ2, поддерживает управление памятью и во многом, кроме своей значительно более низкой тактовой частоты и соответственно более низкой производительности, соответствует лучшим процессорам PDP-11, его быстродействие близко к Intel 8086.
Систему команд процессоров архитектуры PDP-11 отличает почти полная ортогональность, приятное качество, но когда его доводят до крайности, это может создавать и нелепые команды. Система команд процессоров PDP-11 оказала влияние на многие архитектуры и в особенности на Motorola 68000. Возможно, что использование нескольких стеков в 68k, – это прямое следствие того, что многие модели PDP-11 также используют несколько стеков. Мнемоники ассемблера для PDP-11 стали основой ассемблеров и для некоторых других популярных процессоров 680x, 6502, ARM.
Система команд PDP-11 строго 16-битная. Все 8 регистров общего назначения (а счетчик команд в этой архитектуре – это обычный регистр R7) – 16 разрядные, регистр состояний (содержит типичные флаги) 16-разрядный тоже, размер команд от 1-го до 3-х 16-разрядных слов. Каждый операнд в команде может быть (хотя есть исключения, например, инструкция XOR) любого типа – это и есть ортогональность. Среди типов – обычные регистр или память. Программисты в 80-е иногда не понимали, почему в системе команд Intel x86 нет команд типа память-память. Это влияние школы PDP-11 и VAX, где запросто можно написать полные адреса у каждого операнда. Это, конечно, медленно и особенно медленно для систем с типичной с начала 90-х медленной памятью. К памяти можно обращаться и через регистр, регистр со смещением, регистр с авто-декрементаций или инкрементацией. Система команд PDP-11 даёт возможность двойного косвенного обращения к памяти через регистр, например,
означает то же, что и оператор языка С/C++
, где r0 и r1 декларируются как
Другой пример, команда
соответствует
, где r2 и r3 декларируются как
В популярных ныне архитектурах одной командой в таких случаях уже не обойтись, понадобится возможно не менее 10 команд. Можно также получать адрес относительно текущего значения счётчика команд. Приведу ещё пример с более простой адресацией. Команде
в архитектуре Intel x86 можно сопоставить
В ассемблерах DEC принято писать операнды слева-направо, в отличие от Intel, где пишут справа-налево. Есть основание полагать, что GNU ассемблер для x86 делали под влиянием именно ассемблера PDP-11. Хотя в ассемблере PDP-11 есть странное исключение для инструкции CMP, где операнды почему-то идут как в x86.
Команды умножения и деления только знаковые и доступны не на всех процессорах. Команда деления, как и на 68k, но в отличие от x86, правильно ставит флаги, что позволяет нормально работать со случаями переполнения. Однако не все PDP-11, поддерживающие деление, правильно работают с флагами при таком переполнении. Арифметика десятичных чисел также опциональна – это часть так называемого коммерческого набора инструкций по терминологии DEC. Интересно, что эти инструкции были добавлены из архитектуры VAX, но оказалось, на на PDP-11 они работают быстрее, чем на VAX и от их дальнейшей поддержки из-за этого в итоге отказались!
В качестве курьёза полной ортогональности приведу пример команды
, которая после исполнения превращается в
– это пример использования непосредственной константы в качестве операнда. Другая курьёзная команда – это уникальная команда MARK, код которой нужно класть в стек и никогда нельзя использовать явно. Вызов подпрограмм в архитектуре PDP-11 также несколько своеобразен. Соответствующая команда сначала сохраняет выделенный регистр (может быть любым) в стеке, затем сохраняет счётчик команд в этом регистре и только затем записывает в счетчик команд новое значение. Команда возврата из подпрограммы должна сделать всё наоборот и знать, какой регистр был использован при вызове подпрограммы. В качестве примера необычной команды можно ещё указать на умножение, в котором в зависимости от номера используемого регистра для результата можно получить либо полное 32-битное произведение, либо только его младшие 16 разрядов. Наличии в системе команд абсолютно бесполезных инструкций CLV, SEV, CLZ, SEZ, CLN, SEN демонстрирует некоторую непродуманность в мелочах этой системы. Работа с флагами демонстрирует и некоторые другие недоделки. Например, команда SWAB, меняющая байты в слове местами, зачем-то сбрасывает флаг переноса. Этот же флаг без необходимости меняют и команды TST, CLR, и COM. Также несколько неуклюже реализована работа с переносом в командах ADC и SBC, например, чтобы сделать сложение двух слов с переносом на PDP-11 нужно две команды, в то время как на x86 или 68k достаточно одной. Хотя на IBM/370 для такой операции потребуется даже три команды. Некоторой неожиданностью может стать, что некоторые типовые инструкции выполняются на разных процессорах по-разному, например,
или
, – такие инструкции стандартный ассемблер DEC рассматривает как ошибочные. Также по-разному исполняются некоторые команды, использующие счётчик команд (PC) как обычный регистр. Вообще различий между разными моделями PDP-11 довольно много, поэтому писать коды, которые можно исполнять на разных системах не совсем просто. И если отсутствие общей поддержки экзотической инструкции MARK погоды не делают, то отсутствие поддержки популярных инструкций SOB (интересное название!) и XOR может быть раздражающим фактором. Однако, процессоры PDP-11 позволяют через программирование исключений симулировать исполнение практически любых инструкций, что хотя и замедляет исполнение кодов, но снимает остроту проблемы. На x86 подобным образом эмулировать отсутствующие инструкции стало возможным только с 80386.
Необычной архитектурной особенностью некоторых моделей PDP-11 является то, что регистры, например, слово состояния процессора или R1, доступны через адреса как обычная память. Другая необычная особенность в том, что у некоторых моделей PDP-11 есть режим супервизора, который в отличие от многих других архитектур, не является привилегированным, а лишь является дополнительным режимом пользователя. Привилегированный режим называется режимом ядра.
Команды, использующие PC, как обычный регистр, могут весьма озадачить при встрече с ними. Попробуйте понять, что, например, означает
,
,
– такие команды иногда реально используют, первая может быть полезна для создания быстрого двукратного цикла!
Для работы с вещественными числами есть две основные опции. Первая – это расширение FIS (Floating Instruction Set), которое позволяет работать на базовом уровне с короткими вещественными. Как правило, FIS использовалось на уровне программной эмуляции. Вторая – это расширение FP11 floating point instruction set, которое даёт значительно большие возможности. Эти расширения используют разные инструкции. В СССР только к концу 80-х был создан чип К1801ВМ4, реализующий второе расширение.
Любопытно, что среди программировших на PDP-11 сложилась культура работы напрямую с машинными кодами. Программисты могли, например, работать без дизассемблера при отладке. Или даже писать небольшие программы прямо в память, не ассемблируя!
Конечно, тайминги команд не отличаются слишком скоростными характеристиками. Удивительно было когда-то узнать, что на отечественном компьютере БК команда пересылки из регистра в регистр занимает целых 12 тактов (10 тактов при использовании кода из ПЗУ), а команды с двумя операндами с двойной косвенной адресацией исполняются за более чем 100 тактов. Z80 делает 16-разрядную регистровую пересылку за 8. Однако, медленность БК вызвана не столько процессором, сколько тормознутым способом работы с памятью. Если бы использовался достаточно быстрый способ, то и БК пересылал 16 регистровых бит за 8 тактов тоже. Когда-то было много споров, что быстрее БК или Спектрум? Сразу надо сказать, что Спектрум – это при использовании верхних 32 КБ памяти один из самых быстрых массовых 8-битных персональных компьютеров. Поэтому неудивительно, что Спектрум быстрее БК, но не намного. А если бы БК работал с памятью без тормозов, то он был бы наверное чуть быстрее.
На первый взгляд, плотность кодов скорее слабое место архитектуры PDP-11. Коды инструкций должны быть кратными длине машинного слова – 2 байтам, что особенно неприятно при работе с байтовыми аргументами или простыми командами вроде установки или сброса флага. Но при сравнении с другими архитектурами PDP-11 показывает на практике иногда даже лучшую плотность кодов!
Интересны попытки сделать персональный компьютер на базе архитектуры PDP-11. Одним из первых ПК в мире, появившихся лишь чуть позже Apple ][ и Commodore PET и скорее чуть раньше Tandy TRS-80, был Terak 8510/a, который имел черно-белую графику и возможность загружать неполный вариант Unix. Этот ПК был довольно дорог и, насколько мне известно, использовался только в системе высшего образования США. С 1978 производился компьютер в виде комплекта для сборки Heathkit H11. Сама фирма DEC тоже пыталась сделать свой ПК, но очень непоследовательно. DEC, например, выпускала ПК на базе z80 и 8088, явно играя скорее против своих основных разработок. Интересно, что некоторые модели PDP-11 используют два набора регистров как и Z80.
В 1978 DEC выпустила серию интеллектуальных терминалов PDT-11, лучший из которых PDT-11/150 можно было использовать как ПК. Настоящие персоналки на базе архитектуры PDP-11 – это DEC PRO-325/350 (1982) и 380 (1985). Фактически это были рабочие станции. Но DEC почему-то только ограничено предоставляла для них своё хорошо известное системное ПО. Это, а также общее нежелание DEC развивать архитектуру PDP-11, привело эти теоретически вполне конкурентные IBM PC машины к быстрому исчезновению из пространства ИТ. Интересно, что для этих машин DEC предлагала плату с процессором Z80 для запуска CP/M. Плат совместимости с IBM PC DEC не предлагала. Этим фактически DEC ставила системы Pro на уровень 8-битных машин! По производительности Pro-325/350 были несколько медленнее первых IBM PC, но Pro-380 обгонял даже топовые Turbo PC XT. По классу программного обеспечения DEC Pro существенно превосходил IBM PC XT.
Лучше всего персонализация технологий мини-компьютеров получилась в СССР, где производились БК, ДВК, УК НЦ,… Кстати, Электроника-85 – это довольно точный клон DEC PRO-350. Кроме того, родственный архитектуре PDP-11 процессор CP1600 использовался в популярных в начале 80-х игровых консолях Intellivision.
Отечественный 16-разрядный домашний компьютер (1985) – почти PDP-11 совместимый
В старших моделях PDP-11 и близких им отечественных компьютерах процессор может адресовать до 4 МБ памяти, но одной программе при этом может выделяться обычно не более 64 КБ. Однако, используя специальные возможности аппаратуры и системного ПО, можно было создавать и большие коды. Лучшие процессоры DEC, например, J-11 могут использовать раздельное адресное пространство для инструкций и данных, что увеличивает размер адресного пространства вдвое и никак не замедляет исполнения. Массовые отечественные процессоры такого не умели. И тут стоит заметить, что даже первые процессоры x86, умели такое прямо «из коробки» и более продвинуто, выделяя таким образом до 256 КБ, а если считать пространство портов, то и все 320КБ. Размер исполняемого кода в PDP-11 можно также увеличивать через оверлеи, размещаемые в памяти. Работа с оверляеми PDP-11 требует основательной поддержки со стороны ОС и компиляторов и медленнее, чем дальние вызовы в первых x86. Для работы с большими данными на PDP-11 можно использовать виртуальные массивы, что опять требует хорошей поддержки со стороны ОС и компиляторов и также медленнее, чем работа с большими массивами на первых x86.
По быстродействию лучшие процессоры для PDP-11 по числу операций на мегагерц близки к 8086. Однако из-за более высоких используемых частот, лучшие PDP-11 были быстрее первых IBM PC, но уже первые AT с ними практически сравнялись. Персоналки DEC Pro-325/350 по производительности примерно соответствовали первым IBM PC на частоте 4 МГц, а Pro-380 был несколько медленнее первых IBM PC AT. Кстати, первые микропроцессоры DEC, LSI-11 и F-11, были даже медленнее первых советских чипов К1801ВМ1 и К1801ВМ2. Можно, поэтому предположить, что микропроцессоры DEC создавались только с целью удешевить производство. Интересно, что LSI-11 и F-11 состоят из нескольких чипов, а J-11, T-11 и все советские из одного.
Системы VAX-11 были довольно популярны в 80-е, особенно в высшем образовании. Сейчас трудно понять некоторые концепции, описанные в книгах тех лет, без знания особенностей архитектуры этих систем. Они могли эмулировать популярные PDP-11. VAX-11 были дороже PDP-11, но более ориентированы на универсальное программирование и всё же существенно дешевле систем IBM/370. Для архитектуры VAX был к середине 80-х сделан процессор V-11, а до этого времени использовались процессорные сборки.
Архитектура VAX-11 32-разрядная, она использует 16 регистров, среди которых как и на PDP-11 есть счётчик команд. Предполагается использование двух стеков, один из которых используется для хранения кадров-фреймов подпрограмм. Кроме того, один из регистров назначен для работы с аргументами вызываемых функций. Таким образом, для стеков выделены 3 из 16 регистров. Система команд VAX-11 не может не поражать своей огромностью и наличием весьма редкостных и часто уникальных команд, например, для работы с полями битов или несколькими типами очередей, для вычисления CRC, умножения 10-х строк,… Многие команды есть как в трехадресных вариантах (как ARM), так и в двухадресных (как х86), но есть и четырехадресные команды, например, расширенное деление EDIV. Аппаратная поддержка работы с вещественными числами опциональна и отсутствует на некоторых моделях Ваксов.
Система инструкций VAX отличается возможно наиболее полной реализацией концепции ортогональности – в любой позиции операнда можно использовать любой режим адресации. При этом, в отличие от PDP-11, странные команды типа
Эта команда сложения эквивалентна следующей последовательности команд для 80386.
Или следующей последовательности команд для ARM.
Однако, стоит отметить, что исходная VAX-инструкция скорее всего никогда не использовалась ни в одной программе. Этот пример хорошо иллюстрирует проблему наличия слишком большого набора инструкций и методов адресации – большинство вариантов инструкций попросту практически никогда не используются. Эта проблема стала критической, когда к 90-м произошел переход от микропрограммной реализации инструкций к быстрой, без задержек. А дальнейший переход к суперскалярной архитектуре с такой проблемой стал практически просто невозможным.
В отличие от IBM/370, PDP-11 или 68k, инструкции VAX не обязаны иметь четную длину и могут, как и инструкции x86, быть длиной от одного байта. Это, возможность использования смещений разных размеров 8, 16 или 32 бита) и наличие большого множества различных команд и методов адресации позволяет кодам VAX быть одними из лучших по плотности.
Но VAX-11 – это очень медленная для своего класса и цены система. Даже сверхпростейший 6502 на 4 МГц мог обогнать самый медленный из семейства VAX-11/730, а самые быстрые системы VAX-11 – огромные шкафы и «целые мебельные гарнитуры», по производительности оказываются на уровне первых PC AT. Когда появился 80286 стало ясно, что дни VAX-11 сочтены и даже торможение с внедрением систем на основе 80286 не могло уже ничего принципиально изменить. Более прямолинейные англичане из Acorn, сделав ARM в 1985, ничего не скрывая, заявили что ARM гораздо дешевле и заметно быстрее. VAX-11, тем не менее, сохранял актуальность до начала 90-х, имея всё же некоторые преимущества перед ПК, в частности, более быстрые системы для работы с дисками.
Известно, что среди самых дешёвых VAX-11 были проблемы с совместимостью. В частности, на первые VAX-11/730 не удавалось портировать Unix из-за особенностей реализации на них привилегированных инструкций.
VAX – это наверное последняя массовая система, в которой удобство работы на языке ассемблер считалось важнее быстродействия. В каком-то смысле, такой подход перешел на современные популярные языки сценариев.
На фотографии изображен VAX-11/785 – это тоже компьютер (1984) – самый быстрый среди VAX-11, по быстродействию процессора сравним с IBM PC AT или ARM Evaluation System
Удивительно, но в открытом доступе очень мало литературы по системам VAX. Как будто действует какой-то странный закон о забвении. Интересно, что торговая марка VAX сейчас используется производителем пылесосов и, кроме того, это слово стало синонимом слова вакцина во времена мощного тренда массовой вакцинации, особенно применительно к тем, кто тут в чем-то сомневается. С историей архитектуры VAX связаны несколько эпизодов, близких к политике и коррелированных с историей СССР. Вполне возможно, что фактический отказ от развития архитектуры PDP-11 был вызван её дешевизной и успехами её клонирование в Советском Союзе. А клонирование VAX стоило на порядок больших ресурсов и вело в тупик. Интерес к VAX создавали, используя, например, используя розыгрыши типа знаменитого Кремлевского Вакса на 1 апреля 1984, в которой тогдашний лидер СССР Константин Черненко предлагал выпить водки по случаю подключения к сети Usenet. Другая шутка заключалась в том, что на некоторые чипы VAX впечатывалось послание на ломаном русском языке о том, как хорош VAX. :) К этому также примыкает факт завышения быстродействия первого Вакса, заявленное быстродействие было фактически вдвое выше реального. Тут ещё можно отметить, что в отличие от PDP-11, где всегда тщательно документировалось время исполнения инструкций, для Ваксов эта информация никогда официально не публиковалась.
Некоторые первые модели VAX были клонированы в СССР к концу 80-х, но таких клонов было произведено очень мало и они практически не нашли себе применения. Некоторые модели Ваксов клонировались также Великобритании, Китае, ГДР, Венгрии и Чехословакии.
Конечно нужно иметь в виду, что на VAX-11 история компьютеров VAX в DEC не завершилась. Последние модели VAX-11 были сделаны в середине 80-х. Им на смену пришли модели VAX 8000, некоторые из которых относились к семейству VAX-11. Параллельно шло развитие линий MicroVax, VAXstation и VAXserver. VAX 8000 сменили более дешёвые и несколько более быстрые VAX 6000. Уже в начале 90-х MicroVax сменили модели VAX 4000. Процессоры VAX c начала 90-х показывали производительность на уровне 80486, но имели несколько более высокие тактовые частоты. Могу предположить, что 80486DX4 на частоте 100 МГц и первые процессоры Pentium стали обгонять лучшие модели VAX 7000 по производительности. После чего в DEC пришлось отказаться от поддержки системы инструкций VAX и перейти к её эмуляции на системах DEC Alpha. Были ещё и суперкомпьютеры VAX 9000 и многопроцессорные варианты, например, VAX 7000, но это были очень дорогие системы. Можно ещё упомянуть системы повышенной надежности VAXft, в которых функции процессора дублировались, что позволяло преодолевать сбой одного из процессоров. После V11 были процессоры CVAX, Rigel, NVAX и NVAX+. Ваксы после VAX-11 аппаратной поддержки эмуляции PDP-11 уже не имели.
Несколько систем VAX доступны для использования через сеть. И это их выгодно отличает от систем IBM/370, c которыми они конкурировали.
Безусловно, что одним из самых лучших процессоров, из сделанных в 70-е, является 8086, а также его более дешевый почти аналог 8088. Интересно, что 8088 и 8086 внешне выглядят идентично, их чипы имеют одинаковое число ножек и почти все ножки имеют одинаковую функциональность. Архитектуру этих процессоров приятно отличает отсутствие механических заимствований и следований абстрактным теориям, продуманность и взвешенность архитектуры, сбалансированность и ориентированность на дальнейшее развитие. Из недостатков архитектуры x86 можно назвать её некоторую громоздкость и склонность к экстенсивному росту числа инструкций.
Одним из гениальных конструктивных решений 8086 стало изобретение сегментных регистров. Этим как бы одновременно достигались две цели – «бесплатная» перемещаемость программ, размером до 64 КБ (это до середины 80-х был очень даже достойный объем для компьютерной памяти для одной программы), и адресуемость до 1 МБ адресного пространства. Можно ещё заметить, что 8086 как и 8080 или z80 имеет ещё и специальное адресное пространство для портов ввода-вывода размером 64 КБ (y 8080 и 8085 этот объем – 256 байт). Сегментных регистров всего четыре: для кода, для стека и два для данных. Таким образом, для быстрого использования доступны 64*4 = 256 КБ памяти, но это было очень много даже в середине 80-х. На самом деле проблем по размеру кода нет, так как можно использовать так называемые длинные вызовы подпрограмм с загрузкой и сохранением полного адреса из двух регистров. Есть только ограничение в 64 КБ на размер одной подпрограммы – это достаточно и для многих современных приложений. Некоторую проблему создаёт только невозможность быстрой адресации к массивам данных размером более 64 КБ – при использовании таких массивов нужно загружать сегментный регистр и собственно адрес при каждом обращении, что снижает скорость работы с такими большими массивами в несколько раз.
Сегментые регистры реализованы так, что их присутствие практически незаметно в машинных кодах, что позволило, когда пришло время, легко от них отказаться.
Довольно часто можно встретить критику сегментной организации памяти, т.е. такой организации, что в общем случае для адресации ячейки памяти нужно использовать два указателя. Однако, это какая-то странная критика, скорее надуманная. Сама по себе сегментация – это совершенно естественный способ организации виртуализации и защиты памяти. Фактически критике подвергалась не сама сегментация, а только максимальный размер сегментов, 64 КБ. Однако, это ограничение является прямым следствием реализации желания иметь большие объемы памяти при использовании 16-разрядных регистров. Поэтому вся критика сегментации – это фактически замаскированное требование перехода на 32-разрядную архитектуру. Ситуация усложнялась тем, что сегментация в первых x86 только частично имела функциональность нормального устройства управления памятью (MMU), в частности, работа с сегментными регистрами была доступна прикладным программам. В 80286 сделали полную поддержку сегментации, но это сделало прежние прикладные программы для 8086 несовместимыми с режимом, когда эта полная поддержка активировалась. Только с появлением 80386 все проблемы были решены и критика прекратилась, хотя 80386 по-прежнему использовал сементацию!
Удивительно, что почему-то практически невозможно найти подобную критику в отношении популярных PDP-11, где ограничения на использование памяти существенно более жёсткие. Не самые дорогие PDP-11 были существенно дороже лучших персональных компьютеров, а самые лучшие PDP-11 до середины 80-х были быстрее лучших IBM PC совместимых машин. PDP-11 были компьютерами более высокого класса до появления ПК на базе 80486 и использовали сегментирование…
Использование одного указателя для хранения полного адреса памяти было естественным в архитектуре мейнфреймов IBM, VAX и процессора 68000. Легко заметить, что в этом списке нет персональных компьютеров, так как даже 68000 изначально разрабатывали для сравнительно дорогих, неперсональных систем. Процессор 8086 сохранил много общего с 8080, который использовался больше как контроллер. Поэтому довольно странно сравнивать системы на базе 8088 с, например, VAX или даже рабочими станциями Sun – это совершенно разные классы машин. Но, возможно, благодаря Биллу Гейтсу IBM PC изначально стали равнять на гораздо более дорогие системы. Первый IBM PC имел всего 16 КБ памяти, а 64 КБ было в 1981 скорее роскошью для индивидуального покупателя. К середине 80-х типовые объемы памяти для IBM PC совместимых систем достигли 512 КБ – сегментация при таких объемах памяти практически никогда не могла создавать каких-либо затруднений. Когда типовые объемы памяти для IBM PC совместимых машин превысили 512 КБ появился 80386. Стоит вспомнить, что даже в 1985 большинство систем были 8-битные и для работы с памятью, объемами более 64 КБ, приходилось использовать переключения банков памяти – это на порядок или даже два более сложно и медленно, чем использование больших массивов с 8086. А первые IBM PC были вполне сопоставимы именно с 8-битными системами, а не с VAX. Кстати, альтернативный вариант дизайна IBM PC использовал Z80. Поэтому можно только восхититься инженерами Intel, которые смогли в течении более 40 лет развивать процессоры x86 так, чтобы они всё это время были относительно недорогими, технически одними из лучших и это при сохранении бинарной совместимости со всеми предшествующими моделями, начиная с 8086! Хотя это не рекорд, IBM поддерживает совместимость с архитектурой System/360 с 60-х.
Как это было отмечено, архитектура 8086 сохранила близость к архитектуре 8080, что позволило сравнительно небольшими усилиями переносить программы с 8080 (или даже с z80) на 8086 и особенно в случае, если были доступны исходные тексты программ.
Команды 8086 не отличаются высокой скоростью исполнения, но вполне сопоставимы с конкурентами, например, Motorola 68000, который появился на год позже. Одной из новинок, немного разгоняющих в целом неспешный 8086, стала очередь команд.
8086 использует восемь 16-разрядных регистров, некоторые из которых можно использовать как два байтовых регистра, а некоторые как индексные. Таким образом, регистры 8086 отличает некоторая разнородность, но она хорошо сбалансирована и регистры очень удобны в использовании. Эта разнородность, кстати, позволяет иметь более плотные коды. 8086 использует те же флаги, что и 8080, плюс несколько новых. Например, появился флаг типичный для архитектуры PDP-11 – пошагового исполнения. По сравнению с PDP-11 улучшилась логика описания работы с флагами для работы со знаковыми числами. Рассмотрим таблицу, где приведены соответствия между значениями флагов и отношениями между знаковыми числами.
Так по-разному описывали одни и те же отношения в разных компаниях
Из этой таблицы наверное естественно сделать вывод, что в Intel понимали логические операции, в DEC их понимали несколько хуже, ну а в Motorola похоже могли только списывать ДНФ из учебников по булевой алгебре.
8086 позволяет использовать очень интересные режимы адресации, например, адрес можно составить из суммы двух регистров и константного 16-разрядного смешения, на который накладывается значение одного из сегментных регистров. Из суммы, составляющей адрес, можно оставить только два или даже одно слагаемое. Такое на PDP-11 или на 68k одной командой не получится. Большинство команд 8086 не позволяют иметь оба операнда типа память, один из операндов должен быть регистром. Такой подход полностью аналогичен тому, что использовался на лучших тогда системах IBM/370. Вдобавок у 8086 есть ещё и строковые команды, которые как раз умеют работать с двумя адресами в памяти. Строковые команды позволяют делать быстрое блочное копирование (20 тактов на байт или слово), поиск, заполнение, загрузку и сравнение. Кроме того, строковые команды можно использовать при работе с портами ввода-вывода. Очень интересна идея 8086 использовать префиксы команд, позволяющие без существенного усложнения схем кодирования команд использовать часто очень полезную дополнительную функциональность.
8086 имеет одну из лучших среди всех компьютерных систем организацию работы со стеком. Используя только два регистра (BP и SP), 8086 позволяет решать все проблемы при организации вызовов подпрограмм с параметрами.
Среди команд есть знаковые и беззнаковые умножение и деление. Есть даже уникальные команды десятичной корректировки для команд умножения и деления. Трудно сказать, что в системе команд 8086 чего-то явно не хватает. Скорее наоборот. Деление 32-разрядного делимого на 16-разрядный делитель с получением 32-разрядного частного и 16-разрядного остатка может потребовать до 300 тактов – не особенно быстро, но в несколько раз быстрее, чем такое деление на любых 8-битных процессорах (кроме 6309) и сравнимо по скорости с 68000. Деление на х86 имеет одну неожиданную и скорее неприятную особенность – оно непредсказуемо меняет флаги признаков.
Стоит ещё добавить, что в архитектуре x86 осталось унаследованная от 8080 команда XCHG, которая была усовершенствованна. Интересно, что в архитектуре x86 для команды NOP используется
Можно резюмировать, что 8086 – это очень удачный процессор, сочетавший в себе как удобство программирования, так и привязанность к характерным для своего времени ограничениям по объему памяти. 8086 использовался сравнительно редко, уступив более дешевому 8088 почетное место быть первым процессором для основной для персональных компьютеров нашего времени архитектуры IBM PC. 8088 использовал 8-разрядную шину данных, что делало его несколько более медленным, но зато позволяло строить на его основе более доступные покупателям системы. Тут стоит отметить, что на момент своего появления, IBM PC был самым продвинутым персональным компьютером в мире, далеко опережая всех конкурентов.
IBM 5150 или первый IBM PC
Интересно, что Intel принципиально отказалась вносить усовершенствования в свои процессоры, предпочитая вместо этого разрабатывать их следующие поколения. Один из крупнейших субподрядчиков (second source) Intel, японская корпорация NEC, которая в начале 80-х была намного крупнее Intel, решила усовершенствовать 8088 и 8086, выпустив процессоры V20 и V30, совместимые с ними по разъёму и до 30% более быстрые. NEC даже предложила Intel стать своим субподрядчиком! Intel вместо этого начала судебный процесс против NEC, который, однако, не смогла выиграть. Почему-то эта большая разборка между Intel и NEC совершенно проигнорирована википедией. Интересно ещё, что почти все производители компьютеров в США и Европе упрямо и без комментариев продолжали использовать более медленные процессоры Intel.
80186 и 80286 появились в 1982. Таким образом, Intel имела две почти независимые команды разработчиков. Тогда же появился и 80188, который отличался от 80186 только узкой шиной данных, – в Intel никогда не забывали о недорогих решениях для встроенных систем. 80186 – это улучшенный несколькими командами и сокращенными таймингами 8086 плюс несколько встроенных в чип схем, типичных для архитектуры х86: генератором тактов, таймерами, DMA/ПДП, контроллером прерываний, генератором задержек и др. Такой процессор, казалось бы, мог бы сильно упростить производство основанных на нём компьютеров, но из-за того, что встроенный контроллер прерываний оказался почему-то не совместимым с IBM PC, в ПК он почти никогда не использовался. Автору известна только система BBC Master 512 на основе компьютера BBC Micro, который не использовал встроенные схемы, даже таймер, но было ещё несколько систем, использующих 80186. Адресуемая память у 80186 осталась в как и у 8086 размером в 1 МБ. Японская корпорации NEC производила аналоги 80186, которые были совместимы с IBM PC.
Рассмотрим новые инструкции 80186:
80286 имел ещё лучшие тайминги, чем 80186, среди которых особо выделяется просто фантастическое деление (32/16=16,16) за 22 такта – с тех пор деление делать быстрее так и не научились! 80286 поддерживает работу с всеми новыми командами 80186 плюс много команд для работы в новом, защищенном режиме. 80286 стал первым процессором с встроенной поддержкой защищенного режима, который позволял организовать защиту памяти, правильное использование привилегированных инструкций, доступ к виртуальной памяти. Хотя работа в новом режиме сравнительно редко использовалась, это был большой прорыв вперёд. В этом новом режиме сегментные регистры приобрели новое качество, позволяя использовать до 16 МБ адресуемой памяти и до 1 ГБ виртуальной памяти на задачу. Главной проблемой 80286 была невозможность переключаться из защищенного режима в реальный, в котором работали тогда большинство программ. Используя «секретную» недокументированную инструкцию LOADALL, можно было использовать 16 МБ в памяти и в реальном режиме.
В 80286 вычисление адресов в операндах инструкций стало производиться отдельными схемами и перестало замедлять исполнение команд. Это добавило интересные возможности, например, командой
всего за 3 такта стало возможным выполнить два сложения и перенос результата в регистр AX!
Сегментные регистры в защищенном режиме стали частью полноценной системы управления памятью (MMU). В реальном режиме эти регистры, как это уже упоминалось, лишь частично обеспечивали функциональность MMU.
Число производителей и конкретных систем, использующих 80286 огромно, но, конечно, первыми стали компьютеры IBM PC AT с почти фантастическими среди персональных компьютеров показателями по быстродействию. С этих компьютеров память начала отставать по быстродействию от процессора, появились состояния задержки, но тогда это казалось ещё чем-то временным.
У 80286, как и у 8086/8088, работа с прерываниями была реализована не на 100% корректно, что в очень редких случаях могло приводить к весьма неприятным последствиям. Например, команда POPF у 80286 всегда разрешала прерывания при своём исполнении, а при исполнении команды с двумя префиксами (в качестве примера можно взять REP ES:MOVSB) на 8086/8088 после вызова прерывания один из префиксов терялся. Ошибка в POPF была только у ранних выпусков 80286.
Защищенный режим 80286 был скорее неудобен, делил всю память на сегменты размером не более 64 КБ и требовал непростой программной поддержки работы с виртуальной памятью. Сегментный способ работать с памятью явно уступал почти по всем характеристикам страничному.
80386, появившись в 1985, сделал работу в защищенном режиме вполне комфортной, позволил использовать до 4 ГБ адресуемой памяти и легко переключаться между режимами. Кроме того, для поддержки многозадачности для программ для 8086 был сделан режим виртуального 8086. Для управления памятью стало возможным использовать как большие сегменты размером до 4 ГБ, так и удобный страничный режим. 80386 при всех своих новшествах сохранил полную совместимость с программами, написанными для 80286. Среди новшеств 80386 можно ещё назвать вытягивание регистров до 32-бит и добавление двух новых сегментных регистров. Кроме того, при вычислении адреса все регистры стали равноправными и стало возможным использовать масштабирование. Однако, это равноправие регистров добавило много бесполезных и некрасивых инструкций-двойников. Тайминги изменились, но неоднозначно. Был добавлен быстрый битовый сдвигатель (barrel shifter), что позволило делать множественные сдвиги с таймингами одного. Однако, это новшество очень сильно почему-то очень замедлило исполнение команд циклических сдвигов. Умножение стало чуть медленнее, чем у 80286. Работа с памятью стала, наоборот, чуть быстрее, но это не относится к строковым командам, которые остались быстрее у 80286. Автору этого материала не раз приходилось сталкиваться с мнением, что в реальном режиме с 16-битным кодом 80286 в итоге всё же чуть-чуть быстрее, чем 80386 на той же самой частоте.
В 80386 были добавлены новые команды, большинство из которых лишь давали новые способы для работы с данными, фактически дублируя с оптимизацией для некоторых случаев имеющиеся. Например, были добавлены команды:
Процессоры x86 до появления 80386 могли использовать только короткие, со смещением один байт условные переходы – этого было часто очень недостаточно. С 80386 стало возможным использовать смещения из двух (или четыпех в режиме 32-битного адреса) байт, причем несмотря на то, что код новых переходов стал в два (или три) раза длиннее, время его исполнения осталось таким же как и у прежних, коротких переходов. Однако не всё было сделано идеально: возможно для защищенного режима стоило использовать 16-битные смещения вместо малополезных 8-битных.
Радикально была улучшена поддержка отладки введением 4-х аппаратных точек останова, используя их, стало возможным останавливать программы даже на адресах в памяти, которую нельзя изменять.
Вследствие того, что основной защищенный режим стал гораздо проще для управления, чем в 80286, ряд унаследованных команд стали ненужными рудиментами. В этом основном защищенном, так называемом flat-режиме используют сегменты размером до 4 ГБ, что превращает все сегментные регистры в малозаметную формальность. А полудокументированный нереальный режим позволил даже использовать всю память как и во flat-режиме, но из простого для установки и управления реального режима.
С 80386 фирма Intel отказалась делиться своими технологиями, став фактически монопольным производителем процессоров для архитектуры IBM PC, а с ослаблением позиций Motorola, и для других архитектур персональных компьютеров. Системы на основе 80386 были очень дороги до начала 90-х, когда они стали наконец доступны массовым потребителям на частотах от 25 до 40 МГц. C 80386 IBM стала утрачивать позиции ведущего производителя IBM PC совместимых компьютеров. Это проявилось, в частности, в том, что первым ПК на основе 80386 стал в 1986 компьютер фирмы Compaq.
Трудно не сдержать восхищение теми объёмам работы, которая была проделана создателями 80386 и её результатами. Осмелюсь даже высказать предположение, что 80386 заключает в себе больше достижений, чем все технологические достижения человечества до 1970, а может и до 1980. Интересно, что команда разработчиков 80386 отличалась своеобразной и открытой религиозностью.
Довольно интересна тема ошибок в 80386. Напишу про две. Первые чипы имели некоторые команды, которые затем исчезли из руководств по этим процессорам и перестали исполняться на более поздних чипах. Если использовать первые источники информации по 80386 практически, может случиться неожиданное затруднение. Речь идет о командах IBTS и XBTS. У всех 80386DX/SX, производимых как AMD, так и Intel (что обнаруживает их любопытную внутреннюю идентичность), есть очень странный и неприятный баг, который проявлялся в уничтожение значения регистра EAX, если после записи в стек или выгрузке оттуда всех регистров командами POPAD или PUSHAD использовалась команда, использовавшая адрес с регистром BX. В некоторых ситуациях процессор мог даже зависнуть. Просто кошмарный баг и очень массовый, а в википедии нет даже упоминаний про него. Были и другие баги.
Появление ARM изменило ситуацию в мире компьютерных технологий. Несмотря на проблемы, процессоры ARM продолжали своё развитие. Ответом Intel стал 80486. В борьбе за быстродействие и за первое место в мире передовых технологий Intel пошла даже на уродующее до сих облик персонального компьютера решение – использование охлаждающего вентилятора.
В 80486 были улучшены тайминги большинства инструкций и некоторые из них стали выполняться как и на процессорах ARM за такт. Хотя умножение и деление почему-то стали чуть медленнее. Особенно странно, что однократные двоичные сдвиги и вращения регистра стали выполняться даже медленнее, чем с 8088! Появилась довольно большая для тех лет, размером 8 КБ, встроенная кэш-память. Появились и новые инструкции, например, CMPXCHG – она заняла место незаметно пропавших инструкций IBTS и XBTS (любопытно, что в качестве секретной эта инструкция была доступна уже и на поздних 80386). Новых инструкции совсем немного – всего шесть, из которых стоит упомянуть весьма полезную команду для смены порядка байт в 32-разрядном слове BSWAP. Большой полезной новинкой стало наличие встроенного в чип арифметического сопроцессора – так ещё никто не делал. Была также улучшена работа очереди команд.
Первые системы на базе 80486 были невероятно дороги. Довольно необычно, что первые компьютеры на базе 80486, модель VX FT, сделала английская фирма Apricot – их цена в 1989 была от 18 до 40 тысяч долларов, а вес системного блока – более 60 кг! Хотя появление именно здесь компьютерных систем на базе новейшего процессора Intel могло быть вызвано логикой конкуренции с ARM и Acorn. IBM выпустила первый компьютер на базе 80486 в 1990, это была модель PS/2 90 стоимостью $17000.
Трудно себе представить процессоры Intel без секретных, недокументированных официально возможностей. Часть таких возможностей скрывали от пользователей, начиная с самых первых 8086. Например, такой пусть и почти никому не нужный факт, что второй байт в инструкциях десятичной коррекции AAD и AAM имеет значение и может быть другим, вообще недесятичным (это было документировано только с процессора Pentium спустя 15 лет!). Более неприятно умолчание сокращенных команд AND/OR/XOR с операндом байтовой константой, например, AND BX,7 с опкодом длиной три байта (83 E3 07). Эти команды, делающие код более компактным, что было особенно важно с первыми ПК, были тихо вставлены в документацию только по 80386. Интересно, что в фирменных руководствах по 8086 или 80286 есть намек об этих командах, но конкретных опкодов по ним там нет. В отличие от похожих инструкций ADD/ADC/SBB/SUB, по которым была предоставлена полная информация. Это, в частности, привело к тому, что многие ассемблеры (все?) не умели производить более короткие коды. Ещё одна группа секретов скорее может быть названа некоторой странностью – ряд инструкций имеют по два кода операций. Речь идёт, например, об инструкциях SAL/SHL (опкоды D0 E0, D0 F0 или D1 E0, D1 F0) и некоторых других. Обычно, а может и всегда, используется только один код операции. Второй, секретный не используется практически никогда. Можно только удивляться, почему Intel так бережно сохраняет эти лишние, захламляющие пространство опкодов неофициальные дублирующие инструкции? Инструкция SALC ждала своего официального документирования до 1995 почти 20 лет! Инструкция для отладки ICEBP была официально несуществующей 10 лет с 1985 по 1995. Более всего писалось про тайные инструкции LOADALL и LOADALLD – они так навсегда и останутся тайными, так как их можно было использовать для простого доступа к большим объемам памяти только на 80286 и 80386 соответственно. До недавнего времени сохранялась интрига вокруг инструкции UD1 (0F B9), которая неофициально являлась примером неправильного опкода. Неофициальное недавно стало официальным.
В СССР был освоен выпуск клонов процессоров 8088 и 8086, а полностью воспроизвести 80286 так и не получилось. Удалось реализовать только расширенную систему команд 80186 и отдельный чип для управления памятью, что должно было позволять запускать программы для 80286. Интересно, что в ГДР смогли таки сделать клон 80286 к 1989.
Motorola – это единственная фирма, которая какое-то время могла успешно конкурировать с Intel в области производства процессоров для персональных компьютеров. В 1980 Motorola фактически поставила Intel в ситуацию кризиса, из которого та могла выйти, только мобилизовав все свои силы и организовав группу сокрушения (Crush Group) своих конкурентов, действия которой несколько нарушали антимонопольное законодательство США.
68000 был выпущен в 1979 и на первый взгляд выглядел гораздо внушительнее 8086. Он имел 16 32-разрядных регистров (точнее даже 17), отдельный счетчик команд и регистр состояний. Мог адресовать 16 МБ памяти напрямую, что не создавала никаких ограничений, например, для больших массивов. Однако, внимательный анализ особенностей 68000 показывает, что не всё так хорошо, как кажется. В те годы иметь память более 1 МБ – это недостижимая роскошь даже для средних по размеру организаций. Плотность кодов у 68000 хуже, чем у 8086 – а значит коды с той же функциональностью занимают у 68000 больше места. Последнее связано и с тем, что коды у 68k должны быть кратными 2 байтам по длине, а у х86 – 1. Но информация о плотности кодов спорная, так как есть свидетельства, что в некоторых случаях у 68000 она может быть лучше, чем у 8086. Из 16 регистров – 8 адресные, которые в чём-то, с одной стороны, чуть более продвинутые аналоги сегментных регистров x86, а, с другой, в чем-то они прямое наследие работы с регистрами на 8-битных архитектурах (8080, 6502, Z80, 6809, ...), где также было разделение на регистры данных и адресные. Главное, что регистры данных нельзя использовать как адреса и набор операций с адресными регистрами ограничен, что несколько неудобно. АЛУ и шина данных 16-разрядные, поэтому операции с 32-битными данными медленнее, чем можно ожидать. Более того, из надуманного порядка байт (Big Endian) операции сложения и вычитания с 32-битными числами выполняются с дополнительным замедлением. Время исполнения операций типа регистр-регистр – 4 такта, а у 8086 – только 2. Максимальная задержка при вызове прерывания на 68000 может доходить до 378 тактов и это довольно много. Компьютеры на базе 68000 до середины 80-х получались гораздо более дорогими, чем на базе Intel 8088, но 68000 не мог работать с виртуальной памятью и не имел аппаратной поддержки работы с вещественными числами, что делало его непригодным для использования в самых продвинутых системах. Для поддержки использования виртуальной памяти требовался ещё один процессор, обычно для этого использовали ещё один 68000. В 1982, как отмечал Bill Joy, в Sun начали разработку своего процессора, так как 68000 не соответствовал нуждам заказчиков по производительности и, особенно, для работы с вещественными числами. Интересно, что из-за большого размера 68000 в Motorola называли «техасский таракан».
Однако, большой размер позволил втиснуть больше функциональности. Например, 68000 может без внешнего контроллера обслуживать до 8 внешних прерываний. Архитектура x86 требует наличия внешнего контроллера прерываний (относительным исключением является только 80186). Шины данных и адреса у 68000 не мультиплексированы в отличие от 8086, в Intel только с 80286 отказались от такого тормозящего систему совмещения шин. В 68000 есть привилегированные инструкции, что необходимо для организации многозадачности, которые у x86 появились опять только с 80286. С другой стороны, одних привилегированных команд для полной поддержки многозадачности недостаточно и поэтому их наличие в 68000, в отличие от 80286, выглядит скорее почти бесполезно.
Как всегда, с изделиями от Motorola, архитектура 68000 показывает несколько неуклюжестей и надуманных странностей. Например, два стека (в самых популярных сегодня 68k процессорах Coldfire есть только один стек) или два флага переноса (один для признаков, а другой для операций). Несмотря на наличие двух флагов переноса, операции сложения и вычитания с переносом поддерживают только два режима адресации, что делает их гораздо менее удобными подобных операций на x86, – 68000, таким образом, сохранил некоторую неуклюжесть таких операций свойственную IBM/370 и, отчасти, PDP-11. На этом странности с флагами не заканчиваются. Почему-то многие команды, включая даже MOVE и SWAP, зануляют флаги признака переноса и переполнения. Другая странность, что команда для сохрания состояния арифметических флагов, которая работала нормально в 68000, сделана привилегированной во всех процессорах, начиная с 68010. Это, в частности, сделало невозможным использование единой операции для сохранения флагов для 68000 и более поздних процессоров 68k. Таким образом, сохранить флаги как на x86 командами PUSHF или SAHF на 68k единым образом нельзя! Motorola не стоило делать команду MOVE from SR привилегированной, а вместо этого следовало просто изменить её описание так, что она в пользовательском режиме как бы не возвращала информацию о системных флагах, и добавить привилегированную команду именно для чтения этих флагов. Некоторые операции раздражают своей неоптимизированностью, например, операция записи нуля в память CLR работает медленнее записи константы 0 в память командой MOVE или сдвиг влево медленнее сложения операнда с самим собой. CLR кроме записи в память, зачем-то её предварительно читает, что может создать проблемы при работе с портами. Даже адресные регистры при кажущимся на первый взгляд преимуществе перед сегментными регистрами 8086, имеют ряд раздражающих недостатков. Например, в них требовалось грузить целых 4 байта вместо двух у 8086 и из этих четырех один был лишний. Система команд 68000 обнаруживает много сходства с системой команд PDP-11, разработанной ещё в 60-е, хотя некоторые методы адресации и порядок байт взяты почти наверняка от IBM/370. От PDP-11 наверное взята и усложненная система обработки исключений, когда при сбое команда пытается продолжить своё исполнение, – это делает ускорение процессоров 68k более сложным, чем x86, где в таких случаях команда просто перезапускается. Адресация через базу и индексный регистр сделана в 68000 на уровне 8-битных 6800 или Z80, с однобайтным смещением – это как-то совершенно непрактично, в 8086 смещение 16 разрядов, в ARM или IBM/370 – 12. Даже 6502 может использовать 16-разрядное смещение c индексацией. Нормальное смещение стало поддерживаться только с 68020. Сюрпризы c 68k могут возникнуть с необычной командой цикла, в которую надо передавать не число повторений, а число на единицу меньшее. 68k ещё не хватает инструкции подобной TEST для 8086. Несмотря на большие возможности компании Motorola, 68000 был изначально сделан по сравнительно старой технологии, которая уступала даже той, что использовали при производстве 6502. Кстати, одной из важных причин общего краха 68k стало неспособность Motorola быстро наладить массовое производство 68000 и 68020.
К списку неожиданных неудобств можно ещё добавить странности при работе с данными размером в слово. При загрузке слова в адресный регистр происходит знаковое расширение до двойного слова, при загрузке в регистр данных такого не происходит, но команда MOVEM делает знаковое расширение и для регистров данных! Операции с адресными регистрами (CMPA, ADDA, SUBA) размером в слово используют знаковое расширение только для первого операнда, второй всегда берётся размером в два слова. Последнее может затруднить использование адресных регистров для хранения неадресных величин, размером в слово, например, счётчика.
Нельзя не удивляться наличию в системе команд 68000 двух разных способов для вызова подпрограмм – это уникальная странность архитектуры 68k. Инструкция
Коды для Motorola 68k обычно выглядят как-то более громоздко и неуклюже по сравнению с х86 или ARM. Это во многом связано с обилием уникальных суффиксов S, B, W, L в инструкциях ассемблера 68k. Например, можно написать вот такую странную и бесполезную команду
С другой стороны, 68000 всё же побыстрее 8086 на одинаковых частотах, по моим оценкам примерно на 10-40%. А при интенсивном использовании 32-битных данных или больших массивов 68000 может обогнать 8086 даже в несколько раз. Кроме того, варианты первых 68к могли работать на частотах более двух раз, превосходящих доступные для x86! Кодам 680x0 к тому же присуща и какая-то своя особенная красота и элегантность, меньшая механистичность, характерная для x86. Кроме того, как показало общение с экспертами eab.abime.net, плотность кодов у 68k часто лучше, чем у x86. 68000, как и ARM или VAX, может в качестве базы использовать PC, что очень удобно. x86 и даже IBM/370 этого не умеют – поддержка такой адресации появилась только у x86-64. Хотя, стоит отметить, что адресации по PC у 68к доступна только для операнда-источника, для операнда-приёмника или даже одноадресных команд (например, NOT или TST) она не работает, что делает её почти бесполезной. Проблемы с перемещаемостью кода сделали, например, необходимостью делить код на сегменты, не большие 32 КБ, под Macintosh OS. Наличие большего числа регистров у 68000 также существенное преимущество по сравнению с 8086, хотя из-за невозможности на 68000 быстро использовать отдельные байты 16-битного слова, это преимущество проявляется только при обработке 16- и 32-разрядных данных. Очень хорошо для 68к сделаны операции инкремента и декремента, которые позволяют использовать шаг от 1 до 8 – в x86 и большинстве других известных архитектур шаг всегда равен 1. 68k, в отличие от x86, может грузить слова только с четных адресов, поэтому операции с байтами со стандартным стеком работают нетипично, указатель стека меняется на 2, а не на 1. Для стеков, организованных через регистры A0-A6, такого не происходит. 68k имеет очень гибкую и удобную инструкцию MOVEM, которая позволяет сохранять или восстанавливать любое множество регистров, – подобная инструкция есть и для ARM, а в x86 приходиться для таких операций использовать много команд для сохранения или восстановления отдельных регистров. Но MOVEM занимает 4 байта, поэтому когда нужно сохранять или восстанавливать не более трех регистров, код на x86 получается более компактным. Кроме того, x86 (c 80286) имеет ещё команду для сохранения и восстановления сразу всех регистров, поэтому в общем случае преимущество 68k из-за наличия MOVEM не слишком значительно. Приятна также почти полная ортогональность инструкции MOVE – данные можно пересылать из разных мест памяти, не используя регистры. Но это команда – исключение, другие команды, например, CMP не ортогональны. Весьма привлекательная черта архитектуры 68k – это адресные режимы с авто-инкрементом и -декрементом, таких на x86 нет. Независимость пользовательского стека от прерываний позволяет использовать данные над вершиной стека, что немыслимо на 8086. Такой очень странный и нерекомендуемый способ работы со стеком доступен и на x86 в многозадачных средах, где у каждой задачи и у системы есть свои стеки.
В целом, 68000 – это хороший процессор, с большой системой команд. Его изначально планировали для использования в миникомпьютерах, а не персоналках. Несколько иронично поэтому, что последнее массовое примение этот процессор нашел во второй половине 90-х в калькуляторах и карманных компьютерах. Однако именно под 68000 начинается разработка рабочих станций фирмами Sun, Apollo, HP, Silicon Graphics и позднее NeXT. В этот список можно добавить и Apple, которая производила компьютер Lisa класса рабочих станций. 68000 использовали во многих ныне легендарных персональных компьютерах: в первых компьютерах Apple Macintosh, которые выпускались до середины 90-х, в первых мультимедийных компьютерах Commodore Amiga, в сравнительно недорогих и качественных компьютерах Atari ST. 68000 также использовался в относительно недорогих компьютерах, работающих с вариантами Unix, в частности, в довольно популярном Tandy 16B. Стоит ещё упомянуть быстрые и недорогие компьютеры Sage, которые какое-то время были самыми быстрыми персональными компьютерами вообще – их развитие сложилось весьма драматично. Интересно, что IBM одновременно с разработкой PC вела разработку компьютера System 9000 на базе 68000, который был выпущен менее, чем через год после PC.
Apple Lisa – странно, что у первых компьютеров Apple на базе 68000 (Lisa и Macintosh) графика была черно-белой, тогда как у восьмибитников Apple ][ она была цветной
Это известная демка для Amiga 1000, такая графика в 1985 казалась невероятной фантастикой. Это картинка в формате GIF, что позволяет показывать только 256 цветов из 4096, показываемых реальной Амигой, – другие форматы для полноцветной анимированной графики всё ещё поддерживаются недостаточно хорошо
68010 появился явно запоздало, только в 1982, тогда же Intel выпустила 80286, поставивший персональные компьютеры на уровень мини-ЭВМ. 68010 совместим по разъёму с 68000, но система его команд чуть-чуть отличается, поэтому замена 68000 на 68010 так и не стала популярной. Несовместимость была вызвана надуманной причиной привести 68000 в большее соответствие с идеальной теорией организации поддержки виртуализации. Другим почти бесполезным новшеством стала возможность перемещать таблицу векторов прерываний. 68010 лишь незначительно, не более чем на 10% быстрее 68000. В 68010 была наконец исправлена недоработка, не позволявшая использовать виртуальную память. Очевидно, что 68010 сильно проигрывал 80286 и был даже послабее появившегося в том же году 80186. Как и 80186, 68010 практически так и не нашёл себе применения в персональных компьютерах.
68008 был также выпущен в 1982 наверное с надеждой повторить успех 8088. Это 68000, но с 8-разрядной шиной данных, что позволяло использовать его в более дешевых системах. Но 68008, как и 68000, не имеет очереди команд, что делает его на примерно 50% медленнее, чем 68000. Таким образом, 68008 может быть даже чуть медленнее, чем 8088, который из-за наличия очереди команд лишь на примерно 20% медленнее, чем 8086. IBM предлагала Motorola сделать 68008 к 1980, но тогда IBM отказали, хотя это стоило бы по признанию сотрудников Motorola работы одному сотруднику только менее месяца. Если бы отказ не случился, то возможно IBM выбрала бы 68008 для IBM PC.
На основе 68008 основе сэр Clive Sinclair сделал Sinclair QL – очень интересный компьютер, который из-за более низкой цены мог бы конкурировать с Atari ST и похожими компьютерами. Но Клайв параллельно и явно преждевременно стал очень много сил вкладывать в развитие электромобилей, оставив QL (Quantum leap – квантовый скачок) скорее как второстепенную задачу, что при наличии некоторых неудачных конструктивных решений, привело компьютер и всю фирму Клайва к преждевременному закрытию (фирма стала частью компании Amstrad, которая отказалась производить QL).
Было бы интересно посчитать индекс разрядности для 68000, он, как мне кажется, явно повыше 16, хотя скорее и не выше 24.
Появившись в 1984, 68020 опять вернул Motorola на первые позиции. В этом процессоре были реализованы многие очень интересные и перспективные новинки. Самый сильный эффект безусловно производит конвейер инструкций, позволяющий иногда выполнять до трёх инструкций одновременно! 32-разрядная шина адреса выглядела в те годы несколько преждевременной и поэтому выпускался более дешёвый вариант процессора 68020EC с 24-битной шиной. Зато 32-разрядная шина данных выглядела уже вполне уместно и позволяла значительно ускорить работу. Новинкой выглядел и встроенный кэш пусть и небольшого, 256 байт, объема, что позволяло иногда значительно улучшить быстродействие, так как основная динамическая память уже не успевала за процессором. Хотя в общем случае такой маленький кэш лишь незначительно влиял на производительность. Были добавлены достаточно быстрые операции для деления (64/32=32,32) и умножения (32*32=64), за примерно 80 и до 45 тактов соответственно. Тайминги инструкций были в целом значительно улучшены, например, деление (32/16=16,16) стало выполняться за примерно 45 тактов (более 140 тактов у 68000). Некоторые инструкции в самых благоприятных случаях могут исполняться, не занимая тактов вообще! Были добавлены новые адресные режимы, в частности, с масштабированием – у x86 такой режим появился только в следующем году у 80386. Другие новые адресные режимы позволяют использовать двойную косвенную адресацию, используя при этом несколько смещений, – PDP-11 был здесь заметно превзойден.
Но некоторые новые инструкции, например, тяжеловесные операции с битовыми полями или ставших малонужными при быстрых делении и умножении новые операции с 10-и числами, выглядели скорее пятым колесом у телеги, чем чем-то существенно полезным. Адресные режимы с двойной косвенной адресацией теоретически выглядят интересно, но практически нужны довольно редко и исполняются медленно. Эти режимы, как и избыточность генерации флагов, плохо вписывались в наступающую эпоху мультискалярных архитектур. Возможность использования 32-разрядного смещения в адресации была скорее преждевременным новшеством, так как для объемов памяти на системах до середины 90-х такие большие смещения практически никогда не требовались. Тут опять, как и в случае с 68000, Motorola предложила пользователям платить за возможность работать с такими большими размерами памяти, которые ещё фактически не могли быть аппаратно обеспечены. В отличие от 80286, 68020 требует времени для вычисления адреса операнда, так называемого эффективного адреса. Деление у 68020 получилось всё же почти в два раза медленнее чудо-деления у 80286. Умножение и некоторые операции также медленнее. В целом, 68020 получился заметно медленнее, чем 80286 для байтовых операций. На операциях со 16-битными данными 68020 был только незначительно медленнее и только на операциях с 32-битными данными 68020 уже явно превосходил 80286. У 68020 нет встроенной системы управления памятью (MMU) и скорее экзотическая возможность подключать до восьми сопроцессоров этого не могла исправить. Сам главный архитектор 68000 признал, что в 68020 было сделано слишком много режимов адресации и что получился поэтому какой-то монстр. Типа ориентировались на VAX и удобство ассемблерного программирования, а будущее пришло с RISC, высокими скоростями и мощными компиляторами. А вот ещё цитата от Билла Джоя: «Стало ясно, что Motorola развивает свои процессоры примерно также ошибочно как и DEC. Другими словами, 68010 68020 68040, становились более и более сложными. И они буксовали, не становясь быстрее такими же темпами как транзисторы, из которых они были сделаны». Стоит ещё добавить, что в 68020 специально для прерываний добавили ещё третий стек!
Неудивительно поэтому, что в современном развитии архитектуры 68k отказались практически от всех новых команд 68020. Это касается, в частности, процессоров Coldfire и 68070, используемых во встроенных системах.
68020 широко использовался в массовых компьютерах Apple Macintosh II, Macintosh LC и Commodore Amiga 1200. Он также использовался в нескольких моделях систем для работы с Unix.
Появление 80386 со встроенным и очень добротно сделанным MMU и 32-разрядными шинами и регистрами, опять поставило Motorola в позицию номер 2. 68030, появившись в 1987, в последний раз, ненадолго смог вернуть Motorola лидерство. 68030 имеет встроенную систему управления памятью и увеличенный в два раза кэш, разделенный на кэш для инструкций и данных – это была очень перспективная новинка. MMU у 68030 не тормозит работу, как это происходило с внешним MMU у 68020. Кроме того, 68030 мог использовать более быстрый интерфейс доступа к памяти, что может ускорять операции с памятью почти на треть. Однако, в целом работа с памятью осталась медленной – 4 такта на обращение, т.е. число тактов осталось таким же как и у 68000. Об этом даже шутили как о «стандартном цикле памяти Motorola». Для сравнения, у 80286 такой цикл занимал 2 такта, а у ARM или 6502 – 1. Справедливости ради надо добавить, что официально цикл доступа к памяти у 68020 и 68030 занимает 3 такта, но во многих инструкциях фактически получается скорее 4. Но, несмотря на все новшества, 68030 оказался несколько медленнее 80386 на одинаковых частотах. Однако, 68030 был доступен на частотах до 50 Мгц, а 80386 только до 40 Мгц, что делало топовые системы на базе 68030 слегка быстрее. Неожиданно, но 68030 не поддерживает некоторые инструкции своего предшественника (CALLM и RTM)! Недостатки архитектуры процессоров 68k вынудили основных производителей компьютеров на базе этих процессоров искать им замену. Sun начала производить собственные процессоры SPARC, Silicon Graphics перешла на процессоры MIPS, Apollo разработала собственный процессор PRISM, HP стала использовать собственный процессоры PA-RISC, ATARI стала работать со специализированными RISC-процессорами, а Apple была вынуждена перейти на процессоры PowerPC. Интересно, что Apple собиралась перейти на SPARC во второй половине 80-х, но договориться с Sun не получилось. Можно только удивляться тому, как плохо работал менеджмент у Motorola, они как будто сами не верили в будущее своих процессоров. Тут можно ещё добавить, что Motorola выпускала вариант процессора 68030 без MMU! Такой вариант использовался в самых дешевых вариантах компьютера Commodore Amiga 4000. Intel таких изделий не производила, хотя для самой популярной тогда ОС DOS MMU был не нужен.
68030 использовался в компьютерах серии Apple Macintosh, Commodore Amiga 3000, Atari TT, Atari Falcon и некоторых других.
С 68040 Motorola очередной раз попыталась превзойти Intel. Этот процессор появился год спустя после 80486, но по совокупности полезных качеств он так и не смог его превзойти. Фактически Motorola 68k, имея более перегруженную систему команд, оказалась не в состоянии её поддерживать и в каком-то смысле сошла с дистанции. Кроме того, Motorola участвовала также в разработке PowerPC, который запланировано шел на смену 68k и это не могло не сказаться на качестве разработки 68040. В 68040 смогли поместить только очень урезанный сопроцессор для работы с вещественными числами и сам чип грелся существенно больше, чем 80486. Согласно результатам на lowendmac.com/benchmarks 68040 только примерно в 2.1 раза быстрее 68030, что означает, что 68040 несколько медленнее 80486 на той же частоте. Хотя на некоторых тестах 68040 существенно быстрее 80486. 68040 практически не нашёл применения в популярных компьютерах. Некоторое заметное применение нашёл только его более дешёвый вариант – 68LC040, не имеющий встроенного сопроцессора. Однако, первые варианты этого чипа имели серьёзный аппаратный дефект, не позволяющий использовать даже программную эмуляцию сопроцессора! Возможно это было сделано умышленно, так как в Power Macintosh не предполагалась эмуляция инструкций сопроцессора. Но главная проблема 68040 – это то, что Motorola так и не смогла сделать его вариант с удвоением частоты, как это смогла сделать Intel для 80486DX2 в 1992.
Проблемы с математическим сопроцессорами у Motorola были всегда. Motorola, как уже об этом упоминалось, так и не выпустила такого сопроцессора для 68000/68010, в то время как Intel выпускала свой очень успешный 8087 c 1980. В Atari, однако, нашли способ продключать сопроцессор для 68020/30 к 68000 в компьютерах серии ST – сопроцессор там мог быть подключен по адресам в памяти, что конечно его замедляло и требовало использования нетипичных кодов. Для 68020/68030 получился уже перебор, для них производились сразу два сопроцессора: 68881 и улучшенный пин-совместимый с ним 68882. Однако, эти сопроцессоры были не 100% совместимы и для получения заметного прироста быстродействия от использования 68882, код нужно было генерировать специальным образом. Таким образом, коды, сгенерированные для 68881, работали на 68882 лишь незначительно быстрее. 68882 появился позднее и стоил заметно дороже 68881. Интересно, что встроенный сопроцессор архитектуры PowerPC имеет меньшую точность, чем 68881/82, поэтому результаты расчетов с дробными числами на Power Macintosh получаются менее качественными, чем на прежнем поколении компьютеров Macintosh!
Тут уместно сказать, что и Intel x86 пор сих имеет проблемы с математическим сопроцессором – точность расчетов некоторых функций, например, синуса на некоторых аргументах совсем небольшая, иногда не более 4 знаков. Поэтому современные компиляторы часто вычисляют такие функции, не прибегая к услугам сопроцессора.
Удивительно, что Motorola смогла ещё выпустить 68k процессор класса Pentium, 68060 в 1994. Этот процессор также имел проблемы с арифметикой вещественных чисел. И, главное, ни осталось ни одной популярной системы, кроме Commodore Amiga, где 68060 мог бы найти применение, но компания Commodore обанкротилась в том же 1994. Согласно некоторым конспирологическим теориям Commodore обанкротилась, в частности, из-за того, что 68060 мог создать конкуренцию архитектуре Power PC, которую стали использовать компьютеры Apple Macintosh.
Процессоры Motorola вплоть до 1994 включительно были в целом вполне сравнимы с Intel x86 и в отдельных важных частностях они были всегда лучше. Однако в Intel, в отличие от Motorola, очень много сил потратили на удержание своих заказчиков и привлечения новых. И иногда в борьбе со своим основным конкурентом Intel действовала почти некрасиво. Трудно поверить, что большая обзорная статья в журнале Byte от 9/1985, где про 68000 огульно заявляется, что он «по сравнению 8088 требует огромных усилий для того, чтобы программы работали нормально», могла появиться вне контекста этой борьбы. С другой стороны, Motorola все делала позже и дороже Intel. Кроме того, процессорам Motorola явно не хватало оригинальности, слишком многое было скопировано с технологий DEC и IBM. Конечно, провал 68к был вызван комплексными причинами, сочетающими в себе как слабый стратегический маркетинг, так и некоторые архитектурные недостатки
Но на этом история не закончилась. В 2015, когда Motorola уже давно ушла в прошлое, был выпущен Apollo Core 68080!
Почему-то процессоры архитектуры 68k даже не пытались склонировать в СССР (склонирован был только 68881), хотя на основе 68020 был разработан компьютер Беста.
Это первый настоящий 32-битный процессор, предложенный для использования в компьютерах ещё в 1982. Это процессор изначально планировался как VAX-11 на чипе, но из-за невозможности договориться с фирмой DEC фирме National Semiconductor (NS) пришлось сделать процессор только отдельными деталями похожий на архитектуру VAX-11.
С этого процессора начинается использование страничной виртуальной памяти – сегодня это доминирующая технология. Но поддержка виртуальной памяти не встроена в процессор, а требует сопроцессора. Отдельный сопроцессор требуется и для работы с вещественными числами.
Система команд NS32016 огромна и похожа на систему команд VAX-11, в частности, наличием отдельного стека для кадров подпрограмм и ортогональностью. Шина адреса 24-битная, что позволяет использовать до 16 МБ памяти. Особенностью 32016 является работа с флагами признаков. Помимо стандартных флагов переноса (который можно использовать и как признак для условного перехода), переполнения, знака, равенства (или нуля) есть ещё флаг L (less), означающий меньше – это как перенос для сравнений. Ситуация с переносом похожа на ту, что есть у процессоров Motorola 680x0. Флаг переполнения почему-то называется F. Есть флаги пошагового режима, привилегированного режима и (уникальность!) флаг выбора текущего стека. При выполнении арифметических инструкций флаги знака, нуля, меньшести (L) не ставятся, они устанавливаются только командами сравнения.
Можно использовать восемь 32-разрядных регистров общего назначения. Кроме того, есть ещё счетчик команд, два указателя стека, указатель стека кадров подпрограмм, указатель базы программы (это что-то уникальное), указатель базы модулей (также что-то очень редкостное), указатель на таблицу векторов прерываний, регистр конфигурации и регистр состояния. По быстродействию NS32016 оказался сравним с 68000.
Этот очень сложный процессор имел серьёзные аппаратные ошибки, которые устранялись годами.
32016 использовался с персональными компьютерами BBC Micro как второй процессор. Это была очень дорогая и престижная приставка для 1984 года. Можно было заказывать процессор с частотами 6, 8 и 10 МГц. С последними возникали некоторые технические проблемы и он был очень дорог. Программного обеспечения для 32016 было очень мало, только сделанная силами Acorn, чем-то похожая на Unix операционная система Panos и постоянный спутник Acorn бейсик. BBC Micro не использовали чип MMU – хотя его можно было подключить, программ для его использования не было. Арифметический сопроцессор подключать даже и не предусматривалось. Было ещё несколько редких и дорогих систем на базе 32016.
Наиболее масштабные планы, связанные с этим процессором, возможно были у основателя компании Commodore, Джека Трамела, которого называли королём недорогих компьютеров. Он после покупки Atari заявил, что собирается сделать недорогой персональный компьютер с возможностями супермини-компьютеров VAX. Считается, что он имел в виду использование процессора 32016 или его полного 32-битного варианта 32032. Однако после первых тестов, которые показали недостатки 32016, от этих планов отказались, предпочтя 68000.
Идеология 6502, а именно делать проще, дешевле и лучше, нашла своё продолжение в почти фантастической разработке фирмы Acorn, процессоре ARM-1, выпущенном в 1985, тогда же, когда появилось технологическое чудо фирмы Intel, процессор 80386. ARM состоял из на порядок меньшего числа транзисторов и поэтому потреблял существенно меньше энергии и был при этом в среднем гораздо быстрее. Конечно, у ARM не было никакого MMU и даже операций деления и умножения, поэтому в некоторых расчетах, основанных на делении 80386 мог быть быстрее. Однако достоинства ARM оказались столь велики, что на сегодня это самая массовая процессорная архитектура. Было выпущено более 100 миллиардов таких процессоров.
Разработки ARM в 1983 начались после того, как в фирме Acorn провели исследования с процессором 32016, которые показали, что на многих расчётах 6502 на два раза меньшей рабочей частоте мог быть быстрее этого, как казалось, гораздо более мощного процессора. Тогда уже был доступен 80286, который показывал очень хорошую производительность, но фирма Intel, возможно почувствовав немаленький потенциал небольшой фирмы Acorn, отказалась предоставить свой процессор для тестирования. При этом технология 80286 не была закрытой как 80386 и была передана многим фирмам, поэтому история до сих пор ждёт раскрытия деталей этого несколько необычного отказа. Возможно, если бы Intel разрешила использовать свой процессор, то в Acorn использовали бы именно его, а не стали бы разрабатывать ARM.
ARM разрабатывали всего несколько человек, причем тестировали систему команд, используя бейсик компьютера BBC Micro. Сама разработка проходила в здании бывшего подсобного помещения, которое часто называют сараем или амбаром. Интересно, что одному из главных разработчиков 6502, Биллу Меншу, первому предложили сделать электронику ARM. Но тот сразу понял, что ARM – это конкурент лучшим разработкам крупных фирм и решил не связываться, возможно опасаясь, что в противном случае его компанию WDC ждет судьба компании MOS Technology. Процессор в итоге сделали в компании VLSI. Дебют ARM получился скорее неудачным. В 1986 была выпущена приставка для BBC Micro c названием ARM Evaluation system, содержащей помимо процессора 4 МБ памяти (это очень много для тех лет), что сделало эту приставку очень дорогим изделием (её цена была более 4000 фунтов стерлингов, т.е. примерно 6000 долларов). Конечно, если сравнивать её с компьютерами того времени со сравнимыми по быстродействию возможностями, то приставка оказывалась на порядок или даже почти два дешевле. Но для новой системы было очень мало программ. И это несколько странно, так как вполне было возможно портировать Unix для этой системы – тогда были доступны многочисленные варианты Unix, которые не требовали MMU, были варианты Unix для PDP-11, 68000, 80186 и даже 8088. Любопытно, что в 90-е для Acorn Archimedes был портирован Linux. Возможно задержка с появлением настоящего Unix для ARM была вызвана нежеланием Acorn передавать технологию ARM другим фирмам.
Первая система на базе ARM
Несколько неудачная маркетинговая политика Acorn привела фирму к 1985 к очень тяжелому финансовому положению. Acorn помимо ARM пыталась ещё вести дорогостоящую разработку компьютеров для бизнеса, которая провалилась, в частности, из-за недостатков выбранного для них процессора 32016. Не слишком удачным оказался также и компьютер Acorn Communicator. Разработка сравнительно удачного, но не совсем IBM PC совместимого компьютера Master 512, была весьма затратной. Кроме того, много финансовых ресурсов было потрачено в безрезультатной попытке выйти на рынок США, на который возможно в рамках гипотетической большой игры по поглощению самой Acorn была допущена итальянская фирма Olivetti со своими довольно удачными, основанными на Intel 8086 и 80286, компьютерами. Кстати, после поглощения Acorn, роль Olivetti на американском рынке довольно быстро сошла на нет.
Уже как часть Olivetti Acorn разработала улучшенный чип ARM2 со встроенными командами умножения, на основе которого был сделан потрясающий тогда своим быстродействием персональный компьютер Archimedes, первые модели которого стали доступны в 1987. Однако, менежмент из Olivetti был ориентирован на работу с IBM PC совместимыми компьютерами и не желал использовать свои ресурсы для реализации продукции Acorn. Также удивительно, что Архимеды не пришли на смену BBC Micro в английских школах. Возможно это случилось из-за несостоявшейся сделки с СССР по компьютерам Memotech MTX. Memotech взяла миллион фунтов стерлингов у английского правительства, а после срыва сделки объявила себя банкротом. После этого правительство прекратило практику поддержки своих производителей компьютерной техники, включая Acorn.
ARM предоставляет для использования 16 32-разрядных регистров (их реально больше, если учитывать регистры для системных нужд). Один из регистров, R15 (или PC), подобно архитектуре PDP-11 является счётчиком команд. Почти все операции выполняются за 1 такт. Больше тактов нужно, в частности, для переходов, умножений и обращений к памяти. По сравнению, с основными процессорами тех лет ARM отличало отсутствие такой типовой структуры как стек. Стек реализуется, если необходимо, через один из регистров (хотя стандартным для стека считается R13 или SP). При вызове подпрограмм стек не используется, вместо этого адрес возврата сохраняется в выделенном для него регистре R14 или LR (link register). Такая схема, очевидно не работает для вложенных вызовов, для которых приходится организовывать стек. Уникальная особенность ARM – в совмещении счётчика команд, который 26-разрядный, т. е. позволяющий адресовать до 64 МБ, с регистром состояний. Для флагов в этом совмещенном регистре выделяется восемь бит, ещё два добавочных бита в этом регистре получаются за счёт того, что младшие два бита адреса не используются, так как коды должны быть выровнены по границе 4-байтного слова. Процессор может обращаться к байтам и 4-байтным словам, к 16-битным данным он напрямую обращаться не может. Инструкции для работы с данными у ARM 3-адресные. Характерной особенностью архитектуры RISC является использование команд типа регистр-память только для загрузки и выгрузки данных. ARM имеет встроенный быстрый битовый сдвигатель (Barrel Shifter), позволяющий без затрат тактов сдвигать значение одного из регистров в команде на любое число раз. Например, умножение значения регистра R0 на 65 c помещением результата в регистр R1 можно записать одной однотактовой командой сложения
, а умножение на 63 – командой
Битовый сдвигатель позволяет помимо знаковых и беззнаковых сдвигов влево или вправо делать также вращения и даже вращение через перенос. В системе команд есть обратное вычитание, что позволяет, в частности, иметь унарный минус как частный случай этой команды и ускорить процедуру деления. Несколько инструкций скорее очень необычны и их полезность сомнительна, например, есть инструкция CMN, которая складывает аргументы, но результат сложения пропадает – эта команда используется только для установки флагов. Есть ещё подобная инструкция TEQ, в которой вместо обычного сложения используется сложение по модулю 2 (XOR). Некоторый смысл этим инструкциям придаёт только то, что они фактически расширяют очень ограниченный диапазон констант для использования в операциях сравнения. Кроме того, TEQ можно использовать для сравнений, которые не меняют флаги C и V и для прямой установки всех 8 флагов. Помимо RSB, ARM имеет ещё одну уникальную особенность: все его инструкции условные. Имеется 16 случаев (комбинаций флагов), которые присоединяются к каждой инструкции. Инструкция выполняется, только в случае, если текущий набор флагов соответствует набору в этой инструкции. В процессорах других архитектур подобное исполнение имеет место, как правило, только для условных переходов. Эта особенность ARM позволяет во многих случаях избегать медленной операции переход. Последнему также способствует то, что при выполнении арифметических операций можно отказаться от установки флагов состояния. С ARM подобно процессору 6809 можно использовать как быстрые, так и обычные аппаратные прерывания. При обычном прерывании два регистра (R13, R14) заменяются на системные. При быстром прерывании заменяются уже 7 регистров (R8-R14). Это позволяет сделать обработчики прерываний более компактными и быстрыми. В режиме супервизора регистры R13 и R14 также заменяются. Таким образом, в ARM реально используются 27 регистров. Максимальная задержка при вызове аппаратного прерывания небольшая, главный тормоз том, что команды блочного копирования (до 18 тактов) прерываться не могут. Для вызова программных прерываний есть специальная команда SWI, она переключает процессор в режим супервизора.
Система инструкций ARM содержит существенно меньше базовых команд, чем система инструкций процессоров x86. Но сами инструкции у ARM очень гибкие и мощные. Несколько очень удобных и мощных инструкций ARM не имеют аналогов для 80386, например, RSB (уже упомянутое обратное вычитание), BIC (AND с инвертированием, такая команда есть у PDP-11), 4-адресная MLA (умножение с суммированием), LDM и STM (загрузка или выгрузка множества регистров из памяти, похожи на команду MOVEM для процессоров 68k). Почти все инструкции ARM 3-адресные, а почти все инструкции 80386 имеют не более 2 операндов. Система команд ARM более ортогональна – все регистры взаимозаменяемы, некоторое исключение составляют только регистры R14 и R15. Большинство команд ARM могут потребовать 3-4 команды 80386 для своей эмуляции, а большинство команд 80386 можно проэмулировать 2-3 командами ARM. Интересно, что эмулятор IBM PC XT на аппаратуре компьютера Acorn Archimedes с процессором на 8 МГц работает даже быстрее, чем реальный компьютер PC XT. На компьютере Commodore Amiga с процессором 68000 на 7 МГц эмулятор может работать только со скоростью, не большей 10-15% реального PC XT. Очень интересно также, что первые компьютеры NeXT с 25 МГц 68030 показывали производительность целочисленных расчетов на уровне того же 8 МГц ARM. Apple собиралась в проекте Möbius сделать компьютер-преемник Apple ][, но когда выяснилось, что прототип этого компьютера в режиме эмуляции обгоняет не только Apple ][, но и основанные на 68k процессорах Макинтоши, проект закрыли!
Среди недостатков ARM можно выделить проблему загрузки константы в регистр. Можно загружать только 8 разрядов за один раз, хотя при этом константу можно инвертировать и сдвигать. Поэтому загрузка полной 32-разрядной константы может занять до 4 команд. Можно, конечно, загрузить константу из памяти одной командой, но тут возникает проблема указания адреса этой величины, так как смещение может быть только 12-разрядным. Другой недостаток ARM в относительно невысокой плотности кодов, что делает программы несколько большими, а главное снижает эффективность работы процессорного кэша. Однако, это возможно было скорее следствием невысокого качества компиляторов для этой платформы. Долгое время существенным недостатком ARM было отсутствие встроенной поддержки управления памятью (MMU) – этой поддержки, например, требовала Apple в начале 90-х. Сопроцессоры для работы с вещественными числами для архитектуры ARM также стали использоваться с существенной задержкой. У ARM не было таких продвинутых средств для отладки, какие были у архитектуры x86. Есть ещё некоторая странность в языке стандартного ассемблера для ARM: операции битового сдвигателя принято писать через запятую. Таким образом, вместо простой формы
С 1989 стал доступен ARM3 с встроенным кешем, у которого появилась ещё интересная команда SWP для атомарного обмена данных между регистрами и памятью. В 1990 команда разработчиков ARM отделилась от Acorn и создала с помощью Apple и VLSI компанию ARM Holdings. Одной из причин отделения стала слишком большая затратность разработки ARM по мнению менежмента Acorn-Olivetti. Впоследствии Acorn прекратила своё самостоятельное существование, а ARM Holdings превратилась в крупную компанию. Разделение Acorn и ARM Holdings было также инициировано желанием Apple иметь процессор ARM в своем компьютере Newton и не зависить от другого производителя компьютеров. Кстати, в 1999 VLSI утратила самостоятельность, став частью Philips.
В 1991 ARM Holdings выпустил ARM6, который начал новую линейку процессоров, которые стали прообразами тех, что широко используются до сих. В нём реализована поддержка виртуальной памяти, произведен переход на 32-битную адресацию и добавлен ещё ряд новых возможностей. Историю же классических процессоров ARM завершил ARM250, выпущенный в 1992. Это фактически ARM3 без кэша, но интегрированный на одном чипе с некоторыми базовыми чипами Acorn Archimedes. Подобное интегрирование стало в дальнешем одной из типичных особенностей архитектуры ARM. Другая особенность этой архитектуры в путающем наименовании процессоров и архитектур, например, ARM6 – это процессор архитектуры ARMv3, а ARM3 и ARM250 – это процессоры архитектуры ARMv2.
ARM показывал производительность на целочисленных данных, превосходящую 80486 на той же частоте на 10-20%! Intel смогла достичь преимущества использованием технологии умножения тактовой частоты и затем крепко закрепить его с процессором Pentium. DEC StrongARM смог ненадолго вернуть себе лидерство в 1996, после чего эта технология была куплена Intel, которая с тех пор является крупным производителем процессоров ARM-архитектуры. Таким образом, существуют несколько центров развития этой архитектуры.
Дальнейшее развитие технологии ARM также весьма любопытно, но это уже другая история. Хотя можно упомянуть, что именно благодаря доле в ARM Holdings Apple в 90-е смогла избежать банкротства, а в 2022 Apple вообще начала переход на архитектуру ARM!
Трудно отделаться от ощущения, что 8-битные процессоры оказались лишь нежелательной необходимостью для основных действовавших в 70-е и 80-е персонажей на сцене компьютерной истории. Самый удачный 8-битник 6502 был фактически заморожен. Intel и Motorola скорее тормозили как собственные разработки маленьких процессоров, так и сдерживали других разработчиков.
Почти уверен, что Amiga или Atari ST работали бы лучше и быстрее на 4 МГц процессоре с 20- или 24-битным адресом, совместимом с 6502, чем с 68000. Бил Менш недавно заявил, что сегодня несложно сделать 6502 на 10 или даже 100 ГГц.
Если бы в серии Amstrad PCW, успех которой могли бы разделить и Commodore CBM II, начали использовать оптимизированные z80 на повышенных частотах, то вполне возможно, что эта серия была бы актуальной и 10 лет назад.
Интересно, как так могло случиться, что в США были разработаны более десятка хороших микропроцессоров, а во всем остальном мире не было сделано практически ни одного, который бы не был клоном американского?! Только британский ARM стал тут исключением, но даже его возникновение обязано скорее странными явлениями торможения развития в самих США, чем успехом британских разработчиков.
Каким был бы мир, если бы ARM сделали в 1982 или 1983, что было вполне возможно?
Какими были бы отечественные компьютеры, если бы копировали и развивали не самые дорогие, а самые перспективные технологии?
Этот материал доступен и на английском.
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.
Intel 8080 и 8085
8080 стал первым настоящим процессором, его производство началось в первой половине 1974 года. Первый вариант 8080 имел некоторые недоделки и поэтому его через полгода заменили на 8080A, который по факту часто называют тоже 8080. Этот процессор до сих пор производится и находит себе применение. Он многократно клонировался по всему миру, в СССР имел обозначение КР580ВМ80А. Современные процессоры Intel для РС до сих пор легко обнаруживают свою родственность этому уже в каком-то смысле реликтовому изделию. Сам для этого процессора кодов не писал, но будучи хорошо знакомым с архитектурой z80, рискну привести некоторые свои замечания.
Систему команд 8080, как и других процессоров Intel для РС, трудно назвать идеальной, но она универсальная, достаточно гибкая и имеет несколько очень привлекательных особенностей. От своих конкурентов, Motorola 6800 и MOS Technology 6502, 8080 выгодно отличался большим количеством пусть и несколько неуклюжих регистров, предоставляя пользователю один 8-битный аккумулятор А, один 16-битный полуаккуммулятор и по совместительству быстрый индексный регистр HL, 16-разрядный указатель стека SP, а также ещё два 16-битных регистра ВС и DE. Регистры BC, DE и HL можно было использовать и как 6 байтовых регистров. Кроме того, 8080 имел поддержку почти полного набора флагов состояния: переноса, знака, нуля и даже чётности и полупереноса. Некоторые инструкции из набора команд 8080 долгое время были чемпионами по быстродействию. Например, команда XCHG делает обмен содержимым 16-битных регистров DE и HL всего за 4 такта – это было исключительно быстро! Ряд других команд хотя и не ставили столь яркие рекорды, но также долгое время были одними из лучших:
- XTHL – обмен содержимым регистра HL и данных на вершине стека, 18 тактов – вроде бы много, на даже на настоящем 16-битном 8086 такая команда занимает от 22 тактов, а для 6800 или 6502 такую команду даже трудно представить;
- DAD – добавить к полуаккуммулятору HL значение другого 16-битного регистра (BC, DE или даже SP), 10 тактов. Это настоящее 16-битное сложение с установкой флага переноса. Если складывать HL самим с собой, то будет получаться быстрый 16-разрядный сдвиг влево или умножение на 2, ключевая операция как для реализации полного умножения, так и деления;
- PUSH и POP – положить в стек и вынуть из стека 16-разрядное значение соответственно из регистра или в регистр. Выполняются за 11 и 10 тактов. Это самые быстрые операции 8080 для работы с памятью и при их выполнении происходит автоматическая инкрементация или декрементация SP. PUSH можно использовать, например, для быстрого заполнения памяти паттерном со значениями из 3 регистров (BC, DE, HL). Команд для работы с 8-битными величинами со стеком нет вообще;
- LXI – загрузка 16-битной константы в регистр (HL, DE, BC, SP) за 10 тактов;
- RNZ, RZ, RNC, RC, RPO, RPE, RP, RM – условные возвраты из подпрограммы, позволяли делать код чище, избавляя от необходимости писать лишние условные переходы. От этих команд отказались в архитектуре x86, возможно, что и зря, код с ним получается симпатичнее. 8080 также может использовать и соответствующие условные вызовы подпрограмм (CNZ, CZ, CNC, ...), хотя пользы от них обычно почти нет, так как при вызове подпрограммы в неё, как правило, нужно передавать параметры.
8080 помимо основной памяти, размером в 64 КБ, может использовать ещё два адресных пространства: портов ввода-вывода, размером 256 байт, и стека, размером 64 КБ. Преемники 8080, 8085 и Z80, последнюю возможность не унаследовали.
Этот процессор был использован в первом персональном компьютере Altair 8800, ставшим весьма популярным после журнальной публикации в начале 1975. К слову, в СССР похожая публикация случилась только в 1983, а соответствующая ей по актуальности только в 1986.
Первый почти ПКIntel 8080 стал основой для разработки когда-то первой массовой профессиональной операционной системы CP/M, занимавшей доминирующие позиции среди микрокомпьютеров для профессиональной работы до середины 1980-х.
Теперь о недостатках. 8080 требовалось три напряжения питания -5, 5 и 12 вольт. Работа с прерываниями скорее неуклюжая: нужен специализированный контроллер и немаскируемые прерывания не поддерживались. И в целом 8080 скорее нетороплив, если сравнить его с вскоре появившимися конкурентами. 6502 мог быть до 3-х раз быстрее при работе на той же частоте, что и 8080. В системе команд несколько раздражает наличие 6 бессмысленных инструкция типа
MOV A,AНо в архитектуре 8080 было заложено, как оказалось, правильное видение будущего, а именно того неочевидного в 70-х факта, что процессоры будут быстрее памяти. Регистры 8080 DE и BC – это скорее прообраз современных кэшей, с ручным управлением, чем регистры общего назначения. 8080 начал с частоты 2 МГц, а конкуренты только с 1, что сглаживало разницу в производительности.
Первое время 8080 продавался по весьма высокой цене $360, но это была своеобразная ссылка на большие компьютеры IBM/360. Intel как бы сообщала, что если купить 8080, то можно получить что-то похожее на очень дорогой мейнфрейм.
Трудно назвать 8080 8-битным процессором на все 100%. Конечно, АЛУ у него на 8 бит, но есть много 16 разрядных команд, работающих быстрее, чем если использовать только 8-битные аналоги вместо них. А для некоторых команд 8-битных аналогов нет вообще. Команда XCHG по сути и таймингам 100% 16-битная. Есть реальные 16-разрядные регистры. Поэтому рискну назвать 8080 частично 16-битным. Было бы интересно по совокупности признаков вычислять индекс разрядности процессора, но, насколько известно автору, пока такой работы никто не проделал.
Автор не знает причины, почему Intel отказалась от прямой поддержки развития 8-битных персоналок своими процессорами. Intel всегда отличaла сложность и неоднозначность политики. Её связь с политикой, в частности, иллюстрирует тот факт, что долгое время у Intel функционируют заводы в Израиле и до конца 90-х это было тайным. Intel практически не пыталась улучшить 8080, была лишь до 3 с небольшим МГц поднята тактовая частота. Фактически 8-битный рынок был передан фирме Zilog с родственным 8080 процессором z80, который смог довольно успешно противостоять главному конкуренту, «терминатору» 6502. А Zilog к концу 70-х была компанией с огромными возможностями, имея почти неограниченное финансирование от Exxon и даже две новейшие фабрики по производству чипов, что было реально много – Motorola, имея миллиардный бизнес, имела в то время также только две фабрики. В начале 80-х значение 6502 стало уже незначительным и Zilog тоже стремительно потерял свой вес – странное совпадение. Кроме того, 8080 и 8085 использовались обычно как контроллеры и в этом качестве могли успешно продаваться по более высокой цене. Наличие z80 позволяло Intel устраниться от конкуренции 8-битных процессоров для компьютеров, где 6502 сильно обвалил цены.
В СССР и России отечественный клон 8080 стал основой многих массовых компьютеров, сохранявших популярность до начала 90-х. Это, конечно, Радио-86РК, Микроша, многоцветные Орион-128, Вектор и Корвет. Однако в войне клонов победили дешёвые и улучшенные клоны ZX Spectrum на основе z80.
Это уже настоящий ПКВ начале 1976 Intel был представлен процессор 8085, совместимый с 8080, но значительно превосходивший своего предшественника. В нём уже стало ненужным питание -5 и 12 вольт, использовалась тактовая частота от 3 до весьма солидных 6 МГц, система команд была расширена несколькими полезными инструкциями: 16-разрядным вычитанием, 16-разрядным сдвигом вправо всего за 7 тактов (это очень быстро), 16-разрядным вращением влево через флаг переноса, загрузкой 16-разрядного регистра с 8-разрядным смещением (эту команду можно использовать и с указателем стека SP), запись регистра HL по адресу в регистре DE, аналогичное чтение HL через DE. Все упомянутые инструкции кроме сдвига вправо выполняются за 10 тактов – это иногда существенно быстрее, чем их аналоги или эмуляция на z80. Были добавлены ещё несколько инструкций и даже даже два новых флага признаков: флаг переполнения и флаг, двоично суммирующий переполнение и знак. Работа с новыми флагами, особенно вторым практически не поддерживалась. Точное назначение второго флага, типичного для знаковой арифметики, стало известным только в 2013, спустя 37 лет после появления 8085! Этот флаг позволяет за раз проверить выполнение отношений «больше или равно» или «меньше», но проверки для парных им отношений потребуют ещё работы с флагом нуля. Были ускорены на такт многие инструкции для работы байтовыми данными. Это было очень существенно, так как на многих системах с 8080 или z80 вводились такты задержки, которые из-за наличия лишних тактов на 8080 могли вытянуть время исполнения почти в два раза. Например, в отечественном компьютере Вектор инструкции типа регистр-регистр выполнялись 8 тактов, а если бы там стоял 8085 или z80, то эти же инструкции выполнялись бы только за 4 такта. Инструкция XTHL стала быстрее на два такта, а инструкции переходов даже на 3. С новыми инструкциями можно написать код для копирования блока памяти, который работает быстрее команд LDI/LDD процессора Z80! Программы для 8080 8085 также, как правило, исполняет несколько быстрее, чем Z80. Однако, некоторые инструкции, например, вызов подпрограммы, 16-битный инкремент и декремент, PUSH, загрузка SP и условные возвраты стали на такт медленнее.
8085 имеет встроенный последовательный порт ввода-вывода и улучшенную поддержку работы с прерываниями: в добавок к зависящему от внешнего контроллера способу, унаследованному от 8080, добавлена подддержка трех маскируемых и одного немаскируемого прерывания – это позволяет, при необходимости, обходиться без отдельного контроллера прерываний в системе. Работа с портом и с управлением прерываниями реализуется через инструкции SIM и RIM – только эти две новые инструкции были официально документированы. Однако, само обслуживание прерываний осталось таким же как и 8080 – очень минималистическим: при прерывании процессор не сохраняет даже слово состояния, это сохранение нужно явно прописывать в коде. Как уже отмечалось, работа со знаковой арифметикой так осталась несколько недореализованной. 16-битная арифметика также не получила поддержки некоторых очень желательных команд: сложения с переносом и вычитания. Такие команды были добавлены в Z80. В 8085 при сложении, например, 32-битных целых нужно использовать условный переход для учета переноса – это, кстати, тоже похоже на мейнфреймы IBM.
Однако, могу опять повторить формулу «по неизвестным автору причинам» Intel отказалась продвигать 8085 в качестве главного процессора. Только в 80-е появилось несколько довольно успешных систем на базе 8085. Первым в 1981 появился предшественник и почти конкурент IBM PC – IBM System/23 Datamaster. Затем в 1982 был выпущен очень быстрый компьютер с превосходной графикой Zenith Z-100, в котором 8085 работал на 5 Мгц. В 1983 в японской фирме Kyotronic был создан очень удачный наколенник KC-85, варианты которого производились и другими фирмами: Tandy производила TRS-80 model 100, NEC – PC-8201a, Olivetti – M-10. Всего их было выпущено возможно более 10 миллионов экземпляров таких компьютеров! В СССР/РФ в начале 90-х на основе отечественного клона ИМ1821ВМ85А были попытки усовершенствовать некоторые системы, например, компьютер Вектор. Удивительно, что главным процессором марсохода Sojourner, достигшем поверхности Марса в 1997, был 8085 с частотой 2МГц! Такой успех 8085 в 80-е во многом связан с тем, что в 1979 был готов 80C85, вариант 8085 с низким энергопотреблением. Упомянутый первый реально карманный компьютер Tandy 100 мог работать до 20 часов на одной зарядке! Возможно, что если бы не ARM, то 80C85 активно использовали бы в мобильных компьютерах и в 90-е.
Фактически фирма Intel дала z80 «зеленый цвет». Спустя несколько лет в битве за 16-битный рынок Intel повела себя совершенно иначе, начав тяжбу по запрещению продаж процессоров v20 и v30 в США. Интересно, что упомянутые процессоры японской фирмы NEC могли переключаться в режим полной бинарной совместимости с 8080, что сделало их самыми быстрыми процессорами архитектуры 8080.
Другая тайна фирмы Intel – в отказе от публикации расширенной системы команд, включая поддержку новых флагов. Впервые она была опубликована в журнале в 1979, а затем и некоторыми из производителей этого процессора. Однако опубликованная информация о новых флагах была весьма неполной. Каковы причины такого странного отказа? Можно лишь гадать. Может Zilog тогда играл роль, подобную которую когда-то возможно играл AMD, и создавал видимость конкуренции, а 8085 мог обрушить Zilog? Может дело в желании сохранять систему команд поближе к проектируемому тогда 8086? Последнее кажется сомнительным. Intel 8086 был выпущен спустя более 2 лет после выпуска 8085 и трудно поверить, что в 1975 уже была известна система его команд. И в любом случае, совместимость как с 8080, так и с 8085 на 8086 достижима только с использованием макропроцессора, заменяя иногда одну команду 8080/8085 (POP/PUSH PSW, Jcc, Ccc, Rcc, XTHL) на несколько своих. Причем две опубликованные новые инструкции 8085 (SIM, RIM) в 8086 не реализуемы вообще. Есть мнение, что отказ произошел только из-за сложностей в поддержке переноса на код 8086 новых флагов 8085. Действительно, такой перенос с поддержкой побитовой работы со словом состояния процессора получается крайне громоздким. Но 7 из 10 новых инструкций прямого отношения к использованию новых флагов не имеют и их можно было бы публиковать без создания сложностей по совместимости с 8086. Можно ещё предположить, что в Intel остались недовольны реализацией знаковой арифметики на 8085 и решили, что лучше скрыть, чем создать почву для постоянной критики. Хотя и в этом случае, семь новых инструкций можно было публиковать, а скрыть только флаги и три инструкции.
Особенно трудно объяснить, почему Intel не опубликовала информацию о новых командах уже после выпуска 8086. Можно только ещё предположить, что скорее всего дело было в маркетинге. Искусственно ухудшив спецификации 8085, получали на этом фоне более эффектный 8086.
Рискну предположить ещё одну версию. 8085 было очень трудно, почти невозможно расширить до реально 16-разрядного процессора. А 6502, имея незадействованными почти половину опкодов, мог легко быть расширен до 16-бит. Поэтому для Intel было важно создать тренд на переход к 16-битной архитектуре, без совместимости с 8-битной. Отказываясь от новой полезной функциональности 8085, как бы сообщали, что 8-битки это плохо и уже неважно, надо переходить на 16-бит. Что-то похожее происходило и вокруг 32-битной архитектуры, когда Intel создала ложный тренд на разработку сложного и бесперспективного Intel 8800 или iAPX 432.
Упомянутый клон 8080 производился в СССР с 1977 – это было рекордно быстро, его сделали всего через три года после появления оригинала. Интересно, что при этом использовалась технология, несколько отличная принятой в Intel. Из-за быстроты клонирования, СССР даже мог экспортировать эти чипы, это был единственный такой случай. А вот с клонированием 8085 получилась заминка до начала 90-х. Хотя с 1988 в СССР производился свой улучшенный 8080, КР580ВМ1, который мог тактироваться до 5 МГц и использовал только 5 вольт. Этот процессор при совместимости с 8080 имел множество дополнительных возможностей: он мог использовать дополнительные 64 КБ для данных, дополнительный регистр с функциональностью HL и сотни новых команд, среди которых мощные 16-разрядные. В целом, он значительно превосходил как 8085, так и Z80.
Motorola 6800 и близкие родственники
Процессоры Motorola всегда отличались наличием нескольких очень привлекательных «изюминок» при одновременном наличие каких-то несуразных по абстрактности и малопрактичности архитектурных решений. Главная «изюминка» всех рассматриваемых процессоров – это второй полноценный и очень быстрый регистр-аккумулятор.
6800 был первым в мире процессором, которому требовалось только один источник питания (5 вольт) – это было очень полезное новшество. Кроме того, на 6800 была также впервые реализована поддержка немаскируемых прерываний. Ho 6800 из-за единственности громоздкого для 8-битной архитектуры 16-битного индексного регистра получился неудобным для программирования и использования изделием. Он был выпущен ещё в 1974, ненамного позже 8080, но так и не стал основой для какой-либо известной компьютерной системы. Интересно, что разработчики 6502, Чак Педдл (Chuck Peddle) и Бил Менш, называли 6800 неправильным, «слишком большим». Однако, он и его варианты широко использовались как микроконтроллеры. Возможно тут стоит заметить, что Intel производила процессоры с 1971, что поставило Motorola в положение догоняющей стороны, для которой 6800 был самым первым процессором. И если сравнить 6800 не с 8080, а с его предшественником 8008, то 6800 окажется значительно предпочтительнее. Motorola почти догнала Intel с 68000/20/30/40. Можно ещё заметить, что в 70-е Motorola была значительно более крупной компанией, чем Intel.
Производились также многочисленные варианты 6800: 6801, 6802, 6803, 6805,… Большинство из них это микроконтроллеры с встроенной памятью и портами ввода-вывода. 6803 – это упрощенный 6801 и его использовали в сильно запоздалом (1983) для своего класса компьютере Tandy TRS-80 MC-10 и его французском клоне Matra Alice, которые были сравнимы с Commodore VIC-20 (1980) или Sinclair ZX81 (1981). Система команд 6801/6803 была значительно улучшена, были добавлены 16-битные команды, умножение,… Появилась необычная инструкция безусловного перехода (BRN – branch never), который никогда не выполняется! Некоторые инструкции стали чуть быстрее. Тут можно заметить, что архитектура 680x формировалась под сильным влиянием архитектуры PDP-11. Некоторые детали PDP-11 были скопированы скорее механически, например, бесполезные команды CLV и SEV.
680x полностью поддерживают работу с целыми числами со знаком, z80 и 6502 поддерживают её хуже, а у 8080 такой поддержки нет практически совсем. Однако в 8-битном программном обеспечении такая поддержка нужна была редко.
6809 был выпущен в 1978, когда с 8086 уже началась 16-битная эпоха, и имеет весьма развитую систему команд, включая умножение двух байтовых аккумуляторов с получением 16-разрядного результата за 11 тактов (для сравнения, 8086 требует от 70 тактов на подобную операцию). Два аккумулятора могут в нескольких случаях группироваться в один 16-разрядный, что даёт быстрые 16-битные инструкции. 6809 имеет три индексных регистра и рекордное среди 8-битных процессоров число методов адресации – 12. Среди методов адресации есть уникальные для 8-битных чипов, такие как индексная с автоинкрементом или декрементом, относительно счётчика команд (это позволяет писать перемещаемые инструкции – для 6502, Z80 или даже x86 и 68k такой возможности нет), индексная со смещением. Особенно стоит отметить косвенную адресацию, которую можно было использовать почти со всеми базовыми методами адресации. Можно, например, написать
LDD [,X++], что соответствует С-коду
short D, **X; D = **X++;, или
LDA [B,U]char A, B, **U; A = **(B + U);6809 имеет команду загрузки эффективного адреса, которой очень не хватает у PDP-11 и которая часто бывает очень полезна, например,
LEAX ,--Y;X = --Y;Однако, операции с памятью требует на такт больше, чем 6502 или 6800. Это и некоторые другие факторы сделали сверхдешевый компьютер на базе 6803 (MC-10) иногда быстрее более дорогих машин на базе 6809! Индексные регистры в 6809 так и остались неуклюжими 16-битными динозаврами в 8-битном мире, некоторые операции просто шокируют своей медленностью, например, пересылка одного байтового аккумулятора в другой занимает 6 тактов (дольше загрузки из памяти!), а обмен их содержимым – 8 тактов (сравните с 8080, где 16-битный обмен проходит за 4 такта)! Перемещаемая адресация медленнее неперемещаемой, а косвенная адресация нужна очень редко. Зачем-то предлагаются сразу два стека, возможно это было влияние тупиковой архитектуры VAX-11 – в 8-битной архитектуре с 64 КБ памяти выглядит скорее несуразно. Нет инструкций для сравнения регистров. И даже наличие инструкции с интересным названием SEX всех проблем 6809 устранить не может. В целом, 6809 всё же несколько быстрее 6502 на той же частоте, но требует такую же по быстродействию память. Мне удалось сделать деление для 6809 с 32-разрядным делимым и 16-разрядным делителем (32/16=32,16) за примерно в среднем 480 тактов, для 6502 у меня не получилось добиться менее 530 тактов. Второй аккумулятор – большое преимущество, но другие возможности 6502, в частности, инвертированный перенос, сводят это преимущество только к приведенным примерно 10%. А вот умножение на 16-битною константу оказалось медленнее, чем табличное для 6502 с таблицей на 768 байт. 6809 позволяет писать довольно компактные и быстрые коды, используя адресацию установленной страницы (direct page), но эта адресация делает коды довольно путанными. Суть этой адресации в установке старшего байта адреса данных в специальном регистре и указании только младшего байта адреса в командах. Такая же система только с фиксированным значением старшего байта используется в 6502, где она называется адресацией нулевой страницы (zero page). Адресация установленной страницы – это прямой аналог использования сегментного регистра DS в x86 только не для сегментов размером 64 КБ, а для сегментиков размером всего 256 байт. Ещё одна надуманность архитектуры 6800 в использовании порядка байт от старшего к младшему (Big Endian), что притормаживает 16-битные операции сложения и вычитания. 6809 несовместим по кодам инструкций с 6800 – можно только исходники от 6800 транслировать в код 6809, что аналогично случаю с 8080 и 8086. Фактически семейство 680x – это набор из примерно десятка семейств бинарно несовместимых процессоров. В этом материале рассматриваются только два таких семейства: 6800 (6801, 6803) и 6809 (6309). Остальные семейства использовались только в качестве контроллеров, одним из лучших среди которых – это чип 68HC12, который имеет превосходную плотностью кодов. Семейство 680х выделяется на фоне процессоров других компаний необычными странностями при работе с флагами. Например, команды записи в память (ST) ставят флаги, а команды загрузки регистра из стека (PUL) нет. Другой пример, команда зануления CLR всегда зануляет флаг переноса. 6809 стал последним универсальным 8-битным процессором от Motorola, в дальнейших разработках вместо него было решено использовать 68008.
Можно предположить, что Motorola потратила немало средств для продвижения 6809. Это сказывается до сих пор при упоминании об этом процессоре. Про 6809 имеется много благоприятных отзывов, отличающихся некоторой туманностью, обобщениями и неконкретностью. 6809 позиционировался как 8-битный суперпроцессор для микромейнфреймов. Для него даже был сделан почти Unix, операционные системы OS-9 и UniFlex. Он был выбран как основной процессор для Apple Macintosh и, как следует из фильмов о Стиве Джобсе, только его эмоциональное вмешательство определило переход на более перспективный 68000. Конечно, 6809 – это хороший процессор, но в целом лишь незначительно лучший своих появившихся гораздо раньше конкурентов 6502 (на три года раньше) и z80 (на два). Можно только гадать, что бы было, если бы Motorola хотя бы половину усилий потраченных на разработку и продвижение 6809 потратила на развитие 6502.
6809 использовался в нескольких довольно известных компьютерных системах. Наиболее известные среди них – это американский компьютер Tandy Color или Tandy Coco, а также их британский или точнее валлийский клон Dragon-32/64. Интересно, что в этих компьютерах частота 6809 была явно искусственно занижена и составляла всего 0.89 МГц. Компьютерные рынки 80-х отличала значительная нетранспарентность и Tandy Coco распространялись в основном только в США, а Драконы помимо собственно Великобритании получили некоторую популярность и в Испании. Во Франции 6809 почему-то стал основой для массовых компьютеров 80-х серии Thomson, которые так и остались практически неизвестными где-либо ещё кроме Франции. 6809 также использовался в качестве второго процессора по крайней мере в двух системах: в серии Commodore SuperPET 9000 и в очень малотиражной приставке для TUBE-интерфейса компьютеров BBC Micro. Использовался этот процессор и в других менее известных автору системах, в частности, японских. Он также получил некоторое распространение в мире игровых консолей. Стоит упомянуть одну из таких консолей, Vectrex, которая использует уникальную технологию – векторный дисплей.
Цветной КоКо 3680x имеют интересную недокументированную инструкцию с интересным названием «Остановись и поджарься» (Halt and Catch Fire – HCF), которая используется для тестирования на уровне электроники, например, осциллографом. Её использование приводит процессор к зависанию, из которого можно выйти только его перезапуском (reset). Эти процессоры имеют и другие недокументированные инструкции. В 6800 есть, например, инструкции симметричные непосредственной загрузке регистра константой, т.е. инструкции непосредственной выгрузки регистра в адрес следующий за этой инструкцией!
Как и 8080, 8085 или z80, 6809 очень трудно называть чисто 8-битным. А 6309 даже формально трудно назвать 8-битным, его производила японская фирма Toshiba (точный год начала его производства мне найти не удалось, но есть некоторые данные, указывающие на 1982) как процессор, полностью совместимый с 6809. Однако, этот процессор можно было переключать в новый режим, который при сохранении почти полной совместимости с 6809 предоставлял почти на порядок большие возможности. Эти возможности были скрыты в официальной документации, но были опубликованы в 1988 в сети Usenet. Были добавлены ещё два аккумулятора, но инструкции с ними существенно медленнее, чем с первыми двумя. Интересно, что новый 16-битный регистр W, собираемый из этих новых аккумуляторов, получился настоящим регистром общего назначения, – его можно использовать как адресный и как регистр данных. Сильно сокращено время исполнения большинства инструкций. Добавлены ряд команд, среди которых просто фантастическое для процессоров такого класса знаковое деление 32-битного делимого на 16-битный делитель (32/16=16,16) за 34 такта, причем делитель берется из памяти. Появилось также 16-разрядное умножение с 32-разрядным резульtтатом за 28 тактов. Были также добавлены очень полезные инструкции для быстрого копирования блоков памяти с временем исполнения 6 + 3n, где n – это число копируемых байт, копировать можно как с уменьшением, так и с увеличением адресов. Эти же инструкции можно использовать и для быстрого заполнения памяти заданным байтом. При их исполнении могут происходить прерывания. Появились ещё новые битовые операции (странные загрузка/выгрузка отдельного бита четырехоперандными командами и необычные двухоперандные безрегистровые операции с памятью), нуль-регистр, регистровые сравнения и др. Были ещё добавлены прерывания при исполнении неизвестной инструкции и при делении на 0. В каком-то смысле, 6309 – это вершина технологических достижений среди 8-битных процессоров или точнее процессоров с размером адресуемой памяти 64 КБ. Однако, некоторые новые команды 6309 являются практически бесполезными (ASLD, LSRD, ASRD, ADCD, ROLD, ...), они по размеру и скорости исполнения совершенно аналогичны последовательности из двух команд для 6809.
6309 полностью совместим по клеммам с 6809, что сделало его популярным апгрейдом для цветных Taнди или Драконов. Существуют и специальные версии ОС, использующиe новые возможности 6309.
Клоны 680x производились, в частности, в Японии и Болгарии, но не в СССР.
MOS Technology 6502 и WDC 65816
Это процессор с очень драматической судьбой. Ни один другой процессор в этом с ним сравниться не может. Его появление и внедрение сопровождалось очень большими по размаху и последствиям событиями. Перечислю некоторые из них:
- ослабление фирмы-гиганта Motorola, возможности которой какое-то время превосходили возможности Intel;
- уничтожение фирмы MOS Technology;
- прекращение развития 6502 и его стагнационный выпуск практически без модернизации.
Всё началось с того, что в Motorola по неизвестным вполне причинам отказались поддержать инициативного инженера, Чака Педла, предлагавшего улучшить в целом довольно посредственный процессор 6800, сделать его быстрее и, главное, значительно дешевле. Ему и пришлось покинуть компанию и продолжить свои наработки в небольшой, но перспективной фирме MOS Technology. Он смог уговорить семь других инженеров последовать за ним и только один из них впоследствии вернулся в Motorola. В MOS Technologyони они вскоре подготовили два процессора 6501 и 6502, сделанных по технологии NMOS. Первый был совместим по разъему с 6800, а в остальном они были идентичны. Команде 6501/6502 удалось успешно внедрить новые технологию производства чипов, что радикально удешевило новые процессоры. В 1975 MOS Technology могла предлагать 6502 за $25, в то время как стартовая цена на Intel 8080 и Motorola 6800 была в 1974 $360. В 1975 Motorola и Intel снизили цены, но они все равно были близки к $100. Специалисты MOS Technology утверждали, что их процессор до 4-х раз быстрее, чем 6800. Мне это кажется сомнительным: 6502 гораздо быстрее может работать с памятью, но второй аккумулятор 6800 очень ускорял многие вычисления. Оценочно могу предположить, что 6502 был в среднем быстрее не более, чем в 2 раза. Как следует из некоторых публикаций уже в 1975 в MOS Technology были планы проводить расширение 6502 до 16-разрядного уровня. Однако, успели только выпустить чуть улучшенный чип в 1976, поддерживающий инструкцию вращения вправо.
MOS 6501 рвет конкурентов: Intel и Motorola уже вычеркнуты!Но Motorola начала судебный процесс против своих бывших сотрудников – те якобы использовали технологические секреты фирмы. В ходе процесса удалось установить, что один из инженеров, ушедших из Motorola, вынес некоторые конфиденциальные документы по 6800, действуя вопреки установкам своих коллег. Был ли это его собственный поступок или за ним стояли какие-то направляющие силы до сих пор неизвестно. В итоге Motorola вынудила MOS Technology, чьи финансовые возможности были весьма невелики, выплатить значительную сумму в $200000 и к отказаться от производства 6501. Intel в похожей ситуации с Zilog действовала совсем не так. Хотя надо признать, что MOS Technology действовола иногда слишком рисковано, когда пыталась использовать большие деньги, потраченные Motorola на продвижение 6800, в своих целях. Ирония ситуации заключается в том, что, как отмечал лидер команды разработчиков 6502, они с 6501 просто хотели сделать «предупредительный выстрел» и посмотреть, что из этого получится. Цели предлагать использовать 6501 вместо 6800 не было. Реально 6501 никогда и не продавался. Тут ещё можно заметить, что 6501 был всё же не совсем совместим с аппаратурой для 6800, он и 6502, в частности, не поддерживал работу с тремя состояниями выводов и поэтому не мог использоваться напрямую, например, с аппаратурой с прямым доступом к памяти, как 6800.
Мы до сих пор в точности не знаем, почему Motorola выиграла тяжбу с MOS Technologies. Возможно просто у MOS Technologies закончились деньги, их на процесс было потрачено до $800000, а деньги тогда были в несколько раз весомее, чем сейчас. Хотя были и другие факторы. Вроде упомянутого выноса документов. Известно ещё, что, например, чип параллельного интерфейса 6520, производимый в MOS Technology, был точной копией Motorola 6820. Всем, кто ушёл из Motorola, пришлось подписать своё согласие с решением по иску, так как перед началом процесса они подписали бумагу с тем, что они признают любой его результат.
Далее в истории появляется легендарная фирма Commodore и её не менее легендарный основатель Jack Tramiel, в тени которого находилась фигура главного финансиста фирмы, определяющего её политику – человека по имени Irving Gould. Джек получил кредит у Ирвинга и на эти деньги, используя несколько, мягко сказать, недобросовестную тактику, вынудил MOS Technology стать частью Commodore. После чего, возможно и вопреки желанию Трамела, вынужденного уступать Гуду, разработка 6502 практически остановилась и это при том, что ещё в 1976 удалось произвести опытные образцы 6502 с рабочими частотами до 10 МГц, хотя сообщение об этом появилось только спустя многие годы от человека по имени Bill Mensch (он был в команде, покинувшей Motorola), который не раз делал громкие, но по большому счету пустые заявления и сыграл в судьбе 6502 довольно неоднозначную роль. Чак Педдл навсегда был отстранён от разработки процессоров. Работать с 6502 продолжили не только в Commodore, но и в фирме, созданной Биллом Меншем, Western Design Center (WDC). Любопытно, что никто из прежней команды 6502 не работал с ним в дальнейшем. Кстати, это именно Бил Менш разработал упомянутый выше 6820, который превратился в 6520. Возможно если бы развитие 6502 не было остановлено, то он мог бы превратиться в основной процессор для персональных компьютеров. У IBM, например, были планы по созданию своего первого массового ПК на базе 6502. В качестве первого шага в этом направлении там собирались купить компанию Atari, которая одной из первых стала использовать этот процессор.
Но на этом драма вокруг 6502 не закончилась. В 1980 в журнале AIM65 Interactive фирмы Rockwell появилась короткая анонимная статья, о том, что все 6502 несут в себе опасного бага, который получил название JMP (xxFF). Тон статьи предполагает, что-то совершенно из ряда вон выходящее. Впоследствии этот настрой перешёл в позицию фирмы Apple по этому вопросу и стал неким мейнстримом. Хотя никакого «бага», строго говоря, не было. Конечно, специалисту, привыкшему к комфортным процессорам больших систем тех лет, одна из особенностей, вполне уместных и даже полезных среди микропроцессоров, могла показаться чем-то раздражающим, багом. Но на самом деле это, задевшее чьи-то чувства, поведение было описано в официальной документации от 1976 года и в учебниках по программированию, вышедших до появления упомянутой статьи. «Баг» был ликвидирован Билом Меншем, сделавшим 65С02 (CMOS 6502) к 1982. Автор этого материала сам сталкивался несколько раз с проблемой этого «бага». Ничего не зная о нем, писал программы для Коммодоров. Потом одну из них перенес на системы, где использовался набор команд 65С02. Возникла несовместимость, пришлось менять коды, делать условную компиляцию. Код для 65С02 получился более громоздким и медленным. Потом поднимал этот вопрос на форуме 6502.org, где большинство участников из мира Apple. Спросил, может ли кто-нибудь привести пример, когда означенный «баг» рушил программу. Получил только эмоциональные и общие замечание, конкретного примера так и не было предложено. Иронично, что в официальной документации WDC «баг» не называют прямо багом, а скорее какой-то странностью, вывертом
Баг!!!В то время как Intel, Motorola и другие сделали уже 16-битные процессоры новых поколений, 6502 был лишь микроскопически улучшен и сделан искусственно частично несовместимым с самим собой. Даже если сравнивать улучшения, сделанные в Motorola 6801 по сравнению с 6800 или в Intel 8085 по сравнению с 8080, то они окажутся гигантскими по сравнению с теми, что были сделаны в 65C02. Кроме того, Intel и Motorola сделали их значительно раньше. В 65C02 был сделан ряд небольших изменений, которые, в частности, привели к изменению в ходе исполнения нескольких инструкций, которые стали медленнее на такт, но при этом в каком-то надуманном академическом смысле они стали более правильными. Речь идёт об упомянутом «баге» и инструкциях десятичной арифметики. Последние были «скорректированы» так, что флаги oVerflow, Negative и Zero стали работать «корректно». Однако, при работе с десятичными числами на 6502 (и других микропроцессорах) знак не поддерживается и соответственно флаги N и V не имеют для них никакого смысла. Только коррекция флага нуля имеет какой-то смысл, но крайне незначительный. Были также добавлены десятки новых инструкций, абсолютное большинство которых лишь занимали кодовое пространство, почти ничего не добавляя к возможностям 6502, что оставляло меньше кодов для возможных дальнейших модернизаций. Но, надо признать, что несколько новых инструкций оказались ожидаемыми и полезными, например, BIT с новыми адресными режимами и
JMP (ABS,X). И опять надо признать, что новые инструкции позволяют получать чуть-чуть более быстрые и компактные коды. Новая инструкция WAI позволяет реагировать на прерывания совсем без задержек! Кроме того, четыре сравнительно редкие инструкции стали на 65C02 иногда на такт быстрее. Можно ещё добавить, что 65C02 стал занулять флаг десятичного режима при прерывании, что позволяет иногда делать обработчик прерываний на 2 цикла быстрее и на 1 байт короче – это крошечное улучшение хорошо иллюстрирует общий объем улучшений, сделанных в 65C02.65C02 был лицензирован многим фирмам, в частности, NCR, GTE, Rockwell, Synertek и Sanyo. Он использовался в Apple II, начиная с моделей IIe, хотя многие IIe использовали NMOS 6502. Вариант 65С02 6512 использовался также в поздних моделях BBC Micro. Atari использовала NMOS 6502, хотя там была попытка перехода на CMOS, но из-за обнаруженных проблем, в частности, на 65C02 не шла известная игра Asteroids, от этих попыток отказались. Commodore так и не выпустил компьютера на базе CMOS 6502, хотя в некоторые прототипы его использовали. Фирмы Synertek и Rockwell помимо CMOS 6502 производили и NMOS 6502. Кстати, NMOS 6502 имеет свой набор недокументированных инструкций, природа которых совершенна отлична от «секретных» команд 8085. В 6502 эти инструкции появились как побочный эффект, поэтому большинство из них скорее бесполезны, но несколько, например, загрузка или выгрузка одной командой сразу двух регистров и некоторые другие могут сделать код более быстрым и компактным.
Интересно, что NMOS 6502, совместимого с 65C02, так и не сделали. Хотя в начале 80-х технология CMOS не имела явных преимуществ (кроме пониженного энергопотребления) перед NMOS и её развитием HMOS и при этом была заметно дороже. Стоит конечно заметить, что WDC смогла создать CMOS процессор всего лишь спустя несколько лет после того, как Intel и Motorola сделали CMOS варианты своих процессоров 8085 и 680x. В этом она значительно опередила Zilog, где CMOS вариант Z80 был создан только к 1987 году. Однако, если CMOS 8085 и Z80 сразу нашли широкое употребление в мобильных компьютерах, то низкое энергопотребление 65C02 нашло свое применение в компьютерах сравнительно поздно, могу назвать лишь игровую консоль Atari Lynx, производившуюся с 1989. Стоит ещё заметить, что само по себе внедрение технологии CMOS – это вполне рутинный процесс, через который другие процессоры (x86, 68k, ...) прошли практически незаметно.
Были и другие попытки модернизировать 6502. В 1979 появилась статья, что для компьютеров Atari готовится к производству процессор 6509 (не путать с появившимся позже процессором с таким же названием фирмы Commodore), в котором ожидалось ускорение исполнения команд на 25% и много новых инструкций. Но по неизвестным в точности причинам производство этого процессора так и не состоялось. Commodore проводила лишь микроскопические модернизации. С точки зрения программирования самым интересным является процессор 6509, который пусть и в очень примитивной форме с помощью всего двух специально выделенных для этой цели инструкций и двух байт нулевой страницы позволяет адресовать до 1 МБ памяти. В сверхпопулярных Коммодорах 64 и 128 стояли процессоры 6510/8510, а в менее удачливых серии 264 – 7501/8501. Эти процессоры имели лишь соответственно 6 и 7 встроенных битовых портов ввода-вывода, при этом 7501/8501 не поддерживали немаскируемых прерываний. Кроме того, на этих процессорах реализовали поддержку с логикой трех состояний, что было необходимо для работы с видеоконтроллерами на C64 и C264. Фирмы Rockwell и WDC производили вариант 65C02 со своим расширенным 32 битовыми операциями (похожи на битовые инструкции z80) набором инструкций, однако, насколько мне известно, в компьютерах такие процессоры не использовались и сами эти битовые инструкции имели значение скорее только для использования во встроенных системах. Это расширение, кстати, тоже произвёл Билл Менш. Получается, что Билл работал над 6502, только имея конкретные заказы, и никогда не пытался сам в чем-то этот процессор улучшить.
Последняя сцена драмы с участием 6502 обозначилась в недопущении компьютеров на базе 6502 с частотой 2 МГц на рынок США в первой половине 80-х. Это коснулось иностранца-англичанина BBC Micro, их производившая фирма Acorn сделала большую партию компьютеров для США, но, как оказалось, зря. Сработала какая-то блокировка и компьютеры пришлось срочно переделывать под европейские стандарты. Полуамериканские, но формально канадские компьютеры Commodore CBM II (1982) со стильным Porsche-дизайном, несмотря на некоторые проблемы (в частности, по соответствию стандартам на электрооборудование), были всё же допущены. Однако почему-то Commodore продавала эти компьютеры, как и позднее компьютеры Amiga, в основном за пределами США… Более того, с 1984 Commodore вообще тихо свернула производство своих оригинальных офисных компьютеров и стала вместо них производить свои IBM PC совместимые клоны. Уничтожив, тем самым, идею вертикальной интеграции, ради которой Джек Трамел, с одной стороны, фактически уничтожил инновационную компанию MOS Technology, а с другой, попал в зависимость от Гуда. Как минимум одна из публикаций даже пишет, что Джеку пришлось продать свою душу ради этой идеи! Последним в списке неудачников оказался 100% американский Apple III (1980) – известно, что Стив Джобс, как и менеджмент Apple в целом, сделали много, чтобы этот этот компьютер не состоялся. Джобс требовал явно невыполнимых спецификаций, а менеджмент – нереальных сроков. Удивительно, что по одному из требований менеджмента, Apple III должен был быть только ограниченно совместимым с Apple II! В Apple III Plus, выпущенном в 1983, удалось устранить некоторые недостатки Apple III, но менеджмент Apple тихо закрыл проект в 1984 возможно из-за нежелания иметь конкуренцию с компьютером Macintosh. Только в 1985, когда эпоха 8-битной техники начала уходить, появился Commodore 128, который мог использовать в одном из своих режимов 6502 с тактом на 2 МГц. Но и тут получился скорее анекдот, так как этот режим практически не поддерживался и программ для него практически нет. В этом же году должен был быть выпущен перспективный наколенник Commodore LCD с 65C02 @2MHz. Однако, несмотря на успешную публичную демонстрации проект был почему-то закрыт. Только во второй половине 80-х в США стали производить приставки-ускорители для Apple II, а с 1988 и модель Apple IIc+ c процессором на 4 МГц. Почему так случилось? Возможно потому, что 6502 на 2 или 3 МГц (а такие уже производились в самом начале 80-х) на ряде задач и в особенности с играми могли успешно конкурировать с системами на основе Intel 8088 или Motorola 68000. В 1991 волевым решением корпорация Commodore закрыла интересный, хотя и запоздалый проект С65 на базе процессора 4510 с частотой 3.54 МГц. Чип 4510 был сделан на основе процессора 65CE02, который в свою очередь сделан на основе WDC 65C02. 65CE02 – это самый быстрый 6502, сделанный только в 1988, в нём была проведена наконец упоминавшаяся раннее оптимизация циклов, давшая 25% прирост скорости. Таким образом, процессор в С65 по быстродействию близок к системам с 6502 на 4.5 МГц. Удивительно, но этот самый быстрый 6502 с расширенным набором инструкций (в каких-то деталях это расширение получилось более удачным, чем в 65816) нигде с тех пор так и не нашёл применения.
C128 и Apple III Plus имели блок управления памятью (MMU), что позволяло использовать несколько стеков и нулевых страниц, адресовать более 64 КБ памяти, и др. В C128 MMU был искусственно урезан для работы только со 128 КБ памяти. Для BBC Micro выпускались приставки с 6502 на 3 Мгц (1984) и 4 МГц (1986).
Антиреклама – множественные Porsche PET в апартаментах злодея из Жемчужины Нила (1985) – эра «только Apple» в Голливуде ещё не наступилаТеперь несколько слов о системе команд 6502. Главная особенность этого процессора в том, что его сделали почти максимально быстрым, практически без лишних тактов, которых особенно много в процессорах 8080/8085/z80/8088/68000. Фактически это была идеология появившихся позднее и под прямым влиянием 6502 процессоров архитектуры ARM. Эта же идеология доминирует, начиная с 80486, и среди процессоров Intel. Кроме того, 6502 максимально быстро реагировал на прерывания, что делало его очень полезным в некоторых встроенных системах. У 6502 один аккумулятор и два индексных регистра, кроме того первые 256 байт памяти можно использовать в специальных командах либо как более быструю память, либо как набор 16-разрядных регистров (которые почти идентичны по своей функциональности регистрам BC и DE в 8080/z80) для довольно мощных способов адресации. Некоторые арифметические команды (сдвиги, вращение, инкремент и декремент) можно использовать с памятью непосредственно, не используя регистры. 16-разрядных команд нет – это 100% 8-битный процессор. Поддерживаются все основные флаги кроме характерного архитектуре Intel флага чётности. Есть ещё несколько необычный флаг малополезного 10-го режима, который заменил флаг полупереноса, используемый большинством других процессоров. Процессоры Intel и Motorola используют специальные корректирующие инструкции для работы с десятичными числами, а 6502 может переключаться в 10-й режим, что делает его преимущество по скорости с 10-ми числами ещё более значительным, чем с двоичными. Очень впечатляет наличие для 6502 табличного умножения 8-битных операндов с получением 16-битного результата за менее, чем 30 тактов, при размере вспомогательной таблицы в 2048 байт. 6502 использует простейший конвейер инструкций, который позволяет ускорить время исполнения многих инструкций на 1 такт. Медленнее всего у 6502 получаются операции массового копирования памяти – от 14 тактов на байт. Система инструкций 6502 в некоторых частностях необычно асиммeтрична, например, есть инструкция загрузки регистра Y
LDY addr,XSTY addr,XСамым главным недостатком 6502 считается маленький стек, всего 256 байт. Однако для системы с объемом памяти 64 КБ этого, как показала практика, обычно вполне достаточно. В 6502 мало регистров и поэтому нагрузка на стек меньше, чем, например, у 8080, 6809 или Z80. Кроме того, архитектура 6502 естественно предполагает организацию добавочного стека на нулевой странице – такой стек особенно хорош при работе с указателями, так как адресация типа (zp,X) идеально подходит для таких случаев. Конечно, размер такого добавочного стека очень ограничен и на многих системах не может быть больше нескольких десятков байт. Помимо этого можно организовать стеки любого объема на основе abs,X/Y-адресации. Дополнительные стеки можно использовать только для данных, например, параметров подпрограмм, для хранения адресов возврата альтернативы основному стеку нет.
Поддержка аппаратных прерываний на 6502 реализовано просто и эффективно. Для маскируемых и немаскируемых прерываний в памяти выделяется два фиксированных адреса, куда записываются адреса соответствующих обработчиков. Примерно так же, но ещё проще, позднее сделали самый популярный режим 1 прерываний в Z80. А вот программные прерывания в 6502 сделаны совсем примитивно: они используют адрес для маскируемых прерываний, что требует громоздких дополнительных программных проверок для их различения. Именно для этого среди флагов 6502 присутствует уникальный флаг программного прерывания. Кроме того, у инструкции программных прерываний нет аргумента, хотя такой аргумент можно добавлять ценой усложнения процедуры обработчика. Из-за того, что возможность для обработки программных прерываний значительно замедляет обработку аппаратных, поддержка программных прерываний довольно часто просто не реализуется.
6502 может работать параллельно с другим устройством, например, другим 6502. Такие двухпроцессорные системы встречались крайне редко. В качестве примера таких систем мне известны только несколько весьма редких моделей дисководов Commodore. Вместо второго процессора обычно использовался видеоконтроллер, который использовал общую с 6502 память.
6502 довольно хорош для симуляции других процессоров. Ещё в 70-е был написан симулятор 8080. Мне известны случаи переноса кодов с Z80, PDP-11, 8086 на платформу 6502.
65816 был выпущен WDС в 1983. Это был первый случай, когда был сделан 16-битный процессор, совместимый со своим 8-битным предшественником, – для Z80 подобные разработки (Z800, Z180, Z380, eZ80, ...) стали появляться только с 1985. Кроме того, это был один из первых 16-битных процессоров, изготовленных по технологии CMOS! Можно удивиться тому, что WDC 65816 не поддерживает дополнительные битовые инструкции WDC 65C02. Интересно, что спецификации нового процессора Билл Менш получил от Apple. Конечно, это был большой шаг вперёд, но явно запоздалый и с большими архитектурными изъянами. 65816 уже никем не рассматривался как конкурент для основных процессоров Intel или Motorola – это уже был второстепенный аутсайдер, который уже как-то запрограммировано был настроен на дальнейшую потерю позиций. 65816 имел два важных плюса – он был сравнительно дешёв и почти совместим с по-прежнему весьма популярным 6502. В последующие годы Бил Менш даже не пытался как-то улучшить своё детище, сделать оптимизацию циклов, заменить адресацию нулевой страницы расширенной с использованием регистра Z (это было сделано в 65CE02), добавить хотя бы умножение,… WDC только повышала предельные тактовые частоты, дойдя к середине 90-х до 14 МГц (такой процессор использовался в популярном ускорителе для С64 SuperCPU на частоте 20 МГц). Однако даже сейчас (2020!) WDC предлагает 65816 почему-то только на тех же 14 МГц. 65816 может использовать до 16 МБ памяти, но используемые для этого методы адресации выглядят далёкими от оптимальных. Например, индексные регистры могут быть только 8- или 16-разрядными, стек можно помещать только в первые 64 КБ памяти, только там же можно использовать удобную короткую адресацию установленной страницы (direct page — обобщение zero page), работа с памятью выше более 64 КБ сравнительна неуклюжа,… 65816 имеет 16-разрядное АЛУ, но 8-разрядную шину данных, поэтому на арифметических операциях он лишь примерно на 50% быстрее чем 6502. 65816 может использовать 4 типа кодов и имеет два основных режима работы (всего режимов 10, в 6502 их было только 2) – это делает программирование и отладку более трудными. Как и на 8088 переходы и вызовы подпрограмм могут быть как короткими, так и длинными. И как и на 8088 работа с массивами, большими 64КБ, весьма громоздка. Тем не менее 65816, по словам Билла Менша, был выпущен в количестве более миллиарда.
Конечно, ряд команд 65816 явно дополняют пробелы в архитектуре 6502, например, команды массового копирования памяти за 7 тактов на байт, а также адресные режимы для работы со стеком. Улучшена работа с программными прерываниями. 65816 использует почти все коды инструкций (255 из 256). Последний неиспользованный код предназначен для длинных будущих инструкций, которые так и не появились. Интересно, что 65816 делался родственниками, самим Биллом и его сестрой. Кстати, упомянутая инструкция для будущих длинных команд называется WDM – это инициалы самого Билла, на котором развитие 6502 остановилось! Несколько заброшенное состояние 65816 в WDM также иллюстрируется фактом наличия в реализации этого процессора на Verilog от WDM ошибок, которые возможно не устранены до сих пор.
Apple IIx, в разработке которого активное участие принимал Стив Возняк, должен был использовать 65816, но наладить производство этого процессора удалось только в 1984 и первые партии 65816 были бракованными, что вызвало чрезмерные задержки и в итоге закрытие всего проекта.
Есть ещё вариант 65816 65802, который использует 16-разрядную шину адреса и совместим по разъему с 6502. Предлагались апгрейды для Apple II на основе этого процессора, но ускорения с таким апгрейдом возможно получить только на специально для него написанных программах.
6502 использовался в большом числе компьютерных систем, самые популярные из которых – это 8-битные Commodore, Atari, Apple, Acorn, NES. Commodore PET, в разработке которого активное участие принимал Чак Педдл, появился в продаже на полгода раньше Apple ][, хотя его массовое производство наладилось только на полгода позже Apple ][. Он и его варианты стали первыми компьютерами, широко использовавшимися в школах США и Канады, – можно только удивляться, почему Commodore так легко сдала свои позиции Apple в этом бизнесе. Также удивительно, что Commodore легко сдала свои неплохие позиции в бизнесе редактирования текстов, где впоследствие Amstrad добилась впечатляющих успехов. Как уже упоминалось выше, по неясным причинам произошел отказ от производства очень перспективной модели Commodore LCD, тем самым был проигнорирован стремительно растущий рынок мобильных устройств. Однако, Commodore VIC-20 стал первым домашним компьютером, продажи которого превзошли миллион штук. Commodore 64 стал самым массовым ПК в истории, их было продано до 17 миллионов штук. Игровые консоли Atari, производимые с 1977 до 1996, были проданы в количестве примерно 35 миллионов! Но это не рекорд, японских игровых консолей NES было продано около 62 миллионов в период с 1983 по 2003. Кстати, в NES использовали вариант 6502 фирмы Ricoh без поддержки десятичного режима. Возможно из-за его почти полной бесполезности, но возможно просто из-за нежелания связываться с патентом MOS Technology на этот режим. Можно наверное утверждать, что для большинства пользователей до конца 80-х дверью в мир цифровых технологий был именно 6502. 6502 использовался в качестве контроллера клавиатуры в компьютере Commodore Amiga, а два 6502 на 10 МГц использовались в высокопроизводительном Apple Macintosh IIfx. Процессор на основе 6502 используется в известной игрушке Томагочи, выпущенной наверное в более сотни миллионов экземпляров. 65816 применялся в довольно популярном компьютере Apple IIgs, а также в редком английском компьютере Acorn Communicator. Игровые консоли Super NES на базе 65816 производились с 1990 по 2003, их было продано около 50 миллионов. 65816 использовался также в некоторых ранних моделях электронных книг.
Интересно, что из трех массовых ПК (так называемая «святая троица»), появившихся в 1977, два были на 6502 и только один на Z80. К сожалению, важнейшие американские производители компьютеров (Apple, Tandy RadioShack, IBM), начиная с 80-х не публиковали информацию о числе произведенных ими ПК.
В 1984 в журнале Byte на фоне картинок с красными знамёнами, Лениным и марширующими солдатами появилась статья о плохой копии компьютера Apple ][, сделанной в СССР. В этой статье приводилась любопытная цена на этот компьютер – $17000 (это абсурдное число, реальная цена первых серийных Агатов в комплекте с монитором и принтером была примерно 4000 руб.) и иронично указывалось на то, что советским производителям придётся сильно (dramatically) понизить цену, если они захотят продать своё изделие на Западе. Это был материал о прототипе Агата, в котором вместо 6502 использовали его аппаратный эмулятор. Агат использовался в основном в школьном образовании. Старшие модели Агатов могли были почти на 100% совместимы с Apple ][ и имели некоторые довольно полезные расширения. Удивительно, что процессоры для Агатов и болгарских клонов Apple II массово закупались в США – это было исключительный случай, когда процессоры массово закупались, а не клонировались. В Болгарии все-таки удалось наладить небольшое производство своего клона 6502 к середине 80-х. А в СССР удалось сделать клон 65C02 только к концу 80-х. Интересно, что отечественный клон 6502 можно было разгонять до 5 МГц повышением напряжения питания с 5 до 15 вольт – для Агата существовала плата с таким ускорителем.
Можно лишь попытаться фантазировать на тему о том, что бы было, если бы 6502 смог развиваться теми же темпами, что и его конкуренты. Мне кажется, что постепенный перенос памяти нулевой страницы в регистры, улучшение конвейра инструкций и постепенное расширение системы команд с одновременной оптимизацией циклов, позволило бы «терминатору» 6502 оставаться в лидерах по быстродействию до начала 90-х. Введение режима 16, а затем 32 бит позволило бы использовать большие объемы памяти и более быстрые команды. Смогли бы его конкуренты что-то этому противопоставить?
Билл Менш смог обеспечить некоторую поддержку развитию 6502. Однако возможностей одного человека для поддержки конкурентоспособности процессора явно недостаточно. Билл, как превосходный инженер-электронщик, смог обеспечить поддержку исполнения заказов на модернизацию 6502, но обеспечение независимой разработки успешного процессора требовало команды. Кому-то надо было заниматься разработкой модернизации системы инструкций, кому-то разрабатывать новые маркетинговые стратегии и т.п. Кроме того, для разработки были потеряны, как минимум, 1976-78 годы и одному человеку наверстать упущенное было уже не под силу. В каком-то смысле, WDC создала иллюзию благополучия вокруг ситуации с развитием 6502 и это имело для реального развития скорее негативный эффект.
Хотя сам Чак Педдл видел будущее 6502 скорее как дешевого контроллера и конкурента не для Z80, а скорее для микроконтроллеров типа Intel 8048 и процессоров типа 6800, которые обычно использовали только как контроллеры. В 2014 он работал над твердотельным накопителем, в котором использовал 10 штук контроллеров на основе 6502. В начале 80-х он вместе с компаньоном создали компанию, в которой он в 1981 разработал компьютер Victor 9000. В качестве процессора там использовался 8088 – Чак считал, что 6502 для персонального компьютера будет не лучшим выбором.
Интересно, что сам Чак как и некоторые другие ключевые фигуры ИТ США 1970-х и 1980-х пошел работать с высокие технологии с идеей предотвратить отставание от СССР в развитие ИТ. Эта идея была весьма популярна после запуска Спутника. Тут можно ещё упомянуть ключевую для Intel фигуру Билла Давидова (Bill Davidow), которого Чак очень уважал и с которым поддерживал контакт.
Чака не стало в конце 2019. Он учился у Клода Шеннона и первым предложил использовать групповое кодирование при работе с дисками. Хотя запатентовать это у него не получилось, он в конце 70-х и начале 80-х разработал дисководы, которые позволяли использовать до двух раз больше места, чем типовые. Это, в частности, использовалось в некоторых лучших дисководах Commodore и в компьютере Victor. Затем он сделал первый портативный жесткий диск. Этот диск не ломался, если падал на пол! Затем он работал с производством недорогого ОЗУ. После чего он разрабатывал сверхбыстрый твердотельный накопитель, о котором уже упоминалось.
Хочется закончить некоторыми общефилософскими рассуждениями. Почему 6502 был приторможен и лишен гораздо более яркого будущего? Возможно из-за того, что он реально мог очень потеснить крупные фирмы и создать совершенно новую реальность. Но была ли команда 6502 настроена на такое? Скорее нет, они просто хотели сделать лучший процессор. Возможно они сами не поняли насколько удачным был их процессор и что скорость это главное свойство любого процессора. Любопытно, что ведущие производители компьютеров на базе 6502 (Apple, Commodore, Atari) в 80-е явно тормозили развитие систем на базе этого процессора. Ничего подобного не было для других процессоров. Возможно, скрытые регулирующие механизмы таким образом защищали других производителей компьютеров и процессоров.
Уже гораздо позже, в начале 21-го века при помощи навязанных надуманными причинами судебных процессов была разгромлена фирма Lexra, производившая в течении 5 лет различные инновационные процессоры. Эта печальная история, чем-то напоминает то, что случилось с MOS Technology.
Z80 и галопом по другим продуктам от Zilog
Этот процессор стал наряду с 6502 основным процессором первых персональных компьютеров. В истории его появления и использования нет никаких насыщенных драматизмом событий. Есть только некоторая интрига в неуспехе Zilog сделать следующее поколение процессоров. Z80 начали производить в 1976 и его варианты производят до сих пор. Когда-то даже сам Билл Гейтс объявил о поддержке систем на основе z80.
Интересны ряд совпадений. Как и в случае с 6502, главный разработчик Z80, Федерико Фаггин (Federico Faggin), ушёл из крупной компании, из Intel. После работы над z80 Федерико уже почти не работал с процессором следующего поколения Z8000 и в начале 80-х ушёл из основанной им компании, чтобы в дальнейшем уже никогда процессорами не заниматься. Он создал затем несколько относительно успешных стартапов, создавая системы связи, тачпады и цифровые камеры. Можно упомянуть, что, помимо z80, в Zilog им ещё был разработан удачный и производимый до сих пор микроконтроллер Z8.
Z80 – это более удобный для включения в компьютерные системы процессор, чем 8080. Он требует только одного напряжения питания и имеет встроенную поддержку регенерации динамической памяти. Кроме того, он при полной совместимости с 8080 имеет довольно много новых команд, второй набор основных регистров и несколько совершенно новых регистров. Любопытно, что в Zilog отказались от использования мнемоник ассемблера 8080, а стали использовать свои собственные мнемоники, более подходящие для расширенной системы команд z80. Подобная история случилась с ассемблером Intel x86 в мире программного обеспечения GNU, там тоже почему-то используют по умолчанию свои собственные соглашения по записи программ на ассемблере. В Z80 добавили поддержку флага переполнения, Intel официально добавила поддержку такого флага только в 8086. Однако, этот флаг в z80 совместили с флагом чётности, поэтому одновременно, как в 8086, оба флага использовать не получится. В z80, как и в 6502, есть только базовая проверка значения одного флага, т.е. нет проверок сразу двух или трех флагов, что необходимо для беззнаковых сравнений «строго больше», «меньше или равно», а также всех знаковых – в таких случаях приходится делать несколько проверок, на 8086, 6800 или PDP-11 достаточно одной.
Среди новых команд z80 особенно впечатляют команды массового копирования памяти за 21 такт на байт, а также интересная команда поиска байта в памяти. Добавили также похожие блочные инструкции для ввода и вывода. Однако наиболее интересна команда EXX, меняющая местами содержимое 48 бит регистровой памяти, регистры BC, DE, HL с их двойниками, которая выполняется всего за 4 такта! Даже 32-битным ARM понадобится на примерно такую же операцию не менее 6 тактов. Остальные добавочные инструкции не так впечатляют, хотя иногда могут быть полезными. Добавлены ещё:
- 16-битное вычитание c заемом и 16-битное сложение с переносом за 15 тактов;
- унарный минус для аккумулятора за 8 тактов;
- возможность читать из памяти и писать в неё, используя регистры BC, DE, SP, IX,IY, а не только HL;
- сдвиги, вращения и ввод-вывод для всех 8-битных регистров;
- операции проверки, установки и сброса бита по его номеру;
- перемещаемые переходы по смещению (JR): безусловный и по флагам переноса и равенства;
- команда цикла;
- очень необычные инструкции для десятичных вращений RLD и RRD, похожие на которые были разве что у IBM мейнфреймов;
- инструкции для ввода и вывода, работающие через индексный регистр.
Всего к 244 инструкциям 8080 было добавлено 458 новых инструкций, а если считать те, которые впоследствии были признаны как почти официальные, то получится ещё около полусотни новых инструкций.
Большинство новых команд довольно медленные, но их правильное использование может все же сделать код несколько быстрее и существенно компактнее. Это особенно относится к использованию новых 16-разрядных регистров IX и IY, которые можно использовать для новых методов адресации. Интересно, что индексные регистры IX и IY появились в Z80 с целью привлечь пользователей 6800 к переходу на Z80!
Многие команды 8080 в z80 стали на такт быстрее и это очень заметное ускорение. Но основная для 16-битной арифметики команда ADD стала на такт медленнее. Также стали медленнее команды
LD SP,HL, EX (SP),HL, инкремент и декремент с памятью и 16-разрядными регистрами, а также операции ввода и вывода. Поэтому коды 8080 выполняются на z80 если и быстрее, то только чуть-чуть. Однако, если реализовывать одинаковый алгоритм для 8080 и Z80, то Z80 может быть значительно быстрее, например, расчет числа π по алгоритму-затвору для Z80 у меня получился почти на 40 процентов быстрее, чем для 8080.В Z80 добавили поддержку уникального флага, который не встречается больше ни в одной системе. Это флаг вычитания. Он используется только командой десятичной коррекции DAA, которую на Z80 можно использовать и после вычитания.
Другая уникальная особенность Z80 – это общедоступный регистр регенерации памяти. Его можно, например, использовать для генерации случайных чисел.
Система работы с прерываниями стала разнообразнее имеющейся у 8080. С z80 можно использовать как немаскируемые прерывания, так и три способа для работы с маскируемыми:
- такой же как и у 8080 – требует контроллера прерываний совместимого со стандартом 8080;
- по фиксированному RST – это самый простой, ему не требуется поддержка внешних схем;
- в режиме 2 процессор задаёт старший байт обработчика прерываний, а контроллер определяет младший байт – этот способ требует аппаратной поддержки дополнительных чипов от Zilog.
Однако, прерывания в режиме 2 можно использовать и без поддержки контроллера, просто резервируя 257 байт в памяти под адрес прерывания. Так делают на компьютерах, где аппаратура не поддерживает режим 2, например, на Amstrad CPC/PCW, MSX, ZX Spectrum,… Это, конечно, несколько затратно, но необходимость в этом может возникнуть в случаях подобных ZX Spectrum, когда вектор прерывания режима 1 находится в ПЗУ. Любопытно, что в некоторых компьютерах MSX можно использовать и прерывания режима 0 без поддержки контроллера.
Работа с прерываниями у Z80 имеет и другие уникальные особенности. Как известно, Z80 как и 8080 при прерываниях не сохраняет слова состояния процессора, но z80 тем не менее имеет целых две уникальные команды для возврата из прерываний. Инструкция возврата из маскируемого прерывания RETI работает также как и обычный возврат из подпрограммы, но её должны заметить как особенную внешние схемы управления и произвести сброс установки прерывания. В других архитектурах (6502, х86, ...) в коде обработчика прерываний нужно явно прописывать команды сброса контроллера, типа
MOV AL,20H
OUT 20H,ALПо непонятным мне причинам компьютеры на базе Z80 обычно не использовали схемы управления прерываниями с полной поддержкой возможностей этого процессора. Возможно из-за цены. Хотя это получается как-то необычно. Дешевый процессор и дорогие схемы поддержки. Как будто Zilog был нацелен на производство только Z80. Для Z80 производились фирменный таймер, параллельный и последовательный интерфейсы, чип DMA и другие подобные устройства, но их в популярных компьютерах не использовали. Применяли их только в некоторых моделях сравнительно редких и дорогих офисных систем, например, Tandy TRS-80 model 2/12/16, ABC 800, Tatung Einstein или Robotron 1715.
Z80 имеет довольно много недокументированных инструкций, некоторые из этих инструкций пропали при переходе на технологию CMOS, но те которые сохранились стали фактически стандартными и были документированы некоторыми фирмами. Особенно полезны инструкции, позволяющие работать с отдельными байтами неуклюжих 16-битных регистров IХ и IY. Кроме недокументированных инструкций Z80 имеет и другие недокументированные свойства, например, два особых флага в регистре состояний.
Конечно, z80 ещё в большей степени, чем 8080 имеет право называться слегка 16-битным. Гипотетический индекс разрядности у z80 явно чуть-чуть повыше, но при этом парадоксально, что АЛУ у z80 на самом деле 4-битное! На электронном уровне z80 и 8080 – совершенно разные чипы.
16-е операции остались у Z80 не вполне реализованными, хотя возможно это случилось из-за необходимости поддержания совместимости с 8080. В частности, очень неудобно, что 16-е инкремент и декремент вообще не меняют флагов.
Конечно, Z80 может дать немало других оснований для критики. Помимо унаследованных от 8080 пустых инструкций типа
LD B,BLD HL,(nn) и LD (nn),HL, а также RLC A, RRC A, RL A, RR A. А если считать полуофициальные инструкции, то таких некрасивых двойников обнаружится ещё больше. В официальной документации есть довольно странная ошибка для команд ввода и вывода: там указано, что используется регистр C в качестве индекса, а фактически используется регистр BC. Возможно эта ошибка была сделана намеренно, так как выполнении блочных инструкций ввода или вывода регистр B используется как счетчик. Конечно, если использовать только 256 байт для портов, то эта ошибка сама собой исчезает, но некоторые системы, например, Amstrad CPC/PCW использует все 64 КБ адресного пространства для доступа к портам ввода и вывода и там такие блочные инструкции использовать не получится. Интересно ещё, что даже при использовании 8-битного адреса в операциях IN и OUT, Z80 всё равно формирует 16-битный адрес, используя аккумулятор для задания старшего байта. Это использовалось, например, в ZX81. По моему мнению инструкций для ввода и вывода добавили слишком много, большинство из них скорее избыточны.В официальной документации по Z80, помимо отмеченных, есть и другие неточности. Энтузиасты только недавно узнали особенности исполнения некоторых команд Z80, например, OTIR/OTDR/INIR/INDR.
Много было написано про сравнение быстродействия z80 и 6502, так как эти процессоры очень широко использовались в первых массовых компьютерах. В этой теме есть несколько непростых моментов, без понимания которых очень трудно сохранять объективность. Благодаря наличию довольно большого числа регистров z80 естественно использовать на частоте большей, чем работает память. Поэтому z80 на 4 МГц может использовать ту же память, что и 6502 или 6809 на 1.3 МГц. По мнению многих опытных программистов, писавших коды для обоих процессоров, на одинаковой частоте 6502 в среднем примерно от 2.4 до 2.6 раз быстрее, чем z80. Автор этого материала с этим согласен. Только нужно добавить, что писать хорошие, быстрые коды для z80 – это очень непросто, нужно постоянно оптимизировать использование регистров, а для работы с памятью максимально задействовать стек. Если очень стараться, то по моему мнению можно свести разницу между z80 и 6502 до примерно 2.1 раз. А если не стараться и игнорировать тайминги, то легко можно получить разницу и более 4-х раз. В некоторых отдельных случаях z80 может показывать очень быструю работу. На задаче заполнения памяти z80, используя команду PUSH, может быть даже чуть быстрее 6502, но это ценой запрета прерываний. На копировании блоков памяти z80 только в 1.5 раза медленнее. Особенно впечатляет, что в делении 32-разрядного делимого на 16-делитель z80 медленнее только в 1.7 раз. Кстати, такое суперделение было реализовано российским программистом. Подобные отличные результаты Z80 может показывать и на других интенсивных 16-битных расчетах, когда хватает регистров. Таким образом, получаем, что ZX Spectrum c z80 на 3.5 MHz примерно в полтора раза быстрее С64 с 6502 на 1 МГц. Стоит ещё отметить, что часть тактов в большинстве систем с z80 или 6502 отбирается у процессора схемами поддержки генерации видеосигнала, например, из-за этого у популярных компьютеров Amstrad CPC/PCW реальная частота процессора 3.2 МГц, а не полные 4. В системах на 6502 обычно можно отключать экран для получения максимальной процессорной производительности. Если за основу брать частоту работы памяти, а не процессора, то получится, что z80 на 25-40% быстрее, чем 6502. Последний результат можно проиллюстрировать тем, что с памятью с частотой 2 МГц z80 может работать на частоте до 6 Мгц, а 6502 только до 2 МГц.
Также было бы любопытно сравнить быстродействие Z80 и 8088. Конечно, в целом 8088 — это более мощный процессор, но во многих важных частностях он медленнее, чем Z80. Рассмотрим следующую таблицу, где представлены некоторые типичные случаи, когда Z80 быстрее. Соответствие между регистрами установлено таким же как в стандартной программе, конвертирующей код 8080 в код 8086.
| Z80 | 8088 | gain | ||
| code | time | code | time | |
| JP word | 10 | JMP word | 15 | 5 |
| CALL word | 17 | CALL word | 19 | 2 |
| RET | 10 | RETN | 20 | 10 |
| RST byte | 11 | INT byte | 71 | 60 |
| JP (HL) | 4 | JMP BX | 11 | 7 |
| JP (IX) | 8 | JMP BP | 11 | 3 |
| LD A,(HL) | 7 | MOV AL,[BX] | 10 | 3 |
| LD (HL),A | 7 | MOV [BX],AL | 10 | 3 |
| LD r,(HL) | 7 | MOV r,[BX] | 13 | 6 |
| LD (HL),r | 7 | MOV [BX],r | 14 | 7 |
| LD (HL),byte | 10 | MOV [BX],byte | 15 | 5 |
| LD A,(BC) | 7 | MOV SI,CXMOV AL,[SI] | 12 | 5 |
| LD (BC),A | 7 | MOV SI,CXMOV [SI],AL | 12 | 5 |
| LD HL,(word) | 16 | MOV BX,[word] | 18 | 2 |
| LD (word),HL | 16 | MOV [word],BX | 19 | 3 |
| EX (SP),HL | 19 | MOV SI,SPXCHG [SI],BX | 24 | 5 |
| EX (SP),IY | 23 | MOV SI,SPXCHG [SI],DI | 24 | 1 |
| PUSH BC | 11 | PUSH CX | 15 | 4 |
| POP DE | 10 | POP DX | 12 | 2 |
| INC (HL) | 11 | INC [BX] | 20 | 9 |
| DEC (HL) | 11 | DEC [BX] | 20 | 9 |
| SET 0,(HL) | 15 | OR [BX],1 | 22 | 7 |
| RES 1,(HL) | 15 | AND [BX],0xFD | 22 | 7 |
| RLC (HL) | 15 | ROL [BX],1 | 20 | 5 |
| RR (HL) | 15 | RCR [BX],1 | 20 | 5 |
Легко можно заметить, что Z80 быстрее на инструкциях для счетчика команд и операциях с памятью, унаследованных от 8080. Особенно заметно преимущество Z80 на дальних условных переходах. У 8088 смещение у условных переходов только один байт, поэтому когда нужен более дальний переход, то приходится писать две команды. У Z80 такой проблемы нет, там для перехода выделяется два байта и поэтому в таких случаях условный переход на Z80 существенно быстрее, на 6 или 9 тактов. Практически все операции через регистр HL выполняются на Z80 чуть быстрее, а это и сложение, и вычитание, сравнение, BIT и другие логические операции. Хотя возврат из прерывания у Z80 и 8088 архитектурно сильно различаются, они несут идентичные функции. RETI у Z80 на 30 тактов быстрее IRET и это не считая команд, которые нужно выполнить 8088 для сброса контроллера прерываний. У Z80 вызовы подпрограмм и возврат из них может быть условным, что делает аналогичные коды для Z80 компактнее и быстрее, чем для 8088. И, конечно, эмуляция команд EXX и EX для дополнительного набора регистров, блочных команд ввода-вывода или команд RLD/RRD займет на 8088 весьма значительное время. Кроме того, 8088 работает с очередью команд, которой требуется 4 такта на каждый байт инструкции и это часто добавляет такты при выполнении команды, у Z80 такого тормоза нет. Однако самое главное преимущество Z80 над 8086/8088 – это более быстрый доступ к памяти. На Z80 этот доступ занимает 3 такта, а на 8086/88 – 4. Но несмотря на все это, код для 8088 обычно несколько быстрее кода для Z80 на одинаковых частотах. Все-таки 8088 имеет 16-битное ALU, более мощные методы адресации и команды, а его регистры более универсальны.
Z80 использовался в очень большом числе компьютерных систем. В США были очень популярны Tandy TRS-80 – интересно, что команда HALT на этих компьютерах производит перезапуск системы. В Европе — ZX Spectrum, а позднее Amstrad CPC и PCW. Любопытно, что компьютеры Amstrad PCW сохраняли актуальность до середины 90-х и их массово и активно использовали по назначению до конца 90-х. В Японии и других странах производили довольно успешные во всем мире компьютеры MSX. Хотя до сих пор не вполне понятно, почему неплохие компьютеры MSX не смогли попасть в США и многие европейские страны. Довольно популярный C128 мог также использовать z80, но тут пользователям был подстроен скорее конфуз – у этого позднего, 1985 года выпуска, 8-битного компьютера z80, тактированный официально 2 МГц, реально работает под CP/M только на 1.6 МГц! Это медленнее даже, чем первые системы на 8080 середины 70-х! Номенклатура компьютеров для использования операционной системы CP/M насчитывает не менее трех дюжин довольно известных систем. Z80 использовался также в игровых консолях Master System, Game Gear, Mega Drive и др. Общее число произведенных систем на базе Z80 скорее всего менее 100 миллионов, что меньше числа систем на базе 6502. Но это не считая калькуляторов. В школах и вузах США, начиная с 90-х и по настоящее время, почти все учащиеся обязаны иметь калькулятор TI-83 или совместимый с ним! Поэтому с учетом калькуляторов, возможно, что в 21 веке число систем на базе Z80 превзошло такое число для 6502.
Такой ПК достойно выглядел даже в середине 90-х, но его z80 медленнее того, что в ZX Spectrum
Самая быстрая известная автору компьютерная система на основе z80 – это BBC Micro c TUBE-приставкой с z80B на 6 МГц, выпускавшейся с 1984. Процессор в этой системе работает на полной скорости, как говорят, «без тормозов». Подобные приставки производились и для Apple ][ с 1979. Позднее некоторые из таких приставок использовали Z80H на 8 МГц и даже выше. Интересно, что Microsoft в 1980 году получила наибольшую прибыль именно от продажи таких приставок. Можно ещё упомянуть Amstrad PCW16, производившийся с 1994, который использовал CMOS Z80 на частоте 16 МГц.
В Японии для систем MSX TurboR (1990) производился процессор R800, совместимый с z80. В R800 было добавлено аппаратное 16-разрядное умножение с 32-разрядным результатом. Хотя при умножении на 16-разрядную константу, табличное умножение с таблицей на 768 байт получается на такт быстрее. Есть мнение, что R800 — это сильно упрощенный Z800, работающий на частоте в четыре раза большей, чем частота шины, которая равна примерно 7.16 MГц. Таким образом, внутренняя частота R800 равна примерно 28.64 МГц!
Сама фирма Zilog производила работу по улучшению Z80 очень непоследовательно и крайне медленно. Первые Z80 работали на частотах до 2.5 МГц, у появившегося вскоре Z80A предельная частота была увеличена до 4 МГЦ – именно эти процессоры стали основой для большинства популярных, использующих Z80 компьютеров. Z80B появился к 1980, но использовался сравнительно редко, например, в упоминавшейся приставке для BBC Micro или в позднем (1989) компьютере Sam Coupé. Z80H появился к середине 80-х и мог работать на частотах до 8 МГц – в известных компьютерах не использовался. Интересно, что изделия Zilog имели на чипе специальные ловушки для тех, кто пытался делать с них копии, например, базовый Z80 имел 9 ловушек и они, по отзывам тех, кто этим занимался, замедляли процесс копирования почти на год.
Более глубокая модернизация z80 была приторможена желанием Zilog создать 16-разрядный процессор. В 1979, чуть позже 8086, но раньше 68000, был выпущен Z8000, не совместимый с z80. Z8000 использовался в примерно десятке систем, как правило, для работы с вариантами Unix. Это был весьма интересный процессор с 16 16-битными регистрами, которые можно было даже использовать как 4 64-битных регистра! Для Z8000 производился чип для управления памятью, который стал доступен к 1980. Для архитектуры x86 процессор с системой управления памятью стал доступен только в 1982, а для 68k только в 1984. Однако, несмотря на хорошие технические характеристики Z8000 получил очень небольшое распространение. IBM даже не рассматривала Z8000 как возможный процессор для IBM PC, поскольку Zilog финансировалась компанией Exxon, которая собиралась конкурировать с IBM. Тут ещё можно вспомнить странные откровения ведущего инженера Zilog Масатоши Шимы (Masatoshi Shima), в которых тот утверждает, что в Zilog искусственно занизили частоту Z8000, чтобы он был не быстрее, чем 8086. Поэтому можно сделать вывод, что с Intel Zilog в области 16-битных процессоров конкурировать не собиралась. Считается, что Motorola 68000 оказался в целом несколько лучше Z8000. Однако, одним из главных преимуществ 68000 была более высокая тактовая частота… Можно предположить, что Z8000 была назначена роль быть в тени 8086, но 68000 уничтожил эту нишу. Возможно из-за неуспеха Z8000 Zilog стала к 1980 подразделением Exxon. Была ещё попытка создать конкурентный 32-битный процессор. В 1986 появился Z80000, совместимый с Z8000, который так нигде и не нашёл применения. Некоторые обстоятельства, в частности, очень странные жалобы команды Zilog на чрезмерное финансирование, позволяют подумать, что возможно Zilog в силу каких-то неясных причин скорее саботировала свою работу, будучи частью Exxon.
Можно только удивляться, почему Zilog отказалась от своего подхода, показавшего сверхуспешные результаты с Z80, а именно делать процессоры программно совместимые с процессорами Intel, но лучшие их и при этом совершенно разные на аппаратном уровне. Впоследствии такой подход успешно использовали многие фирмы, в частности, AMD, Cyrix, VIA.
Создание нового процессора на базе Z80 было отложено до 1985, когда был сделан Z800. Однако, тогда основные усилия Zilog были направлены на Z80000 и Z800 было выпущено очень мало. В 1986, после провала Z80000 был выпущен Z280, незначительно улучшенный вариант Z800, который, в частности, мог работать на внутренней частоте в несколько раз большей, чем частота шины – такая новинка принесла потом процессорам Intel 486DX2 и 486DX4 крупный успех. Z280 имел и другие перспективный особенности, которые потом с успехом применяли другие фирмы. Но, возможно из низкой производительности – Z280, несмотря на многие технологические новинки, мог использовать только сравнительно низкие тактовые частоты, этот процессор также нигде не нашёл применения. Считается, что Z280 примерно соответствовал по возможностям Intel 80286, но был существенно, не менее 50% медленнее при использовании одинаковой с 80286 тактовой частоты. Возможно, если бы Z280 появился 5 годами ранее, то он бы мог стать очень успешным.
Наибольшего успеха удалось добиться благодаря сотрудничеству с японской фирмой Hitachi, которая в 1985 выпустила свой супер-Z80, HD64180, схожий по возможностям с Intel 80186, который позволял использовать 512 КБ памяти, добавлял дюжину новых инструкций, но при этом некоторые почти стандартные недокументированные инструкции Z80 не поддерживались. HD64180 использовался в некоторых компьютерных системах. Zilog получила лицензию на HD64180 и стала производить их с маркировкой Z64180. Zilog удалось незначительно улучшить этот процессор, в частности, добавить поддержку работы с 1 МБ памяти и выпустить его к концу 1986 года. Этот новый процессор получил название Z180 и стал основой для семейства процессоров и контроллеров, с тактовыми частотами до 33 МГц. Он использовался в некоторых редких компьютерах MSX2, но больше как контроллер. Любопытно, что Z280 и Z180 появились в один год, как и их примерные аналоги 80286 и 80186 четыре года до этого. В 1994 на базе Z180 был сделан 32-битный Z380, сохранивший совместимость с z80 и примерно соответствующий по возможностями Intel 80386 или Motorola 68020 – Zilog показала отставание от конкурентов почти в 10 лет. Уже 21 веке опять на базе Z180 производятся весьма успешные процессоры-контроллеры eZ80 с таймингами почти как у 6502. Их используют в различном оборудовании, в частности, в сетевых платах, DVD-приводах, калькуляторах,… А процессора, совместимого с 6502 и сравнимого с eZ80, так и не появилось. Возможно просто из-за того, что у Zilog всегда было лучше с финансами, чем у WDC.
Многие варианты и клоны Z80 выпускались многими компаниями (Mostek – производил Z80 раньше самой Zilog, SGS-Thomson, Sharp, NEC, GoldStar/LG, National Semiconductor, ...) и во многих странах мира. Интересно, что процессор NEC μPD9002, доступный, как минимум, с 1986, использовался в топовых моделях популярного компьютера PC-8800 на частоте 8 МГц и был совместим не только с Z80, но и с Intel 8086. В Восточном блоке наибольших успехов в клонировании Z80 достигли в ГДР, где клон этого процессора производился с 1980. Там же производились и все сопутствующие Z80 чипы. В Румынии смогли сделать свой клон Z80 только к 1988. А в СССР только к 1991, причем процессор получил необычное название T34 такое же, как у самого массового танка второй мировой войны. Впечатляет, что в ГДР смогли сделать даже клон Z8000.
Texas Instruments TMS9900
Это первый доступный для использования в персональных компьютерах 16-битный процессор. Он производился с 1976 года. Использует гораздо реже встречающийся порядок байт от старшего к младшему (Big Endian). Такой порядок используется ещё только в процессорах Motorola серий 6800 и 68000 и в архитектуре IBM/370. Все прочие процессоры данного обзора используют обратный порядок байт (Little Endian).
У TMS9900 есть всего три внутренних 16-битных регистра: счётчик команд, регистр состояний и регистр базы внешних регистров. Этот процессор использует выделенный участок памяти размером 32 байта, указываемый значением регистра базы, как 16 двубайтных регистра общего назначения. Такое использование памяти чем-то напоминает нулевую страницу памяти в архитектуре 6502. Таким образом внешние регистры – это скорее форма адресации, чем реальные регистры. Меняя значение регистра базы, TMS9900 может очень быстро менять свой набор внешних регистров. Это напоминает Z80, который имеет два регистровых контекста. Система флагов отличается своеобразием, наряду с типичными флагами переноса, нуля (равенства), переполнения, чётности, есть ещё два уникальных флага признаков логического и арифметического больше. Последний флаг компенсирует отсутствие флага знака, а вот флаг логического больше является логическим следствием флагов переноса и нуля и поэтому он теоретически избыточен. Для пояснения избыточной роли флага логического больше привожу следующую ниже таблицу.
| TMS9900 | x86 | ||
| op | flags | op | flags |
| JL | L>=0 and Z=0 | JB | C=1 |
| JLE | L>=0 | JBE | C=1 or Z=1 |
| JH | L>=1 | JA | C=0 and Z=0 |
| JHE | L>=1 or Z=1 | JAE | C=0 |
Однако, TMS9900 не ставит флаг переноса в операциях сравнения и поэтому возможно флаг логического больше отчасти играет роль, похожую на флаг переноса в архитектуре 68k. Готового стека нет, его можно сделать использую один из регистров. При вызове подпрограмм стек не используется, вместо этого адрес возврата сохраняется в выделенном для него регистре – именно так работают с вызовами подпрограмм на ARM или IBM/370. Можно ещё вызывать подпрограммы с переключением контекста, когда при вызове сохраняется не только адрес возврата, но и набор внешних регистров и остальные два внутренних регистра. Такой расширенный вызов подпрограммы больше похож на вызов программного прерывания. Есть и инструкция для явного вызова программного прерывания. Довольно уникально, что при вызове программного прерывания можно передавать параметр. TMS9900 имеет встроенный контроллер прерываний, рассчитанный на работу с маскируемыми аппаратными прерываниями c 16 приоритетами. Кроме того, есть и поддержка немаскируемых прерываний. В TMS9900 встроен последовательный интерфейс, который позволяет работать с 4096 битовыми портами в отдельном адресном пространстве. Для работы с этим интерфейсом предназначены 5 специальных инструкций. Необычно, что TMS9900 имеет 5 внешних инструкций, в исполнении которых могут участвовать внешние схемы. Архитектура TMS9900 подразумевает наличие инструкций, определяемых аппаратурой пользователя.
Первый 16-разрядный домашний компьютер – у него даже цветные спрайты естьСистема команд выглядит очень внушительно. Есть даже умножение и деление, многократные сдвиги. Уникальная инструкция X (подобная есть только на мейнфреймах IBM) позволяет исполнять одну инструкцию по любому адресу в памяти и переходить к следующей. Другими словами, эта инструкция исполняет другую инструкцию как подпрограмму. Исполнение команд довольно медленное, самые быстрые инструкции выполняются только за 8 тактов, арифметические команды – за 14, зато умножение (16*16=32) за 52 такта и особенно деление (32/16=16,16) за 124 такта были наверное рекордно быстрыми среди процессоров 70-х. Интересно, что умножение вообще не меняет флагов, а деление устанавливает только флаг переполнения. Последнее очень удобно – на x86 такое переполнение деления сразу вызывает аварию-исключение. Инкремент и декремент могут работать с шагом 1 или 2 и при этом устанавливают все арифметические флаги (даже переноса), но они могут применяться только к словам – для инкрементирования/декрементирования байта понадобится операция сложения/вычитания. В байты также нельзя загружать константы, можно только в слова. Вообще все операции с константами доступны только для слов. Система команд отличается почти полной ортогональностью. Хотя не хватает условных переходов по переполнению, четности и знаковых переходов по <= и >=. Есть и другие пробелы в ортогональности, например, отсутствие некоторых операции с константой. Операнды обычно берутся в порядке слева направо, но некоторые команды используют обратный порядок, что несколько запутывает. Необычно ещё, что при операциях с байтом из регистра используется старший байт регистра. Хотя это и логически более последовательно, чем в архитектуре 68k.
Методы адресации у TMS9900 довольно разнообразны. Можно, например, даже использовать косвенную адресацию через регистр или через регистр со смещением. Интересно, что у регистра 0 может быть особая роль при его использовании в адресации, что опять напоминает архитектуру IBM/370. У TMS9900 есть адресация с автоинкрементом, но нет с автодекрементом. Последнее может вызвать некоторую асимметрию в кодах для реализации, например, стека. Для TMS9900 довольно естественно генерировать перемещаемый код. Однако, команды для перемещаемых переходов только короткие, со смещением от -256 до 254 байтов. Хотя для сравнения на 8086 и даже 80286 смещения у таких переходов ещё меньше, только от -128 до 127.
Неприятно отсутствие операций сложения и вычитания с флагом переноса. Неприятно также отсутствие вращений через знак переноса. Вращения влево нет, его надо заменять вращением вправо. Всё это делает арифметику длинных целых более медленной. Кроме довольно типичной операции для смены знака, есть ещё операция отбрасывания знака – получения модуля числа. Также помимо довольно типичной операции зануления есть ещё и операция для заполнения заданной величины единицами. Все эти операции (вращение, сдвиги, смены знака, ...) можно применять только к словам.
В TMS9900 помимо довольно типичной возможности для проверки всех заданных бит на равенство нулю (в x86 для этого используют инструкцию TEST) есть ещё возможность проверить все заданные биты на равенство единице. Вместо поразрядного умножения (AND) как и в архитектуре DEC PDP-11 используется операция умножения с предварительным инвертированием.
Мнемоники инструкций ассемблера у TMS9900 часто уникальны. Например, операция OR называется SOC (set ones correspondingly). Хотя команды нециклических сдвигов имеют названия, идентичные соответствующим инструкциям на Z80. Мне больше всего нравится мнемоника AI (Add Immediate), которой также соответствует фраза Artificial Intelligence (искусственный интеллект). Интересно, что вычитания с константой нет, его надо всегда заменять на AI, что хотя и всегда возможно, но требует некоторого интеллекта. Интересно ещё, что регистры по умолчанию именуются только своим номером – это возможно также влияние архитектуры IBM/370. Можно ещё заметить, что в ассемблере TMS9900 для записи 16-х чисел используют знак больше – мне неизвестны другие системы, использующие этот знак таким же образом.
TMS9900 требует три напряжения питания -5, 5 и 12 вольт и четыре фазы сигнала тактирования – это антирекорды среди известных мне процессоров. Хотя возможно рассматривать четыре фазы частоты как умножение внутренней частоты процессора на 4, подобно 80486dx4. В 1979 этот процессор был продемонстрирован специалистам фирмы IBM, которые тогда искали процессор для находящегося в разработке прототипа IBM PC. Очевидные недостатки TMS9900 (адресуемость только 64 КБ памяти, громоздкость подключения, отсутствие необходимых архитектуре контроллеров, относительная медленность) произвели соответствующее впечатление и для будущего лидера среди ПК был выбран Intel 8088. Для устранения проблемы отсутствия контроллеров Texas Instruments также производила вариант TMS9900 с 8-разрядной шиной, TMS9980, который работал на 33% медленнее.
TMS9900 использовался в довольно популярных в США компьютерах TI-99/4A, которые были «разгромлены» в войне цен компьютером Commodore VIC-20 к 1983. Любопытно, что в результате этой войны Texas Instruments была вынуждена снизить цены на свой компьютер до невероятных для 1983 $49 (в 1979 цена была $1150!) и продавать их с большим для себя убытком. Можно для примера привести сравнительно непопулярный компьютер Commodore+4, который прекратили производить ещё в 1986, но цены на который упали до этих $49 только в 1989 году. TI-99/4A прекратили производить в 1984, тогда, когда из-за сверхнизких цен он стал набирать популярность. Интересно, что в ещё 1982 году продажи TI-99/4A составляли 34% американского рынка компьютеров по цене около 500$, опережая Commodore VIC-20 (33%), Atari 400 (20%) и Tandy Coco (13%). Этот компьютер лишь условно можно назвать полностью 16-разрядным. Потому что он имеет только 256 байт (!) памяти ОЗУ и системную память ПЗУ, адресуемые через 16-разрядную шину. Остальная память и устройства ввода-вывода работают через медленную 8-разрядную шину. Более того, большая часть ПЗУ работает вообще через очень необычный и медленный последовательный интерфейс. С другой стороны, TI-99/4A более 16-разрядный, чем IBM PC XT. Возможно более правильно считать первым домашним 100% 16-битным компьютером отечественный БК-0010 или Atari ST. Любопытно, что TI-99/4A использует процессор на частоте 3 МГц – точно на такой же как и БК-0010.
Серия TI-99/4A – это редкий пример компьютеров, где производитель процессора и компьютера был одним и тем же. Кстати, именно в Texas Instruments была когда-то разработана основа всех персональных компьютеров – интегральная схема.
В своих популярных калькуляторах серии, начавшейся с TI-81, Texas Instruments предпочла использовать Z80 вместо своих в чем-то более продвинутых процессоров. Хотя когда-то именно Texas Instruments разработала как первый процессор для калькуляторов, так и первый карманный калькулятор.
В TI-99/4A в качестве видеоконтроллера использовалась довольно удачная микросхема TMS9918, которая стала основой для весьма популярного во всём мире стандарта MSX, а также некоторых других компьютеров и игровых консолей. В японской компании Yamaha этот видеочип был значительно улучшен и впоследствии использовался, в частности, для модернизации самих TI-99/4A! Странно, что Texas Instruments не удалось склонить производителей к использованию своего процессора в изделиях, использовавших TMS9918. Единственным исключением стал компьютер компании Panasonic Tomy Tutor, который использовал процессор TMS9995, совместимый с TMS9900. Кстати, Texas Instruments сделала прототипы компьютеров TI-99/2 и TI-99/8 на базе этого процессора, которые по не совсем понятным причинам в серию не пошли. TMS9995 также использовался в позднем (1987) компьютере Geneve 9640, который совместим c TI-99/4A и поэтому стал наиболее известной системой на базе этого процессора.
TMS9995 заслуживает, чтобы о нем было сказано несколько слов. Это – весьма оригинальный процессор. Внешняя шина данных 8-разрядная. Но есть внутренняя память размером 256 байт, расположенная по двум фиксированным адресам, которая работает через внутреннюю 16-разрядную шину. TMS9995 использует уже только одно напряжение питания и один сигнал тактирования, что делало системы на его основе проще и дешевле. Есть встроенный таймер. У него по сравнению с TMS9900 всего 4 новых инструкции, которые скорее только оптимизируют некоторые операции, чем вносят что-то принципиально новое. Система управления внешними маскируемыми прерываниями стала более примитивной, от 16 уровней осталось только 3. Однако появилась поддержка внутренних прерываний-исключений: по некорректной инструкции, по таймеру и по переполнению – последнее было реализовано с ошибкой, которую возможно так и не исправили. Всего от 17 векторов для прерываний в TMS9900 в TMS9995 осталось только 6. TMS9995 работает с памятью на частоте в 4 раза меньшей тактовой, т.е. фактически он работает по упомянутой схеме 80486dx4. Официальные тайминги инструкций также базируются на частоте в 4 раза меньшей, чем входная. Интересно, что если брать в качестве базовой частоту для работы с памятью, то даже с внутренней памятью TMS9995 чуть медленнее, чем TMS9900 на той же частоте.
Cистема инструкций как TMS9900, так и TMS9995 – это подмножество системы инструкций, использовавшейся на мини-ЭВМ серии TI-990. В заключение можно сделать вывод, что первые домашние 16-битные компьютеры – это побочная ветвь развития мини-компьютеров от DEC и Texas Instruments.
В СССР производился клон TMS9940, контроллера на базе TMS9900.
Процессоры DEC PDP-11
С начала 70-х в мире началась 10-летняя эпоха доминирования фирмы DEC. Компьютеры DEC были существенно дешевле, производимых фирмой IBM и поэтому привлекли к себе внимание со стороны небольших организаций, для которых системы IBM были недоступны. С этих компьютеров начинается также эпоха массового профессионального программирования. Серия компьютеров PDP-11 оказалась очень удачной. Различные модели PDP-11 производили с начала 70-х до начала 90-х. В СССР они были успешно клонированы и стали первыми массовыми популярными компьютерными системами. Среди клонов компьютеры с названиями СМ ЭВМ, Электроника-60/81/85, ДВК-1/2/3, БК-0010/0011 (БК0010 – это первый ПК, которые стало возможным купить в магазине). Кстати, очень вероятно, что количество компьютеров архитектуры PDP-11, произведенных в СССР, было большим общего числа компьютеров этой архитектуры, произведенных во всем остальном мире.
Однако, DEC продвигала также более дорогие и сложные компьютеры семейства VAX-11, ситуация вокруг которых отличалась некоторой политизированностью. И со второй половины 70-х DEC практически остановила развитие в линии PDP-11. В частности, так и не была введена поддержка 16-х чисел для ассемблера. СУБД Oracle изначально была создана для PDP-11 в 1979, но уже следующую версию в 1983 для этих компьютеров делать не стали – предпочли им системы на MS-DOS. Быстродействие систем PDP-11 также практически не менялось с середины 70-х. Всё это очень удивительно, так как DEC добилась крупных успехов именно с относительно недорогими компьютерами PDP-11, а отказ от их поддержки в пользу дорогих, почти мейнфреймов VAX получался как добровольный отказ от дальнейших успехов. Хотя скорее всего отказ произошел не добровольно, а под давлением IBM, которая таким изящным образом сломила своего опасного конкурента, заставив его «конкурировать» на своем поле. Возможно тут была также замешана большая политика, так как в 1974 в СССР начали клонировать архитектуру PDP-11 и чуть позже произошел странный сдвиг приоритетов у DEC. Произошёл фактический отказ от развития систем PDP-11, в частности, от очень интересной многопроцессорной модели 11/74. Странности у DEC закончились в точности к началу 90-х, когда СССР развалился.
PDP-11/70 (Мисс Хрюшка) из Музея живых компьютеров, работает до сих и свободно доступен через сеть
PDP-11 использовали разные, совместимые по основной системе команд процессоры, например, LSI-11, F-11, J-11. В конце 70-х DEC сделала дешёвый процессор для микрокомпьютеров T-11. Однако, несмотря на казалось бы большое и качественное программное обеспечение, которое можно было бы в перспективе перенести на систему его использующую, T-11 так и не был замечен производителями компьютерных систем. Единственным исключением стала одна модель игровой консоли фирмы Atari. T-11 нашёл себе массовое применение только в мире встроенного оборудования, хотя по возможностям он скорее слегка превосходил z80. В СССР массово выпускались процессоры К1801ВМ1, К1801ВМ2, К1801ВМ3,… близкие процессорам DEC, а также точные копии некоторых процессоров DEC. Клоны T-11 и J-11 стали производиться только к началу 90-х. Клонирование J-11 тогда считалось особенно большим успехом, а на самом деле – это был шаг на дороге в никуда, просто тратой ресурсов. К1801ВМ1 был функционально близок к T-11. Интересно, что он был спешно переделан из оригинального процессора К1801ВЕ1, который использовался в первом советском ПК Электроника НЦ-8010 в 1981, по принуждающему приказу, скорее из-за общей политической ситуации. Особенно трудно понять такой приказ на фоне действовавших тогда ограничений COCOM. К1802ВМ2, который использовался в ДВК и УКНЦ, теоретически должен быть примерно в два раза быстрее К1801ВМ1, но на практике он обычно лишь чуть быстрее. К1801ВМ3 несколько быстрее К1801ВМ2, поддерживает управление памятью и во многом, кроме своей значительно более низкой тактовой частоты и соответственно более низкой производительности, соответствует лучшим процессорам PDP-11, его быстродействие близко к Intel 8086.
Систему команд процессоров архитектуры PDP-11 отличает почти полная ортогональность, приятное качество, но когда его доводят до крайности, это может создавать и нелепые команды. Система команд процессоров PDP-11 оказала влияние на многие архитектуры и в особенности на Motorola 68000. Возможно, что использование нескольких стеков в 68k, – это прямое следствие того, что многие модели PDP-11 также используют несколько стеков. Мнемоники ассемблера для PDP-11 стали основой ассемблеров и для некоторых других популярных процессоров 680x, 6502, ARM.
Система команд PDP-11 строго 16-битная. Все 8 регистров общего назначения (а счетчик команд в этой архитектуре – это обычный регистр R7) – 16 разрядные, регистр состояний (содержит типичные флаги) 16-разрядный тоже, размер команд от 1-го до 3-х 16-разрядных слов. Каждый операнд в команде может быть (хотя есть исключения, например, инструкция XOR) любого типа – это и есть ортогональность. Среди типов – обычные регистр или память. Программисты в 80-е иногда не понимали, почему в системе команд Intel x86 нет команд типа память-память. Это влияние школы PDP-11 и VAX, где запросто можно написать полные адреса у каждого операнда. Это, конечно, медленно и особенно медленно для систем с типичной с начала 90-х медленной памятью. К памяти можно обращаться и через регистр, регистр со смещением, регистр с авто-декрементаций или инкрементацией. Система команд PDP-11 даёт возможность двойного косвенного обращения к памяти через регистр, например,
MOV @(R0)+,@-(R1)означает то же, что и оператор языка С/C++
**–r1 = **r1++;, где r0 и r1 декларируются как
signed short **r0, **r1;Другой пример, команда
MOVB @11(R2),@-20(R3)соответствует
**(r3-20) = **(r2+11);, где r2 и r3 декларируются как
char **r2, **r3;В популярных ныне архитектурах одной командой в таких случаях уже не обойтись, понадобится возможно не менее 10 команд. Можно также получать адрес относительно текущего значения счётчика команд. Приведу ещё пример с более простой адресацией. Команде
ADD #16,11(R4)в архитектуре Intel x86 можно сопоставить
ADD [BX+11],16В ассемблерах DEC принято писать операнды слева-направо, в отличие от Intel, где пишут справа-налево. Есть основание полагать, что GNU ассемблер для x86 делали под влиянием именно ассемблера PDP-11. Хотя в ассемблере PDP-11 есть странное исключение для инструкции CMP, где операнды почему-то идут как в x86.
Команды умножения и деления только знаковые и доступны не на всех процессорах. Команда деления, как и на 68k, но в отличие от x86, правильно ставит флаги, что позволяет нормально работать со случаями переполнения. Однако не все PDP-11, поддерживающие деление, правильно работают с флагами при таком переполнении. Арифметика десятичных чисел также опциональна – это часть так называемого коммерческого набора инструкций по терминологии DEC. Интересно, что эти инструкции были добавлены из архитектуры VAX, но оказалось, на на PDP-11 они работают быстрее, чем на VAX и от их дальнейшей поддержки из-за этого в итоге отказались!
В качестве курьёза полной ортогональности приведу пример команды
MOV #11,#22, которая после исполнения превращается в
MOV #11,#11– это пример использования непосредственной константы в качестве операнда. Другая курьёзная команда – это уникальная команда MARK, код которой нужно класть в стек и никогда нельзя использовать явно. Вызов подпрограмм в архитектуре PDP-11 также несколько своеобразен. Соответствующая команда сначала сохраняет выделенный регистр (может быть любым) в стеке, затем сохраняет счётчик команд в этом регистре и только затем записывает в счетчик команд новое значение. Команда возврата из подпрограммы должна сделать всё наоборот и знать, какой регистр был использован при вызове подпрограммы. В качестве примера необычной команды можно ещё указать на умножение, в котором в зависимости от номера используемого регистра для результата можно получить либо полное 32-битное произведение, либо только его младшие 16 разрядов. Наличии в системе команд абсолютно бесполезных инструкций CLV, SEV, CLZ, SEZ, CLN, SEN демонстрирует некоторую непродуманность в мелочах этой системы. Работа с флагами демонстрирует и некоторые другие недоделки. Например, команда SWAB, меняющая байты в слове местами, зачем-то сбрасывает флаг переноса. Этот же флаг без необходимости меняют и команды TST, CLR, и COM. Также несколько неуклюже реализована работа с переносом в командах ADC и SBC, например, чтобы сделать сложение двух слов с переносом на PDP-11 нужно две команды, в то время как на x86 или 68k достаточно одной. Хотя на IBM/370 для такой операции потребуется даже три команды. Некоторой неожиданностью может стать, что некоторые типовые инструкции выполняются на разных процессорах по-разному, например,
MOV R0,(R0)+или
MOV SP,-(SP), – такие инструкции стандартный ассемблер DEC рассматривает как ошибочные. Также по-разному исполняются некоторые команды, использующие счётчик команд (PC) как обычный регистр. Вообще различий между разными моделями PDP-11 довольно много, поэтому писать коды, которые можно исполнять на разных системах не совсем просто. И если отсутствие общей поддержки экзотической инструкции MARK погоды не делают, то отсутствие поддержки популярных инструкций SOB (интересное название!) и XOR может быть раздражающим фактором. Однако, процессоры PDP-11 позволяют через программирование исключений симулировать исполнение практически любых инструкций, что хотя и замедляет исполнение кодов, но снимает остроту проблемы. На x86 подобным образом эмулировать отсутствующие инструкции стало возможным только с 80386.
Необычной архитектурной особенностью некоторых моделей PDP-11 является то, что регистры, например, слово состояния процессора или R1, доступны через адреса как обычная память. Другая необычная особенность в том, что у некоторых моделей PDP-11 есть режим супервизора, который в отличие от многих других архитектур, не является привилегированным, а лишь является дополнительным режимом пользователя. Привилегированный режим называется режимом ядра.
Команды, использующие PC, как обычный регистр, могут весьма озадачить при встрече с ними. Попробуйте понять, что, например, означает
INC PC,
CALL (PC),
MOV -(PC),-(PC)– такие команды иногда реально используют, первая может быть полезна для создания быстрого двукратного цикла!
Для работы с вещественными числами есть две основные опции. Первая – это расширение FIS (Floating Instruction Set), которое позволяет работать на базовом уровне с короткими вещественными. Как правило, FIS использовалось на уровне программной эмуляции. Вторая – это расширение FP11 floating point instruction set, которое даёт значительно большие возможности. Эти расширения используют разные инструкции. В СССР только к концу 80-х был создан чип К1801ВМ4, реализующий второе расширение.
Любопытно, что среди программировших на PDP-11 сложилась культура работы напрямую с машинными кодами. Программисты могли, например, работать без дизассемблера при отладке. Или даже писать небольшие программы прямо в память, не ассемблируя!
Конечно, тайминги команд не отличаются слишком скоростными характеристиками. Удивительно было когда-то узнать, что на отечественном компьютере БК команда пересылки из регистра в регистр занимает целых 12 тактов (10 тактов при использовании кода из ПЗУ), а команды с двумя операндами с двойной косвенной адресацией исполняются за более чем 100 тактов. Z80 делает 16-разрядную регистровую пересылку за 8. Однако, медленность БК вызвана не столько процессором, сколько тормознутым способом работы с памятью. Если бы использовался достаточно быстрый способ, то и БК пересылал 16 регистровых бит за 8 тактов тоже. Когда-то было много споров, что быстрее БК или Спектрум? Сразу надо сказать, что Спектрум – это при использовании верхних 32 КБ памяти один из самых быстрых массовых 8-битных персональных компьютеров. Поэтому неудивительно, что Спектрум быстрее БК, но не намного. А если бы БК работал с памятью без тормозов, то он был бы наверное чуть быстрее.
На первый взгляд, плотность кодов скорее слабое место архитектуры PDP-11. Коды инструкций должны быть кратными длине машинного слова – 2 байтам, что особенно неприятно при работе с байтовыми аргументами или простыми командами вроде установки или сброса флага. Но при сравнении с другими архитектурами PDP-11 показывает на практике иногда даже лучшую плотность кодов!
Интересны попытки сделать персональный компьютер на базе архитектуры PDP-11. Одним из первых ПК в мире, появившихся лишь чуть позже Apple ][ и Commodore PET и скорее чуть раньше Tandy TRS-80, был Terak 8510/a, который имел черно-белую графику и возможность загружать неполный вариант Unix. Этот ПК был довольно дорог и, насколько мне известно, использовался только в системе высшего образования США. С 1978 производился компьютер в виде комплекта для сборки Heathkit H11. Сама фирма DEC тоже пыталась сделать свой ПК, но очень непоследовательно. DEC, например, выпускала ПК на базе z80 и 8088, явно играя скорее против своих основных разработок. Интересно, что некоторые модели PDP-11 используют два набора регистров как и Z80.
В 1978 DEC выпустила серию интеллектуальных терминалов PDT-11, лучший из которых PDT-11/150 можно было использовать как ПК. Настоящие персоналки на базе архитектуры PDP-11 – это DEC PRO-325/350 (1982) и 380 (1985). Фактически это были рабочие станции. Но DEC почему-то только ограничено предоставляла для них своё хорошо известное системное ПО. Это, а также общее нежелание DEC развивать архитектуру PDP-11, привело эти теоретически вполне конкурентные IBM PC машины к быстрому исчезновению из пространства ИТ. Интересно, что для этих машин DEC предлагала плату с процессором Z80 для запуска CP/M. Плат совместимости с IBM PC DEC не предлагала. Этим фактически DEC ставила системы Pro на уровень 8-битных машин! По производительности Pro-325/350 были несколько медленнее первых IBM PC, но Pro-380 обгонял даже топовые Turbo PC XT. По классу программного обеспечения DEC Pro существенно превосходил IBM PC XT.
Лучше всего персонализация технологий мини-компьютеров получилась в СССР, где производились БК, ДВК, УК НЦ,… Кстати, Электроника-85 – это довольно точный клон DEC PRO-350. Кроме того, родственный архитектуре PDP-11 процессор CP1600 использовался в популярных в начале 80-х игровых консолях Intellivision.
Отечественный 16-разрядный домашний компьютер (1985) – почти PDP-11 совместимый
В старших моделях PDP-11 и близких им отечественных компьютерах процессор может адресовать до 4 МБ памяти, но одной программе при этом может выделяться обычно не более 64 КБ. Однако, используя специальные возможности аппаратуры и системного ПО, можно было создавать и большие коды. Лучшие процессоры DEC, например, J-11 могут использовать раздельное адресное пространство для инструкций и данных, что увеличивает размер адресного пространства вдвое и никак не замедляет исполнения. Массовые отечественные процессоры такого не умели. И тут стоит заметить, что даже первые процессоры x86, умели такое прямо «из коробки» и более продвинуто, выделяя таким образом до 256 КБ, а если считать пространство портов, то и все 320КБ. Размер исполняемого кода в PDP-11 можно также увеличивать через оверлеи, размещаемые в памяти. Работа с оверляеми PDP-11 требует основательной поддержки со стороны ОС и компиляторов и медленнее, чем дальние вызовы в первых x86. Для работы с большими данными на PDP-11 можно использовать виртуальные массивы, что опять требует хорошей поддержки со стороны ОС и компиляторов и также медленнее, чем работа с большими массивами на первых x86.
По быстродействию лучшие процессоры для PDP-11 по числу операций на мегагерц близки к 8086. Однако из-за более высоких используемых частот, лучшие PDP-11 были быстрее первых IBM PC, но уже первые AT с ними практически сравнялись. Персоналки DEC Pro-325/350 по производительности примерно соответствовали первым IBM PC на частоте 4 МГц, а Pro-380 был несколько медленнее первых IBM PC AT. Кстати, первые микропроцессоры DEC, LSI-11 и F-11, были даже медленнее первых советских чипов К1801ВМ1 и К1801ВМ2. Можно, поэтому предположить, что микропроцессоры DEC создавались только с целью удешевить производство. Интересно, что LSI-11 и F-11 состоят из нескольких чипов, а J-11, T-11 и все советские из одного.
Процессор для DEC VAX
Системы VAX-11 были довольно популярны в 80-е, особенно в высшем образовании. Сейчас трудно понять некоторые концепции, описанные в книгах тех лет, без знания особенностей архитектуры этих систем. Они могли эмулировать популярные PDP-11. VAX-11 были дороже PDP-11, но более ориентированы на универсальное программирование и всё же существенно дешевле систем IBM/370. Для архитектуры VAX был к середине 80-х сделан процессор V-11, а до этого времени использовались процессорные сборки.
Архитектура VAX-11 32-разрядная, она использует 16 регистров, среди которых как и на PDP-11 есть счётчик команд. Предполагается использование двух стеков, один из которых используется для хранения кадров-фреймов подпрограмм. Кроме того, один из регистров назначен для работы с аргументами вызываемых функций. Таким образом, для стеков выделены 3 из 16 регистров. Система команд VAX-11 не может не поражать своей огромностью и наличием весьма редкостных и часто уникальных команд, например, для работы с полями битов или несколькими типами очередей, для вычисления CRC, умножения 10-х строк,… Многие команды есть как в трехадресных вариантах (как ARM), так и в двухадресных (как х86), но есть и четырехадресные команды, например, расширенное деление EDIV. Аппаратная поддержка работы с вещественными числами опциональна и отсутствует на некоторых моделях Ваксов.
Система инструкций VAX отличается возможно наиболее полной реализацией концепции ортогональности – в любой позиции операнда можно использовать любой режим адресации. При этом, в отличие от PDP-11, странные команды типа
MOVB #11,#12 запрещены. Сами способы адресации расширяют имеющиеся на PDP-11 тем, что используется 32-разрядная адресация и тем, что в адресе стало возможным использовать опциональный индексный регистр с масштабированием, – последнее потом повторили в 68020 и 80386. Рассмотрим пример команды Вакса.ADDL3 (R1)+,(R2)+[R3],@(R4)+[R5]Эта команда сложения эквивалентна следующей последовательности команд для 80386.
LODSD ;ESI - R1
ADD EAX,[EDI+EBX*4] ;EDI - R2, EBX - R3
ADD EDI,4
MOV EDX,[ECX+EBP*4] ;ECX - R4, EBP - R5
MOV [EDX],EAX
ADD ECX,4Или следующей последовательности команд для ARM.
LDR R0,[R1],4
LDR R6,[R2,R3,LSL 2]
ADD R2,4
LDR R7,[R4,R5,LSL 2]
ADD R4,4
LDR R7,[R7]
ADD R0,R6
STR R0,[R7]Однако, стоит отметить, что исходная VAX-инструкция скорее всего никогда не использовалась ни в одной программе. Этот пример хорошо иллюстрирует проблему наличия слишком большого набора инструкций и методов адресации – большинство вариантов инструкций попросту практически никогда не используются. Эта проблема стала критической, когда к 90-м произошел переход от микропрограммной реализации инструкций к быстрой, без задержек. А дальнейший переход к суперскалярной архитектуре с такой проблемой стал практически просто невозможным.
В отличие от IBM/370, PDP-11 или 68k, инструкции VAX не обязаны иметь четную длину и могут, как и инструкции x86, быть длиной от одного байта. Это, возможность использования смещений разных размеров 8, 16 или 32 бита) и наличие большого множества различных команд и методов адресации позволяет кодам VAX быть одними из лучших по плотности.
Но VAX-11 – это очень медленная для своего класса и цены система. Даже сверхпростейший 6502 на 4 МГц мог обогнать самый медленный из семейства VAX-11/730, а самые быстрые системы VAX-11 – огромные шкафы и «целые мебельные гарнитуры», по производительности оказываются на уровне первых PC AT. Когда появился 80286 стало ясно, что дни VAX-11 сочтены и даже торможение с внедрением систем на основе 80286 не могло уже ничего принципиально изменить. Более прямолинейные англичане из Acorn, сделав ARM в 1985, ничего не скрывая, заявили что ARM гораздо дешевле и заметно быстрее. VAX-11, тем не менее, сохранял актуальность до начала 90-х, имея всё же некоторые преимущества перед ПК, в частности, более быстрые системы для работы с дисками.
Известно, что среди самых дешёвых VAX-11 были проблемы с совместимостью. В частности, на первые VAX-11/730 не удавалось портировать Unix из-за особенностей реализации на них привилегированных инструкций.
VAX – это наверное последняя массовая система, в которой удобство работы на языке ассемблер считалось важнее быстродействия. В каком-то смысле, такой подход перешел на современные популярные языки сценариев.
На фотографии изображен VAX-11/785 – это тоже компьютер (1984) – самый быстрый среди VAX-11, по быстродействию процессора сравним с IBM PC AT или ARM Evaluation SystemУдивительно, но в открытом доступе очень мало литературы по системам VAX. Как будто действует какой-то странный закон о забвении. Интересно, что торговая марка VAX сейчас используется производителем пылесосов и, кроме того, это слово стало синонимом слова вакцина во времена мощного тренда массовой вакцинации, особенно применительно к тем, кто тут в чем-то сомневается. С историей архитектуры VAX связаны несколько эпизодов, близких к политике и коррелированных с историей СССР. Вполне возможно, что фактический отказ от развития архитектуры PDP-11 был вызван её дешевизной и успехами её клонирование в Советском Союзе. А клонирование VAX стоило на порядок больших ресурсов и вело в тупик. Интерес к VAX создавали, используя, например, используя розыгрыши типа знаменитого Кремлевского Вакса на 1 апреля 1984, в которой тогдашний лидер СССР Константин Черненко предлагал выпить водки по случаю подключения к сети Usenet. Другая шутка заключалась в том, что на некоторые чипы VAX впечатывалось послание на ломаном русском языке о том, как хорош VAX. :) К этому также примыкает факт завышения быстродействия первого Вакса, заявленное быстродействие было фактически вдвое выше реального. Тут ещё можно отметить, что в отличие от PDP-11, где всегда тщательно документировалось время исполнения инструкций, для Ваксов эта информация никогда официально не публиковалась.
Некоторые первые модели VAX были клонированы в СССР к концу 80-х, но таких клонов было произведено очень мало и они практически не нашли себе применения. Некоторые модели Ваксов клонировались также Великобритании, Китае, ГДР, Венгрии и Чехословакии.
Конечно нужно иметь в виду, что на VAX-11 история компьютеров VAX в DEC не завершилась. Последние модели VAX-11 были сделаны в середине 80-х. Им на смену пришли модели VAX 8000, некоторые из которых относились к семейству VAX-11. Параллельно шло развитие линий MicroVax, VAXstation и VAXserver. VAX 8000 сменили более дешёвые и несколько более быстрые VAX 6000. Уже в начале 90-х MicroVax сменили модели VAX 4000. Процессоры VAX c начала 90-х показывали производительность на уровне 80486, но имели несколько более высокие тактовые частоты. Могу предположить, что 80486DX4 на частоте 100 МГц и первые процессоры Pentium стали обгонять лучшие модели VAX 7000 по производительности. После чего в DEC пришлось отказаться от поддержки системы инструкций VAX и перейти к её эмуляции на системах DEC Alpha. Были ещё и суперкомпьютеры VAX 9000 и многопроцессорные варианты, например, VAX 7000, но это были очень дорогие системы. Можно ещё упомянуть системы повышенной надежности VAXft, в которых функции процессора дублировались, что позволяло преодолевать сбой одного из процессоров. После V11 были процессоры CVAX, Rigel, NVAX и NVAX+. Ваксы после VAX-11 аппаратной поддержки эмуляции PDP-11 уже не имели.
Несколько систем VAX доступны для использования через сеть. И это их выгодно отличает от систем IBM/370, c которыми они конкурировали.
Intel: от 8086 до 80486
Безусловно, что одним из самых лучших процессоров, из сделанных в 70-е, является 8086, а также его более дешевый почти аналог 8088. Интересно, что 8088 и 8086 внешне выглядят идентично, их чипы имеют одинаковое число ножек и почти все ножки имеют одинаковую функциональность. Архитектуру этих процессоров приятно отличает отсутствие механических заимствований и следований абстрактным теориям, продуманность и взвешенность архитектуры, сбалансированность и ориентированность на дальнейшее развитие. Из недостатков архитектуры x86 можно назвать её некоторую громоздкость и склонность к экстенсивному росту числа инструкций.
Одним из гениальных конструктивных решений 8086 стало изобретение сегментных регистров. Этим как бы одновременно достигались две цели – «бесплатная» перемещаемость программ, размером до 64 КБ (это до середины 80-х был очень даже достойный объем для компьютерной памяти для одной программы), и адресуемость до 1 МБ адресного пространства. Можно ещё заметить, что 8086 как и 8080 или z80 имеет ещё и специальное адресное пространство для портов ввода-вывода размером 64 КБ (y 8080 и 8085 этот объем – 256 байт). Сегментных регистров всего четыре: для кода, для стека и два для данных. Таким образом, для быстрого использования доступны 64*4 = 256 КБ памяти, но это было очень много даже в середине 80-х. На самом деле проблем по размеру кода нет, так как можно использовать так называемые длинные вызовы подпрограмм с загрузкой и сохранением полного адреса из двух регистров. Есть только ограничение в 64 КБ на размер одной подпрограммы – это достаточно и для многих современных приложений. Некоторую проблему создаёт только невозможность быстрой адресации к массивам данных размером более 64 КБ – при использовании таких массивов нужно загружать сегментный регистр и собственно адрес при каждом обращении, что снижает скорость работы с такими большими массивами в несколько раз.
Сегментые регистры реализованы так, что их присутствие практически незаметно в машинных кодах, что позволило, когда пришло время, легко от них отказаться.
Довольно часто можно встретить критику сегментной организации памяти, т.е. такой организации, что в общем случае для адресации ячейки памяти нужно использовать два указателя. Однако, это какая-то странная критика, скорее надуманная. Сама по себе сегментация – это совершенно естественный способ организации виртуализации и защиты памяти. Фактически критике подвергалась не сама сегментация, а только максимальный размер сегментов, 64 КБ. Однако, это ограничение является прямым следствием реализации желания иметь большие объемы памяти при использовании 16-разрядных регистров. Поэтому вся критика сегментации – это фактически замаскированное требование перехода на 32-разрядную архитектуру. Ситуация усложнялась тем, что сегментация в первых x86 только частично имела функциональность нормального устройства управления памятью (MMU), в частности, работа с сегментными регистрами была доступна прикладным программам. В 80286 сделали полную поддержку сегментации, но это сделало прежние прикладные программы для 8086 несовместимыми с режимом, когда эта полная поддержка активировалась. Только с появлением 80386 все проблемы были решены и критика прекратилась, хотя 80386 по-прежнему использовал сементацию!
Удивительно, что почему-то практически невозможно найти подобную критику в отношении популярных PDP-11, где ограничения на использование памяти существенно более жёсткие. Не самые дорогие PDP-11 были существенно дороже лучших персональных компьютеров, а самые лучшие PDP-11 до середины 80-х были быстрее лучших IBM PC совместимых машин. PDP-11 были компьютерами более высокого класса до появления ПК на базе 80486 и использовали сегментирование…
Использование одного указателя для хранения полного адреса памяти было естественным в архитектуре мейнфреймов IBM, VAX и процессора 68000. Легко заметить, что в этом списке нет персональных компьютеров, так как даже 68000 изначально разрабатывали для сравнительно дорогих, неперсональных систем. Процессор 8086 сохранил много общего с 8080, который использовался больше как контроллер. Поэтому довольно странно сравнивать системы на базе 8088 с, например, VAX или даже рабочими станциями Sun – это совершенно разные классы машин. Но, возможно, благодаря Биллу Гейтсу IBM PC изначально стали равнять на гораздо более дорогие системы. Первый IBM PC имел всего 16 КБ памяти, а 64 КБ было в 1981 скорее роскошью для индивидуального покупателя. К середине 80-х типовые объемы памяти для IBM PC совместимых систем достигли 512 КБ – сегментация при таких объемах памяти практически никогда не могла создавать каких-либо затруднений. Когда типовые объемы памяти для IBM PC совместимых машин превысили 512 КБ появился 80386. Стоит вспомнить, что даже в 1985 большинство систем были 8-битные и для работы с памятью, объемами более 64 КБ, приходилось использовать переключения банков памяти – это на порядок или даже два более сложно и медленно, чем использование больших массивов с 8086. А первые IBM PC были вполне сопоставимы именно с 8-битными системами, а не с VAX. Кстати, альтернативный вариант дизайна IBM PC использовал Z80. Поэтому можно только восхититься инженерами Intel, которые смогли в течении более 40 лет развивать процессоры x86 так, чтобы они всё это время были относительно недорогими, технически одними из лучших и это при сохранении бинарной совместимости со всеми предшествующими моделями, начиная с 8086! Хотя это не рекорд, IBM поддерживает совместимость с архитектурой System/360 с 60-х.
Как это было отмечено, архитектура 8086 сохранила близость к архитектуре 8080, что позволило сравнительно небольшими усилиями переносить программы с 8080 (или даже с z80) на 8086 и особенно в случае, если были доступны исходные тексты программ.
Команды 8086 не отличаются высокой скоростью исполнения, но вполне сопоставимы с конкурентами, например, Motorola 68000, который появился на год позже. Одной из новинок, немного разгоняющих в целом неспешный 8086, стала очередь команд.
8086 использует восемь 16-разрядных регистров, некоторые из которых можно использовать как два байтовых регистра, а некоторые как индексные. Таким образом, регистры 8086 отличает некоторая разнородность, но она хорошо сбалансирована и регистры очень удобны в использовании. Эта разнородность, кстати, позволяет иметь более плотные коды. 8086 использует те же флаги, что и 8080, плюс несколько новых. Например, появился флаг типичный для архитектуры PDP-11 – пошагового исполнения. По сравнению с PDP-11 улучшилась логика описания работы с флагами для работы со знаковыми числами. Рассмотрим таблицу, где приведены соответствия между значениями флагов и отношениями между знаковыми числами.
Так по-разному описывали одни и те же отношения в разных компанияхИз этой таблицы наверное естественно сделать вывод, что в Intel понимали логические операции, в DEC их понимали несколько хуже, ну а в Motorola похоже могли только списывать ДНФ из учебников по булевой алгебре.
8086 позволяет использовать очень интересные режимы адресации, например, адрес можно составить из суммы двух регистров и константного 16-разрядного смешения, на который накладывается значение одного из сегментных регистров. Из суммы, составляющей адрес, можно оставить только два или даже одно слагаемое. Такое на PDP-11 или на 68k одной командой не получится. Большинство команд 8086 не позволяют иметь оба операнда типа память, один из операндов должен быть регистром. Такой подход полностью аналогичен тому, что использовался на лучших тогда системах IBM/370. Вдобавок у 8086 есть ещё и строковые команды, которые как раз умеют работать с двумя адресами в памяти. Строковые команды позволяют делать быстрое блочное копирование (20 тактов на байт или слово), поиск, заполнение, загрузку и сравнение. Кроме того, строковые команды можно использовать при работе с портами ввода-вывода. Очень интересна идея 8086 использовать префиксы команд, позволяющие без существенного усложнения схем кодирования команд использовать часто очень полезную дополнительную функциональность.
8086 имеет одну из лучших среди всех компьютерных систем организацию работы со стеком. Используя только два регистра (BP и SP), 8086 позволяет решать все проблемы при организации вызовов подпрограмм с параметрами.
Среди команд есть знаковые и беззнаковые умножение и деление. Есть даже уникальные команды десятичной корректировки для команд умножения и деления. Трудно сказать, что в системе команд 8086 чего-то явно не хватает. Скорее наоборот. Деление 32-разрядного делимого на 16-разрядный делитель с получением 32-разрядного частного и 16-разрядного остатка может потребовать до 300 тактов – не особенно быстро, но в несколько раз быстрее, чем такое деление на любых 8-битных процессорах (кроме 6309) и сравнимо по скорости с 68000. Деление на х86 имеет одну неожиданную и скорее неприятную особенность – оно непредсказуемо меняет флаги признаков.
Стоит ещё добавить, что в архитектуре x86 осталось унаследованная от 8080 команда XCHG, которая была усовершенствованна. Интересно, что в архитектуре x86 для команды NOP используется
XCHG AX,AXMOV AX,AXXCHG BX,CX и XCHG CX,BX кодируются по-разному. XCHG – это редкий случай, когда AX обычно кодируется не как регистр общего назначения: XCHG с AX короче на один байт и быстрее на один такт, чем общий случай, и, кроме того, из-за очереди команд, обычно быстрее, чем MOV. Однако, 7 более длинных и медленных инструкций XCHG, когда AX кодируется обычным образом – это особо некрасивая часть упомянутых бесполезных инструкций. В более поздних процессорах стали использоваться инструкции XADD, CMPXCHG и CMPXCHG8B, которые также могут выполнять атомарно обмен аргументов. Такие инструкции – одна из особенностей х86, их трудно встретить на процессорах других архитектур.Можно резюмировать, что 8086 – это очень удачный процессор, сочетавший в себе как удобство программирования, так и привязанность к характерным для своего времени ограничениям по объему памяти. 8086 использовался сравнительно редко, уступив более дешевому 8088 почетное место быть первым процессором для основной для персональных компьютеров нашего времени архитектуры IBM PC. 8088 использовал 8-разрядную шину данных, что делало его несколько более медленным, но зато позволяло строить на его основе более доступные покупателям системы. Тут стоит отметить, что на момент своего появления, IBM PC был самым продвинутым персональным компьютером в мире, далеко опережая всех конкурентов.
IBM 5150 или первый IBM PCИнтересно, что Intel принципиально отказалась вносить усовершенствования в свои процессоры, предпочитая вместо этого разрабатывать их следующие поколения. Один из крупнейших субподрядчиков (second source) Intel, японская корпорация NEC, которая в начале 80-х была намного крупнее Intel, решила усовершенствовать 8088 и 8086, выпустив процессоры V20 и V30, совместимые с ними по разъёму и до 30% более быстрые. NEC даже предложила Intel стать своим субподрядчиком! Intel вместо этого начала судебный процесс против NEC, который, однако, не смогла выиграть. Почему-то эта большая разборка между Intel и NEC совершенно проигнорирована википедией. Интересно ещё, что почти все производители компьютеров в США и Европе упрямо и без комментариев продолжали использовать более медленные процессоры Intel.
80186 и 80286 появились в 1982. Таким образом, Intel имела две почти независимые команды разработчиков. Тогда же появился и 80188, который отличался от 80186 только узкой шиной данных, – в Intel никогда не забывали о недорогих решениях для встроенных систем. 80186 – это улучшенный несколькими командами и сокращенными таймингами 8086 плюс несколько встроенных в чип схем, типичных для архитектуры х86: генератором тактов, таймерами, DMA/ПДП, контроллером прерываний, генератором задержек и др. Такой процессор, казалось бы, мог бы сильно упростить производство основанных на нём компьютеров, но из-за того, что встроенный контроллер прерываний оказался почему-то не совместимым с IBM PC, в ПК он почти никогда не использовался. Автору известна только система BBC Master 512 на основе компьютера BBC Micro, который не использовал встроенные схемы, даже таймер, но было ещё несколько систем, использующих 80186. Адресуемая память у 80186 осталась в как и у 8086 размером в 1 МБ. Японская корпорации NEC производила аналоги 80186, которые были совместимы с IBM PC.
Рассмотрим новые инструкции 80186:
- однобайтовые инструкции PUSHA и POPA, позволяющие за раз сохранить или восстановить все 8 регистров;
- трехоперандное знаковое умножение, уникальное в архитектуре x86, оно больше похоже на инструкцию для ARM;
- битовые сдвиги и вращения, с аргументом числом – в 8086 можно было использовать только число 1 или регистр CL. Для аргумента 1 можно использовать два варианта инструкций, быструю и короткую, унаследованную от 8086, или обобщенную, более длинную и медленную для любых числовых аргументов, что скорее бесполезно;
- строковые команды для работы с портами ввода-вывода, они несколько мощнее подобных, имеющихся у Z80;
- инструкции ENTER и LEAVE – поддержка работы с подпрограммами на языках высокого уровня. Они умеют работать с синтаксической вложенностью подпрограмм до 32 уровня – использование такого типа вложенности характерно для языка паскаль. Однако для паскаля наверное не найти ни одной программы, где была бы вложенность больше 3. Да и сам паскаль с тех пор применяется всё реже и реже. Тут можно заметить, что Motorola также добавила поддержку паскаля в 68020, о чем потом вспоминали с сожалением;
- команда BOUND для проверки допустимости индекса массива.
80286 имел ещё лучшие тайминги, чем 80186, среди которых особо выделяется просто фантастическое деление (32/16=16,16) за 22 такта – с тех пор деление делать быстрее так и не научились! 80286 поддерживает работу с всеми новыми командами 80186 плюс много команд для работы в новом, защищенном режиме. 80286 стал первым процессором с встроенной поддержкой защищенного режима, который позволял организовать защиту памяти, правильное использование привилегированных инструкций, доступ к виртуальной памяти. Хотя работа в новом режиме сравнительно редко использовалась, это был большой прорыв вперёд. В этом новом режиме сегментные регистры приобрели новое качество, позволяя использовать до 16 МБ адресуемой памяти и до 1 ГБ виртуальной памяти на задачу. Главной проблемой 80286 была невозможность переключаться из защищенного режима в реальный, в котором работали тогда большинство программ. Используя «секретную» недокументированную инструкцию LOADALL, можно было использовать 16 МБ в памяти и в реальном режиме.
В 80286 вычисление адресов в операндах инструкций стало производиться отдельными схемами и перестало замедлять исполнение команд. Это добавило интересные возможности, например, командой
LEA AX,[BX+SI+4000]всего за 3 такта стало возможным выполнить два сложения и перенос результата в регистр AX!
Сегментные регистры в защищенном режиме стали частью полноценной системы управления памятью (MMU). В реальном режиме эти регистры, как это уже упоминалось, лишь частично обеспечивали функциональность MMU.
Число производителей и конкретных систем, использующих 80286 огромно, но, конечно, первыми стали компьютеры IBM PC AT с почти фантастическими среди персональных компьютеров показателями по быстродействию. С этих компьютеров память начала отставать по быстродействию от процессора, появились состояния задержки, но тогда это казалось ещё чем-то временным.
У 80286, как и у 8086/8088, работа с прерываниями была реализована не на 100% корректно, что в очень редких случаях могло приводить к весьма неприятным последствиям. Например, команда POPF у 80286 всегда разрешала прерывания при своём исполнении, а при исполнении команды с двумя префиксами (в качестве примера можно взять REP ES:MOVSB) на 8086/8088 после вызова прерывания один из префиксов терялся. Ошибка в POPF была только у ранних выпусков 80286.
Защищенный режим 80286 был скорее неудобен, делил всю память на сегменты размером не более 64 КБ и требовал непростой программной поддержки работы с виртуальной памятью. Сегментный способ работать с памятью явно уступал почти по всем характеристикам страничному.
80386, появившись в 1985, сделал работу в защищенном режиме вполне комфортной, позволил использовать до 4 ГБ адресуемой памяти и легко переключаться между режимами. Кроме того, для поддержки многозадачности для программ для 8086 был сделан режим виртуального 8086. Для управления памятью стало возможным использовать как большие сегменты размером до 4 ГБ, так и удобный страничный режим. 80386 при всех своих новшествах сохранил полную совместимость с программами, написанными для 80286. Среди новшеств 80386 можно ещё назвать вытягивание регистров до 32-бит и добавление двух новых сегментных регистров. Кроме того, при вычислении адреса все регистры стали равноправными и стало возможным использовать масштабирование. Однако, это равноправие регистров добавило много бесполезных и некрасивых инструкций-двойников. Тайминги изменились, но неоднозначно. Был добавлен быстрый битовый сдвигатель (barrel shifter), что позволило делать множественные сдвиги с таймингами одного. Однако, это новшество очень сильно почему-то очень замедлило исполнение команд циклических сдвигов. Умножение стало чуть медленнее, чем у 80286. Работа с памятью стала, наоборот, чуть быстрее, но это не относится к строковым командам, которые остались быстрее у 80286. Автору этого материала не раз приходилось сталкиваться с мнением, что в реальном режиме с 16-битным кодом 80286 в итоге всё же чуть-чуть быстрее, чем 80386 на той же самой частоте.
В 80386 были добавлены новые команды, большинство из которых лишь давали новые способы для работы с данными, фактически дублируя с оптимизацией для некоторых случаев имеющиеся. Например, были добавлены команды:
- для проверки, установки и сброса бита по номеру, похожие на те, что были сделаны для z80;
- побитового сканирования BSF и BSR;
- копирования значения со знаковым или нулевым расширением, MOVSX и MOVZX;
- установки значения в зависимости от значений флагов операций SETxx;
- сдвигов сдвоенных величин SHLD, SHRD – похожие команды есть на мейнфреймах IBM.
Процессоры x86 до появления 80386 могли использовать только короткие, со смещением один байт условные переходы – этого было часто очень недостаточно. С 80386 стало возможным использовать смещения из двух (или четыпех в режиме 32-битного адреса) байт, причем несмотря на то, что код новых переходов стал в два (или три) раза длиннее, время его исполнения осталось таким же как и у прежних, коротких переходов. Однако не всё было сделано идеально: возможно для защищенного режима стоило использовать 16-битные смещения вместо малополезных 8-битных.
Радикально была улучшена поддержка отладки введением 4-х аппаратных точек останова, используя их, стало возможным останавливать программы даже на адресах в памяти, которую нельзя изменять.
Вследствие того, что основной защищенный режим стал гораздо проще для управления, чем в 80286, ряд унаследованных команд стали ненужными рудиментами. В этом основном защищенном, так называемом flat-режиме используют сегменты размером до 4 ГБ, что превращает все сегментные регистры в малозаметную формальность. А полудокументированный нереальный режим позволил даже использовать всю память как и во flat-режиме, но из простого для установки и управления реального режима.
С 80386 фирма Intel отказалась делиться своими технологиями, став фактически монопольным производителем процессоров для архитектуры IBM PC, а с ослаблением позиций Motorola, и для других архитектур персональных компьютеров. Системы на основе 80386 были очень дороги до начала 90-х, когда они стали наконец доступны массовым потребителям на частотах от 25 до 40 МГц. C 80386 IBM стала утрачивать позиции ведущего производителя IBM PC совместимых компьютеров. Это проявилось, в частности, в том, что первым ПК на основе 80386 стал в 1986 компьютер фирмы Compaq.
Трудно не сдержать восхищение теми объёмам работы, которая была проделана создателями 80386 и её результатами. Осмелюсь даже высказать предположение, что 80386 заключает в себе больше достижений, чем все технологические достижения человечества до 1970, а может и до 1980. Интересно, что команда разработчиков 80386 отличалась своеобразной и открытой религиозностью.
Довольно интересна тема ошибок в 80386. Напишу про две. Первые чипы имели некоторые команды, которые затем исчезли из руководств по этим процессорам и перестали исполняться на более поздних чипах. Если использовать первые источники информации по 80386 практически, может случиться неожиданное затруднение. Речь идет о командах IBTS и XBTS. У всех 80386DX/SX, производимых как AMD, так и Intel (что обнаруживает их любопытную внутреннюю идентичность), есть очень странный и неприятный баг, который проявлялся в уничтожение значения регистра EAX, если после записи в стек или выгрузке оттуда всех регистров командами POPAD или PUSHAD использовалась команда, использовавшая адрес с регистром BX. В некоторых ситуациях процессор мог даже зависнуть. Просто кошмарный баг и очень массовый, а в википедии нет даже упоминаний про него. Были и другие баги.
Появление ARM изменило ситуацию в мире компьютерных технологий. Несмотря на проблемы, процессоры ARM продолжали своё развитие. Ответом Intel стал 80486. В борьбе за быстродействие и за первое место в мире передовых технологий Intel пошла даже на уродующее до сих облик персонального компьютера решение – использование охлаждающего вентилятора.
В 80486 были улучшены тайминги большинства инструкций и некоторые из них стали выполняться как и на процессорах ARM за такт. Хотя умножение и деление почему-то стали чуть медленнее. Особенно странно, что однократные двоичные сдвиги и вращения регистра стали выполняться даже медленнее, чем с 8088! Появилась довольно большая для тех лет, размером 8 КБ, встроенная кэш-память. Появились и новые инструкции, например, CMPXCHG – она заняла место незаметно пропавших инструкций IBTS и XBTS (любопытно, что в качестве секретной эта инструкция была доступна уже и на поздних 80386). Новых инструкции совсем немного – всего шесть, из которых стоит упомянуть весьма полезную команду для смены порядка байт в 32-разрядном слове BSWAP. Большой полезной новинкой стало наличие встроенного в чип арифметического сопроцессора – так ещё никто не делал. Была также улучшена работа очереди команд.
Первые системы на базе 80486 были невероятно дороги. Довольно необычно, что первые компьютеры на базе 80486, модель VX FT, сделала английская фирма Apricot – их цена в 1989 была от 18 до 40 тысяч долларов, а вес системного блока – более 60 кг! Хотя появление именно здесь компьютерных систем на базе новейшего процессора Intel могло быть вызвано логикой конкуренции с ARM и Acorn. IBM выпустила первый компьютер на базе 80486 в 1990, это была модель PS/2 90 стоимостью $17000.
Трудно себе представить процессоры Intel без секретных, недокументированных официально возможностей. Часть таких возможностей скрывали от пользователей, начиная с самых первых 8086. Например, такой пусть и почти никому не нужный факт, что второй байт в инструкциях десятичной коррекции AAD и AAM имеет значение и может быть другим, вообще недесятичным (это было документировано только с процессора Pentium спустя 15 лет!). Более неприятно умолчание сокращенных команд AND/OR/XOR с операндом байтовой константой, например, AND BX,7 с опкодом длиной три байта (83 E3 07). Эти команды, делающие код более компактным, что было особенно важно с первыми ПК, были тихо вставлены в документацию только по 80386. Интересно, что в фирменных руководствах по 8086 или 80286 есть намек об этих командах, но конкретных опкодов по ним там нет. В отличие от похожих инструкций ADD/ADC/SBB/SUB, по которым была предоставлена полная информация. Это, в частности, привело к тому, что многие ассемблеры (все?) не умели производить более короткие коды. Ещё одна группа секретов скорее может быть названа некоторой странностью – ряд инструкций имеют по два кода операций. Речь идёт, например, об инструкциях SAL/SHL (опкоды D0 E0, D0 F0 или D1 E0, D1 F0) и некоторых других. Обычно, а может и всегда, используется только один код операции. Второй, секретный не используется практически никогда. Можно только удивляться, почему Intel так бережно сохраняет эти лишние, захламляющие пространство опкодов неофициальные дублирующие инструкции? Инструкция SALC ждала своего официального документирования до 1995 почти 20 лет! Инструкция для отладки ICEBP была официально несуществующей 10 лет с 1985 по 1995. Более всего писалось про тайные инструкции LOADALL и LOADALLD – они так навсегда и останутся тайными, так как их можно было использовать для простого доступа к большим объемам памяти только на 80286 и 80386 соответственно. До недавнего времени сохранялась интрига вокруг инструкции UD1 (0F B9), которая неофициально являлась примером неправильного опкода. Неофициальное недавно стало официальным.
В СССР был освоен выпуск клонов процессоров 8088 и 8086, а полностью воспроизвести 80286 так и не получилось. Удалось реализовать только расширенную систему команд 80186 и отдельный чип для управления памятью, что должно было позволять запускать программы для 80286. Интересно, что в ГДР смогли таки сделать клон 80286 к 1989.
Motorola: от 68000 до 68040
Motorola – это единственная фирма, которая какое-то время могла успешно конкурировать с Intel в области производства процессоров для персональных компьютеров. В 1980 Motorola фактически поставила Intel в ситуацию кризиса, из которого та могла выйти, только мобилизовав все свои силы и организовав группу сокрушения (Crush Group) своих конкурентов, действия которой несколько нарушали антимонопольное законодательство США.
68000 был выпущен в 1979 и на первый взгляд выглядел гораздо внушительнее 8086. Он имел 16 32-разрядных регистров (точнее даже 17), отдельный счетчик команд и регистр состояний. Мог адресовать 16 МБ памяти напрямую, что не создавала никаких ограничений, например, для больших массивов. Однако, внимательный анализ особенностей 68000 показывает, что не всё так хорошо, как кажется. В те годы иметь память более 1 МБ – это недостижимая роскошь даже для средних по размеру организаций. Плотность кодов у 68000 хуже, чем у 8086 – а значит коды с той же функциональностью занимают у 68000 больше места. Последнее связано и с тем, что коды у 68k должны быть кратными 2 байтам по длине, а у х86 – 1. Но информация о плотности кодов спорная, так как есть свидетельства, что в некоторых случаях у 68000 она может быть лучше, чем у 8086. Из 16 регистров – 8 адресные, которые в чём-то, с одной стороны, чуть более продвинутые аналоги сегментных регистров x86, а, с другой, в чем-то они прямое наследие работы с регистрами на 8-битных архитектурах (8080, 6502, Z80, 6809, ...), где также было разделение на регистры данных и адресные. Главное, что регистры данных нельзя использовать как адреса и набор операций с адресными регистрами ограничен, что несколько неудобно. АЛУ и шина данных 16-разрядные, поэтому операции с 32-битными данными медленнее, чем можно ожидать. Более того, из надуманного порядка байт (Big Endian) операции сложения и вычитания с 32-битными числами выполняются с дополнительным замедлением. Время исполнения операций типа регистр-регистр – 4 такта, а у 8086 – только 2. Максимальная задержка при вызове прерывания на 68000 может доходить до 378 тактов и это довольно много. Компьютеры на базе 68000 до середины 80-х получались гораздо более дорогими, чем на базе Intel 8088, но 68000 не мог работать с виртуальной памятью и не имел аппаратной поддержки работы с вещественными числами, что делало его непригодным для использования в самых продвинутых системах. Для поддержки использования виртуальной памяти требовался ещё один процессор, обычно для этого использовали ещё один 68000. В 1982, как отмечал Bill Joy, в Sun начали разработку своего процессора, так как 68000 не соответствовал нуждам заказчиков по производительности и, особенно, для работы с вещественными числами. Интересно, что из-за большого размера 68000 в Motorola называли «техасский таракан».
Однако, большой размер позволил втиснуть больше функциональности. Например, 68000 может без внешнего контроллера обслуживать до 8 внешних прерываний. Архитектура x86 требует наличия внешнего контроллера прерываний (относительным исключением является только 80186). Шины данных и адреса у 68000 не мультиплексированы в отличие от 8086, в Intel только с 80286 отказались от такого тормозящего систему совмещения шин. В 68000 есть привилегированные инструкции, что необходимо для организации многозадачности, которые у x86 появились опять только с 80286. С другой стороны, одних привилегированных команд для полной поддержки многозадачности недостаточно и поэтому их наличие в 68000, в отличие от 80286, выглядит скорее почти бесполезно.
Как всегда, с изделиями от Motorola, архитектура 68000 показывает несколько неуклюжестей и надуманных странностей. Например, два стека (в самых популярных сегодня 68k процессорах Coldfire есть только один стек) или два флага переноса (один для признаков, а другой для операций). Несмотря на наличие двух флагов переноса, операции сложения и вычитания с переносом поддерживают только два режима адресации, что делает их гораздо менее удобными подобных операций на x86, – 68000, таким образом, сохранил некоторую неуклюжесть таких операций свойственную IBM/370 и, отчасти, PDP-11. На этом странности с флагами не заканчиваются. Почему-то многие команды, включая даже MOVE и SWAP, зануляют флаги признака переноса и переполнения. Другая странность, что команда для сохрания состояния арифметических флагов, которая работала нормально в 68000, сделана привилегированной во всех процессорах, начиная с 68010. Это, в частности, сделало невозможным использование единой операции для сохранения флагов для 68000 и более поздних процессоров 68k. Таким образом, сохранить флаги как на x86 командами PUSHF или SAHF на 68k единым образом нельзя! Motorola не стоило делать команду MOVE from SR привилегированной, а вместо этого следовало просто изменить её описание так, что она в пользовательском режиме как бы не возвращала информацию о системных флагах, и добавить привилегированную команду именно для чтения этих флагов. Некоторые операции раздражают своей неоптимизированностью, например, операция записи нуля в память CLR работает медленнее записи константы 0 в память командой MOVE или сдвиг влево медленнее сложения операнда с самим собой. CLR кроме записи в память, зачем-то её предварительно читает, что может создать проблемы при работе с портами. Даже адресные регистры при кажущимся на первый взгляд преимуществе перед сегментными регистрами 8086, имеют ряд раздражающих недостатков. Например, в них требовалось грузить целых 4 байта вместо двух у 8086 и из этих четырех один был лишний. Система команд 68000 обнаруживает много сходства с системой команд PDP-11, разработанной ещё в 60-е, хотя некоторые методы адресации и порядок байт взяты почти наверняка от IBM/370. От PDP-11 наверное взята и усложненная система обработки исключений, когда при сбое команда пытается продолжить своё исполнение, – это делает ускорение процессоров 68k более сложным, чем x86, где в таких случаях команда просто перезапускается. Адресация через базу и индексный регистр сделана в 68000 на уровне 8-битных 6800 или Z80, с однобайтным смещением – это как-то совершенно непрактично, в 8086 смещение 16 разрядов, в ARM или IBM/370 – 12. Даже 6502 может использовать 16-разрядное смещение c индексацией. Нормальное смещение стало поддерживаться только с 68020. Сюрпризы c 68k могут возникнуть с необычной командой цикла, в которую надо передавать не число повторений, а число на единицу меньшее. 68k ещё не хватает инструкции подобной TEST для 8086. Несмотря на большие возможности компании Motorola, 68000 был изначально сделан по сравнительно старой технологии, которая уступала даже той, что использовали при производстве 6502. Кстати, одной из важных причин общего краха 68k стало неспособность Motorola быстро наладить массовое производство 68000 и 68020.
К списку неожиданных неудобств можно ещё добавить странности при работе с данными размером в слово. При загрузке слова в адресный регистр происходит знаковое расширение до двойного слова, при загрузке в регистр данных такого не происходит, но команда MOVEM делает знаковое расширение и для регистров данных! Операции с адресными регистрами (CMPA, ADDA, SUBA) размером в слово используют знаковое расширение только для первого операнда, второй всегда берётся размером в два слова. Последнее может затруднить использование адресных регистров для хранения неадресных величин, размером в слово, например, счётчика.
Нельзя не удивляться наличию в системе команд 68000 двух разных способов для вызова подпрограмм – это уникальная странность архитектуры 68k. Инструкция
BSR.W addr абсолютна идентична по функциональности, размеру и таймингам инструкции JSR addr(PC). Аналогичным образом, в системе команд присутствуют два способа для совершения безусловного перехода, которые также абсолютно идентичны: BRA.W addr и JMP addr(PC). Некоторый смысл командам BSR и BRA придает только наличие их коротких версий. Однако, BSR.S может быть полезна сравнительно редко, например, для маленьких рекурсивных подпрограмм. И, в любом случае, для чего поддерживать совершенно бесполезные длинные версии этих инструкций?! Есть и другие практически лишние команды, например, арифметические и логические сдвиги влево фактически делают одно и то же. Кстати, сдвиги и вращения с памятью можно использовать только однократные и только с 16-битными данными – байты и 32-битные величины не поддерживаются даже на 68020 и более поздних процессорах! Ещё может удивить наличие очень малополезной короткой абсолютной адресации – лучше бы вместо неё сделали перемещаемую адресацию по операнду-приемнику.Коды для Motorola 68k обычно выглядят как-то более громоздко и неуклюже по сравнению с х86 или ARM. Это во многом связано с обилием уникальных суффиксов S, B, W, L в инструкциях ассемблера 68k. Например, можно написать вот такую странную и бесполезную команду
MOVE.L D0,(A0,D0.W), которая означает, что нужно записать 32-бита данных из регистра D0 по адресу, получаемому сложением содержимого 32-бит регистра A0 и 16-бит регистра D0.С другой стороны, 68000 всё же побыстрее 8086 на одинаковых частотах, по моим оценкам примерно на 10-40%. А при интенсивном использовании 32-битных данных или больших массивов 68000 может обогнать 8086 даже в несколько раз. Кроме того, варианты первых 68к могли работать на частотах более двух раз, превосходящих доступные для x86! Кодам 680x0 к тому же присуща и какая-то своя особенная красота и элегантность, меньшая механистичность, характерная для x86. Кроме того, как показало общение с экспертами eab.abime.net, плотность кодов у 68k часто лучше, чем у x86. 68000, как и ARM или VAX, может в качестве базы использовать PC, что очень удобно. x86 и даже IBM/370 этого не умеют – поддержка такой адресации появилась только у x86-64. Хотя, стоит отметить, что адресации по PC у 68к доступна только для операнда-источника, для операнда-приёмника или даже одноадресных команд (например, NOT или TST) она не работает, что делает её почти бесполезной. Проблемы с перемещаемостью кода сделали, например, необходимостью делить код на сегменты, не большие 32 КБ, под Macintosh OS. Наличие большего числа регистров у 68000 также существенное преимущество по сравнению с 8086, хотя из-за невозможности на 68000 быстро использовать отдельные байты 16-битного слова, это преимущество проявляется только при обработке 16- и 32-разрядных данных. Очень хорошо для 68к сделаны операции инкремента и декремента, которые позволяют использовать шаг от 1 до 8 – в x86 и большинстве других известных архитектур шаг всегда равен 1. 68k, в отличие от x86, может грузить слова только с четных адресов, поэтому операции с байтами со стандартным стеком работают нетипично, указатель стека меняется на 2, а не на 1. Для стеков, организованных через регистры A0-A6, такого не происходит. 68k имеет очень гибкую и удобную инструкцию MOVEM, которая позволяет сохранять или восстанавливать любое множество регистров, – подобная инструкция есть и для ARM, а в x86 приходиться для таких операций использовать много команд для сохранения или восстановления отдельных регистров. Но MOVEM занимает 4 байта, поэтому когда нужно сохранять или восстанавливать не более трех регистров, код на x86 получается более компактным. Кроме того, x86 (c 80286) имеет ещё команду для сохранения и восстановления сразу всех регистров, поэтому в общем случае преимущество 68k из-за наличия MOVEM не слишком значительно. Приятна также почти полная ортогональность инструкции MOVE – данные можно пересылать из разных мест памяти, не используя регистры. Но это команда – исключение, другие команды, например, CMP не ортогональны. Весьма привлекательная черта архитектуры 68k – это адресные режимы с авто-инкрементом и -декрементом, таких на x86 нет. Независимость пользовательского стека от прерываний позволяет использовать данные над вершиной стека, что немыслимо на 8086. Такой очень странный и нерекомендуемый способ работы со стеком доступен и на x86 в многозадачных средах, где у каждой задачи и у системы есть свои стеки.
В целом, 68000 – это хороший процессор, с большой системой команд. Его изначально планировали для использования в миникомпьютерах, а не персоналках. Несколько иронично поэтому, что последнее массовое примение этот процессор нашел во второй половине 90-х в калькуляторах и карманных компьютерах. Однако именно под 68000 начинается разработка рабочих станций фирмами Sun, Apollo, HP, Silicon Graphics и позднее NeXT. В этот список можно добавить и Apple, которая производила компьютер Lisa класса рабочих станций. 68000 использовали во многих ныне легендарных персональных компьютерах: в первых компьютерах Apple Macintosh, которые выпускались до середины 90-х, в первых мультимедийных компьютерах Commodore Amiga, в сравнительно недорогих и качественных компьютерах Atari ST. 68000 также использовался в относительно недорогих компьютерах, работающих с вариантами Unix, в частности, в довольно популярном Tandy 16B. Стоит ещё упомянуть быстрые и недорогие компьютеры Sage, которые какое-то время были самыми быстрыми персональными компьютерами вообще – их развитие сложилось весьма драматично. Интересно, что IBM одновременно с разработкой PC вела разработку компьютера System 9000 на базе 68000, который был выпущен менее, чем через год после PC.
Apple Lisa – странно, что у первых компьютеров Apple на базе 68000 (Lisa и Macintosh) графика была черно-белой, тогда как у восьмибитников Apple ][ она была цветной
Это известная демка для Amiga 1000, такая графика в 1985 казалась невероятной фантастикой. Это картинка в формате GIF, что позволяет показывать только 256 цветов из 4096, показываемых реальной Амигой, – другие форматы для полноцветной анимированной графики всё ещё поддерживаются недостаточно хорошо
68010 появился явно запоздало, только в 1982, тогда же Intel выпустила 80286, поставивший персональные компьютеры на уровень мини-ЭВМ. 68010 совместим по разъёму с 68000, но система его команд чуть-чуть отличается, поэтому замена 68000 на 68010 так и не стала популярной. Несовместимость была вызвана надуманной причиной привести 68000 в большее соответствие с идеальной теорией организации поддержки виртуализации. Другим почти бесполезным новшеством стала возможность перемещать таблицу векторов прерываний. 68010 лишь незначительно, не более чем на 10% быстрее 68000. В 68010 была наконец исправлена недоработка, не позволявшая использовать виртуальную память. Очевидно, что 68010 сильно проигрывал 80286 и был даже послабее появившегося в том же году 80186. Как и 80186, 68010 практически так и не нашёл себе применения в персональных компьютерах.
68008 был также выпущен в 1982 наверное с надеждой повторить успех 8088. Это 68000, но с 8-разрядной шиной данных, что позволяло использовать его в более дешевых системах. Но 68008, как и 68000, не имеет очереди команд, что делает его на примерно 50% медленнее, чем 68000. Таким образом, 68008 может быть даже чуть медленнее, чем 8088, который из-за наличия очереди команд лишь на примерно 20% медленнее, чем 8086. IBM предлагала Motorola сделать 68008 к 1980, но тогда IBM отказали, хотя это стоило бы по признанию сотрудников Motorola работы одному сотруднику только менее месяца. Если бы отказ не случился, то возможно IBM выбрала бы 68008 для IBM PC.
На основе 68008 основе сэр Clive Sinclair сделал Sinclair QL – очень интересный компьютер, который из-за более низкой цены мог бы конкурировать с Atari ST и похожими компьютерами. Но Клайв параллельно и явно преждевременно стал очень много сил вкладывать в развитие электромобилей, оставив QL (Quantum leap – квантовый скачок) скорее как второстепенную задачу, что при наличии некоторых неудачных конструктивных решений, привело компьютер и всю фирму Клайва к преждевременному закрытию (фирма стала частью компании Amstrad, которая отказалась производить QL).
Было бы интересно посчитать индекс разрядности для 68000, он, как мне кажется, явно повыше 16, хотя скорее и не выше 24.
Появившись в 1984, 68020 опять вернул Motorola на первые позиции. В этом процессоре были реализованы многие очень интересные и перспективные новинки. Самый сильный эффект безусловно производит конвейер инструкций, позволяющий иногда выполнять до трёх инструкций одновременно! 32-разрядная шина адреса выглядела в те годы несколько преждевременной и поэтому выпускался более дешёвый вариант процессора 68020EC с 24-битной шиной. Зато 32-разрядная шина данных выглядела уже вполне уместно и позволяла значительно ускорить работу. Новинкой выглядел и встроенный кэш пусть и небольшого, 256 байт, объема, что позволяло иногда значительно улучшить быстродействие, так как основная динамическая память уже не успевала за процессором. Хотя в общем случае такой маленький кэш лишь незначительно влиял на производительность. Были добавлены достаточно быстрые операции для деления (64/32=32,32) и умножения (32*32=64), за примерно 80 и до 45 тактов соответственно. Тайминги инструкций были в целом значительно улучшены, например, деление (32/16=16,16) стало выполняться за примерно 45 тактов (более 140 тактов у 68000). Некоторые инструкции в самых благоприятных случаях могут исполняться, не занимая тактов вообще! Были добавлены новые адресные режимы, в частности, с масштабированием – у x86 такой режим появился только в следующем году у 80386. Другие новые адресные режимы позволяют использовать двойную косвенную адресацию, используя при этом несколько смещений, – PDP-11 был здесь заметно превзойден.
Но некоторые новые инструкции, например, тяжеловесные операции с битовыми полями или ставших малонужными при быстрых делении и умножении новые операции с 10-и числами, выглядели скорее пятым колесом у телеги, чем чем-то существенно полезным. Адресные режимы с двойной косвенной адресацией теоретически выглядят интересно, но практически нужны довольно редко и исполняются медленно. Эти режимы, как и избыточность генерации флагов, плохо вписывались в наступающую эпоху мультискалярных архитектур. Возможность использования 32-разрядного смещения в адресации была скорее преждевременным новшеством, так как для объемов памяти на системах до середины 90-х такие большие смещения практически никогда не требовались. Тут опять, как и в случае с 68000, Motorola предложила пользователям платить за возможность работать с такими большими размерами памяти, которые ещё фактически не могли быть аппаратно обеспечены. В отличие от 80286, 68020 требует времени для вычисления адреса операнда, так называемого эффективного адреса. Деление у 68020 получилось всё же почти в два раза медленнее чудо-деления у 80286. Умножение и некоторые операции также медленнее. В целом, 68020 получился заметно медленнее, чем 80286 для байтовых операций. На операциях со 16-битными данными 68020 был только незначительно медленнее и только на операциях с 32-битными данными 68020 уже явно превосходил 80286. У 68020 нет встроенной системы управления памятью (MMU) и скорее экзотическая возможность подключать до восьми сопроцессоров этого не могла исправить. Сам главный архитектор 68000 признал, что в 68020 было сделано слишком много режимов адресации и что получился поэтому какой-то монстр. Типа ориентировались на VAX и удобство ассемблерного программирования, а будущее пришло с RISC, высокими скоростями и мощными компиляторами. А вот ещё цитата от Билла Джоя: «Стало ясно, что Motorola развивает свои процессоры примерно также ошибочно как и DEC. Другими словами, 68010 68020 68040, становились более и более сложными. И они буксовали, не становясь быстрее такими же темпами как транзисторы, из которых они были сделаны». Стоит ещё добавить, что в 68020 специально для прерываний добавили ещё третий стек!
Неудивительно поэтому, что в современном развитии архитектуры 68k отказались практически от всех новых команд 68020. Это касается, в частности, процессоров Coldfire и 68070, используемых во встроенных системах.
68020 широко использовался в массовых компьютерах Apple Macintosh II, Macintosh LC и Commodore Amiga 1200. Он также использовался в нескольких моделях систем для работы с Unix.
Появление 80386 со встроенным и очень добротно сделанным MMU и 32-разрядными шинами и регистрами, опять поставило Motorola в позицию номер 2. 68030, появившись в 1987, в последний раз, ненадолго смог вернуть Motorola лидерство. 68030 имеет встроенную систему управления памятью и увеличенный в два раза кэш, разделенный на кэш для инструкций и данных – это была очень перспективная новинка. MMU у 68030 не тормозит работу, как это происходило с внешним MMU у 68020. Кроме того, 68030 мог использовать более быстрый интерфейс доступа к памяти, что может ускорять операции с памятью почти на треть. Однако, в целом работа с памятью осталась медленной – 4 такта на обращение, т.е. число тактов осталось таким же как и у 68000. Об этом даже шутили как о «стандартном цикле памяти Motorola». Для сравнения, у 80286 такой цикл занимал 2 такта, а у ARM или 6502 – 1. Справедливости ради надо добавить, что официально цикл доступа к памяти у 68020 и 68030 занимает 3 такта, но во многих инструкциях фактически получается скорее 4. Но, несмотря на все новшества, 68030 оказался несколько медленнее 80386 на одинаковых частотах. Однако, 68030 был доступен на частотах до 50 Мгц, а 80386 только до 40 Мгц, что делало топовые системы на базе 68030 слегка быстрее. Неожиданно, но 68030 не поддерживает некоторые инструкции своего предшественника (CALLM и RTM)! Недостатки архитектуры процессоров 68k вынудили основных производителей компьютеров на базе этих процессоров искать им замену. Sun начала производить собственные процессоры SPARC, Silicon Graphics перешла на процессоры MIPS, Apollo разработала собственный процессор PRISM, HP стала использовать собственный процессоры PA-RISC, ATARI стала работать со специализированными RISC-процессорами, а Apple была вынуждена перейти на процессоры PowerPC. Интересно, что Apple собиралась перейти на SPARC во второй половине 80-х, но договориться с Sun не получилось. Можно только удивляться тому, как плохо работал менеджмент у Motorola, они как будто сами не верили в будущее своих процессоров. Тут можно ещё добавить, что Motorola выпускала вариант процессора 68030 без MMU! Такой вариант использовался в самых дешевых вариантах компьютера Commodore Amiga 4000. Intel таких изделий не производила, хотя для самой популярной тогда ОС DOS MMU был не нужен.
68030 использовался в компьютерах серии Apple Macintosh, Commodore Amiga 3000, Atari TT, Atari Falcon и некоторых других.
С 68040 Motorola очередной раз попыталась превзойти Intel. Этот процессор появился год спустя после 80486, но по совокупности полезных качеств он так и не смог его превзойти. Фактически Motorola 68k, имея более перегруженную систему команд, оказалась не в состоянии её поддерживать и в каком-то смысле сошла с дистанции. Кроме того, Motorola участвовала также в разработке PowerPC, который запланировано шел на смену 68k и это не могло не сказаться на качестве разработки 68040. В 68040 смогли поместить только очень урезанный сопроцессор для работы с вещественными числами и сам чип грелся существенно больше, чем 80486. Согласно результатам на lowendmac.com/benchmarks 68040 только примерно в 2.1 раза быстрее 68030, что означает, что 68040 несколько медленнее 80486 на той же частоте. Хотя на некоторых тестах 68040 существенно быстрее 80486. 68040 практически не нашёл применения в популярных компьютерах. Некоторое заметное применение нашёл только его более дешёвый вариант – 68LC040, не имеющий встроенного сопроцессора. Однако, первые варианты этого чипа имели серьёзный аппаратный дефект, не позволяющий использовать даже программную эмуляцию сопроцессора! Возможно это было сделано умышленно, так как в Power Macintosh не предполагалась эмуляция инструкций сопроцессора. Но главная проблема 68040 – это то, что Motorola так и не смогла сделать его вариант с удвоением частоты, как это смогла сделать Intel для 80486DX2 в 1992.
Проблемы с математическим сопроцессорами у Motorola были всегда. Motorola, как уже об этом упоминалось, так и не выпустила такого сопроцессора для 68000/68010, в то время как Intel выпускала свой очень успешный 8087 c 1980. В Atari, однако, нашли способ продключать сопроцессор для 68020/30 к 68000 в компьютерах серии ST – сопроцессор там мог быть подключен по адресам в памяти, что конечно его замедляло и требовало использования нетипичных кодов. Для 68020/68030 получился уже перебор, для них производились сразу два сопроцессора: 68881 и улучшенный пин-совместимый с ним 68882. Однако, эти сопроцессоры были не 100% совместимы и для получения заметного прироста быстродействия от использования 68882, код нужно было генерировать специальным образом. Таким образом, коды, сгенерированные для 68881, работали на 68882 лишь незначительно быстрее. 68882 появился позднее и стоил заметно дороже 68881. Интересно, что встроенный сопроцессор архитектуры PowerPC имеет меньшую точность, чем 68881/82, поэтому результаты расчетов с дробными числами на Power Macintosh получаются менее качественными, чем на прежнем поколении компьютеров Macintosh!
Тут уместно сказать, что и Intel x86 пор сих имеет проблемы с математическим сопроцессором – точность расчетов некоторых функций, например, синуса на некоторых аргументах совсем небольшая, иногда не более 4 знаков. Поэтому современные компиляторы часто вычисляют такие функции, не прибегая к услугам сопроцессора.
Удивительно, что Motorola смогла ещё выпустить 68k процессор класса Pentium, 68060 в 1994. Этот процессор также имел проблемы с арифметикой вещественных чисел. И, главное, ни осталось ни одной популярной системы, кроме Commodore Amiga, где 68060 мог бы найти применение, но компания Commodore обанкротилась в том же 1994. Согласно некоторым конспирологическим теориям Commodore обанкротилась, в частности, из-за того, что 68060 мог создать конкуренцию архитектуре Power PC, которую стали использовать компьютеры Apple Macintosh.
Процессоры Motorola вплоть до 1994 включительно были в целом вполне сравнимы с Intel x86 и в отдельных важных частностях они были всегда лучше. Однако в Intel, в отличие от Motorola, очень много сил потратили на удержание своих заказчиков и привлечения новых. И иногда в борьбе со своим основным конкурентом Intel действовала почти некрасиво. Трудно поверить, что большая обзорная статья в журнале Byte от 9/1985, где про 68000 огульно заявляется, что он «по сравнению 8088 требует огромных усилий для того, чтобы программы работали нормально», могла появиться вне контекста этой борьбы. С другой стороны, Motorola все делала позже и дороже Intel. Кроме того, процессорам Motorola явно не хватало оригинальности, слишком многое было скопировано с технологий DEC и IBM. Конечно, провал 68к был вызван комплексными причинами, сочетающими в себе как слабый стратегический маркетинг, так и некоторые архитектурные недостатки
Но на этом история не закончилась. В 2015, когда Motorola уже давно ушла в прошлое, был выпущен Apollo Core 68080!
Почему-то процессоры архитектуры 68k даже не пытались склонировать в СССР (склонирован был только 68881), хотя на основе 68020 был разработан компьютер Беста.
National Semiconductor 32016
Это первый настоящий 32-битный процессор, предложенный для использования в компьютерах ещё в 1982. Это процессор изначально планировался как VAX-11 на чипе, но из-за невозможности договориться с фирмой DEC фирме National Semiconductor (NS) пришлось сделать процессор только отдельными деталями похожий на архитектуру VAX-11.
С этого процессора начинается использование страничной виртуальной памяти – сегодня это доминирующая технология. Но поддержка виртуальной памяти не встроена в процессор, а требует сопроцессора. Отдельный сопроцессор требуется и для работы с вещественными числами.
Система команд NS32016 огромна и похожа на систему команд VAX-11, в частности, наличием отдельного стека для кадров подпрограмм и ортогональностью. Шина адреса 24-битная, что позволяет использовать до 16 МБ памяти. Особенностью 32016 является работа с флагами признаков. Помимо стандартных флагов переноса (который можно использовать и как признак для условного перехода), переполнения, знака, равенства (или нуля) есть ещё флаг L (less), означающий меньше – это как перенос для сравнений. Ситуация с переносом похожа на ту, что есть у процессоров Motorola 680x0. Флаг переполнения почему-то называется F. Есть флаги пошагового режима, привилегированного режима и (уникальность!) флаг выбора текущего стека. При выполнении арифметических инструкций флаги знака, нуля, меньшести (L) не ставятся, они устанавливаются только командами сравнения.
Можно использовать восемь 32-разрядных регистров общего назначения. Кроме того, есть ещё счетчик команд, два указателя стека, указатель стека кадров подпрограмм, указатель базы программы (это что-то уникальное), указатель базы модулей (также что-то очень редкостное), указатель на таблицу векторов прерываний, регистр конфигурации и регистр состояния. По быстродействию NS32016 оказался сравним с 68000.
Этот очень сложный процессор имел серьёзные аппаратные ошибки, которые устранялись годами.
32016 использовался с персональными компьютерами BBC Micro как второй процессор. Это была очень дорогая и престижная приставка для 1984 года. Можно было заказывать процессор с частотами 6, 8 и 10 МГц. С последними возникали некоторые технические проблемы и он был очень дорог. Программного обеспечения для 32016 было очень мало, только сделанная силами Acorn, чем-то похожая на Unix операционная система Panos и постоянный спутник Acorn бейсик. BBC Micro не использовали чип MMU – хотя его можно было подключить, программ для его использования не было. Арифметический сопроцессор подключать даже и не предусматривалось. Было ещё несколько редких и дорогих систем на базе 32016.
Наиболее масштабные планы, связанные с этим процессором, возможно были у основателя компании Commodore, Джека Трамела, которого называли королём недорогих компьютеров. Он после покупки Atari заявил, что собирается сделать недорогой персональный компьютер с возможностями супермини-компьютеров VAX. Считается, что он имел в виду использование процессора 32016 или его полного 32-битного варианта 32032. Однако после первых тестов, которые показали недостатки 32016, от этих планов отказались, предпочтя 68000.
Acorn ARM
Идеология 6502, а именно делать проще, дешевле и лучше, нашла своё продолжение в почти фантастической разработке фирмы Acorn, процессоре ARM-1, выпущенном в 1985, тогда же, когда появилось технологическое чудо фирмы Intel, процессор 80386. ARM состоял из на порядок меньшего числа транзисторов и поэтому потреблял существенно меньше энергии и был при этом в среднем гораздо быстрее. Конечно, у ARM не было никакого MMU и даже операций деления и умножения, поэтому в некоторых расчетах, основанных на делении 80386 мог быть быстрее. Однако достоинства ARM оказались столь велики, что на сегодня это самая массовая процессорная архитектура. Было выпущено более 100 миллиардов таких процессоров.
Разработки ARM в 1983 начались после того, как в фирме Acorn провели исследования с процессором 32016, которые показали, что на многих расчётах 6502 на два раза меньшей рабочей частоте мог быть быстрее этого, как казалось, гораздо более мощного процессора. Тогда уже был доступен 80286, который показывал очень хорошую производительность, но фирма Intel, возможно почувствовав немаленький потенциал небольшой фирмы Acorn, отказалась предоставить свой процессор для тестирования. При этом технология 80286 не была закрытой как 80386 и была передана многим фирмам, поэтому история до сих пор ждёт раскрытия деталей этого несколько необычного отказа. Возможно, если бы Intel разрешила использовать свой процессор, то в Acorn использовали бы именно его, а не стали бы разрабатывать ARM.
ARM разрабатывали всего несколько человек, причем тестировали систему команд, используя бейсик компьютера BBC Micro. Сама разработка проходила в здании бывшего подсобного помещения, которое часто называют сараем или амбаром. Интересно, что одному из главных разработчиков 6502, Биллу Меншу, первому предложили сделать электронику ARM. Но тот сразу понял, что ARM – это конкурент лучшим разработкам крупных фирм и решил не связываться, возможно опасаясь, что в противном случае его компанию WDC ждет судьба компании MOS Technology. Процессор в итоге сделали в компании VLSI. Дебют ARM получился скорее неудачным. В 1986 была выпущена приставка для BBC Micro c названием ARM Evaluation system, содержащей помимо процессора 4 МБ памяти (это очень много для тех лет), что сделало эту приставку очень дорогим изделием (её цена была более 4000 фунтов стерлингов, т.е. примерно 6000 долларов). Конечно, если сравнивать её с компьютерами того времени со сравнимыми по быстродействию возможностями, то приставка оказывалась на порядок или даже почти два дешевле. Но для новой системы было очень мало программ. И это несколько странно, так как вполне было возможно портировать Unix для этой системы – тогда были доступны многочисленные варианты Unix, которые не требовали MMU, были варианты Unix для PDP-11, 68000, 80186 и даже 8088. Любопытно, что в 90-е для Acorn Archimedes был портирован Linux. Возможно задержка с появлением настоящего Unix для ARM была вызвана нежеланием Acorn передавать технологию ARM другим фирмам.
Первая система на базе ARMНесколько неудачная маркетинговая политика Acorn привела фирму к 1985 к очень тяжелому финансовому положению. Acorn помимо ARM пыталась ещё вести дорогостоящую разработку компьютеров для бизнеса, которая провалилась, в частности, из-за недостатков выбранного для них процессора 32016. Не слишком удачным оказался также и компьютер Acorn Communicator. Разработка сравнительно удачного, но не совсем IBM PC совместимого компьютера Master 512, была весьма затратной. Кроме того, много финансовых ресурсов было потрачено в безрезультатной попытке выйти на рынок США, на который возможно в рамках гипотетической большой игры по поглощению самой Acorn была допущена итальянская фирма Olivetti со своими довольно удачными, основанными на Intel 8086 и 80286, компьютерами. Кстати, после поглощения Acorn, роль Olivetti на американском рынке довольно быстро сошла на нет.
Уже как часть Olivetti Acorn разработала улучшенный чип ARM2 со встроенными командами умножения, на основе которого был сделан потрясающий тогда своим быстродействием персональный компьютер Archimedes, первые модели которого стали доступны в 1987. Однако, менежмент из Olivetti был ориентирован на работу с IBM PC совместимыми компьютерами и не желал использовать свои ресурсы для реализации продукции Acorn. Также удивительно, что Архимеды не пришли на смену BBC Micro в английских школах. Возможно это случилось из-за несостоявшейся сделки с СССР по компьютерам Memotech MTX. Memotech взяла миллион фунтов стерлингов у английского правительства, а после срыва сделки объявила себя банкротом. После этого правительство прекратило практику поддержки своих производителей компьютерной техники, включая Acorn.
ARM предоставляет для использования 16 32-разрядных регистров (их реально больше, если учитывать регистры для системных нужд). Один из регистров, R15 (или PC), подобно архитектуре PDP-11 является счётчиком команд. Почти все операции выполняются за 1 такт. Больше тактов нужно, в частности, для переходов, умножений и обращений к памяти. По сравнению, с основными процессорами тех лет ARM отличало отсутствие такой типовой структуры как стек. Стек реализуется, если необходимо, через один из регистров (хотя стандартным для стека считается R13 или SP). При вызове подпрограмм стек не используется, вместо этого адрес возврата сохраняется в выделенном для него регистре R14 или LR (link register). Такая схема, очевидно не работает для вложенных вызовов, для которых приходится организовывать стек. Уникальная особенность ARM – в совмещении счётчика команд, который 26-разрядный, т. е. позволяющий адресовать до 64 МБ, с регистром состояний. Для флагов в этом совмещенном регистре выделяется восемь бит, ещё два добавочных бита в этом регистре получаются за счёт того, что младшие два бита адреса не используются, так как коды должны быть выровнены по границе 4-байтного слова. Процессор может обращаться к байтам и 4-байтным словам, к 16-битным данным он напрямую обращаться не может. Инструкции для работы с данными у ARM 3-адресные. Характерной особенностью архитектуры RISC является использование команд типа регистр-память только для загрузки и выгрузки данных. ARM имеет встроенный быстрый битовый сдвигатель (Barrel Shifter), позволяющий без затрат тактов сдвигать значение одного из регистров в команде на любое число раз. Например, умножение значения регистра R0 на 65 c помещением результата в регистр R1 можно записать одной однотактовой командой сложения
ADD R1, R0, R0 shl 6, а умножение на 63 – командой
RSB R1, R0, R0 shl 6Битовый сдвигатель позволяет помимо знаковых и беззнаковых сдвигов влево или вправо делать также вращения и даже вращение через перенос. В системе команд есть обратное вычитание, что позволяет, в частности, иметь унарный минус как частный случай этой команды и ускорить процедуру деления. Несколько инструкций скорее очень необычны и их полезность сомнительна, например, есть инструкция CMN, которая складывает аргументы, но результат сложения пропадает – эта команда используется только для установки флагов. Есть ещё подобная инструкция TEQ, в которой вместо обычного сложения используется сложение по модулю 2 (XOR). Некоторый смысл этим инструкциям придаёт только то, что они фактически расширяют очень ограниченный диапазон констант для использования в операциях сравнения. Кроме того, TEQ можно использовать для сравнений, которые не меняют флаги C и V и для прямой установки всех 8 флагов. Помимо RSB, ARM имеет ещё одну уникальную особенность: все его инструкции условные. Имеется 16 случаев (комбинаций флагов), которые присоединяются к каждой инструкции. Инструкция выполняется, только в случае, если текущий набор флагов соответствует набору в этой инструкции. В процессорах других архитектур подобное исполнение имеет место, как правило, только для условных переходов. Эта особенность ARM позволяет во многих случаях избегать медленной операции переход. Последнему также способствует то, что при выполнении арифметических операций можно отказаться от установки флагов состояния. С ARM подобно процессору 6809 можно использовать как быстрые, так и обычные аппаратные прерывания. При обычном прерывании два регистра (R13, R14) заменяются на системные. При быстром прерывании заменяются уже 7 регистров (R8-R14). Это позволяет сделать обработчики прерываний более компактными и быстрыми. В режиме супервизора регистры R13 и R14 также заменяются. Таким образом, в ARM реально используются 27 регистров. Максимальная задержка при вызове аппаратного прерывания небольшая, главный тормоз том, что команды блочного копирования (до 18 тактов) прерываться не могут. Для вызова программных прерываний есть специальная команда SWI, она переключает процессор в режим супервизора.
Система инструкций ARM содержит существенно меньше базовых команд, чем система инструкций процессоров x86. Но сами инструкции у ARM очень гибкие и мощные. Несколько очень удобных и мощных инструкций ARM не имеют аналогов для 80386, например, RSB (уже упомянутое обратное вычитание), BIC (AND с инвертированием, такая команда есть у PDP-11), 4-адресная MLA (умножение с суммированием), LDM и STM (загрузка или выгрузка множества регистров из памяти, похожи на команду MOVEM для процессоров 68k). Почти все инструкции ARM 3-адресные, а почти все инструкции 80386 имеют не более 2 операндов. Система команд ARM более ортогональна – все регистры взаимозаменяемы, некоторое исключение составляют только регистры R14 и R15. Большинство команд ARM могут потребовать 3-4 команды 80386 для своей эмуляции, а большинство команд 80386 можно проэмулировать 2-3 командами ARM. Интересно, что эмулятор IBM PC XT на аппаратуре компьютера Acorn Archimedes с процессором на 8 МГц работает даже быстрее, чем реальный компьютер PC XT. На компьютере Commodore Amiga с процессором 68000 на 7 МГц эмулятор может работать только со скоростью, не большей 10-15% реального PC XT. Очень интересно также, что первые компьютеры NeXT с 25 МГц 68030 показывали производительность целочисленных расчетов на уровне того же 8 МГц ARM. Apple собиралась в проекте Möbius сделать компьютер-преемник Apple ][, но когда выяснилось, что прототип этого компьютера в режиме эмуляции обгоняет не только Apple ][, но и основанные на 68k процессорах Макинтоши, проект закрыли!
Среди недостатков ARM можно выделить проблему загрузки константы в регистр. Можно загружать только 8 разрядов за один раз, хотя при этом константу можно инвертировать и сдвигать. Поэтому загрузка полной 32-разрядной константы может занять до 4 команд. Можно, конечно, загрузить константу из памяти одной командой, но тут возникает проблема указания адреса этой величины, так как смещение может быть только 12-разрядным. Другой недостаток ARM в относительно невысокой плотности кодов, что делает программы несколько большими, а главное снижает эффективность работы процессорного кэша. Однако, это возможно было скорее следствием невысокого качества компиляторов для этой платформы. Долгое время существенным недостатком ARM было отсутствие встроенной поддержки управления памятью (MMU) – этой поддержки, например, требовала Apple в начале 90-х. Сопроцессоры для работы с вещественными числами для архитектуры ARM также стали использоваться с существенной задержкой. У ARM не было таких продвинутых средств для отладки, какие были у архитектуры x86. Есть ещё некоторая странность в языке стандартного ассемблера для ARM: операции битового сдвигателя принято писать через запятую. Таким образом, вместо простой формы
R1 shl 7R1, shl 7С 1989 стал доступен ARM3 с встроенным кешем, у которого появилась ещё интересная команда SWP для атомарного обмена данных между регистрами и памятью. В 1990 команда разработчиков ARM отделилась от Acorn и создала с помощью Apple и VLSI компанию ARM Holdings. Одной из причин отделения стала слишком большая затратность разработки ARM по мнению менежмента Acorn-Olivetti. Впоследствии Acorn прекратила своё самостоятельное существование, а ARM Holdings превратилась в крупную компанию. Разделение Acorn и ARM Holdings было также инициировано желанием Apple иметь процессор ARM в своем компьютере Newton и не зависить от другого производителя компьютеров. Кстати, в 1999 VLSI утратила самостоятельность, став частью Philips.
В 1991 ARM Holdings выпустил ARM6, который начал новую линейку процессоров, которые стали прообразами тех, что широко используются до сих. В нём реализована поддержка виртуальной памяти, произведен переход на 32-битную адресацию и добавлен ещё ряд новых возможностей. Историю же классических процессоров ARM завершил ARM250, выпущенный в 1992. Это фактически ARM3 без кэша, но интегрированный на одном чипе с некоторыми базовыми чипами Acorn Archimedes. Подобное интегрирование стало в дальнешем одной из типичных особенностей архитектуры ARM. Другая особенность этой архитектуры в путающем наименовании процессоров и архитектур, например, ARM6 – это процессор архитектуры ARMv3, а ARM3 и ARM250 – это процессоры архитектуры ARMv2.
ARM показывал производительность на целочисленных данных, превосходящую 80486 на той же частоте на 10-20%! Intel смогла достичь преимущества использованием технологии умножения тактовой частоты и затем крепко закрепить его с процессором Pentium. DEC StrongARM смог ненадолго вернуть себе лидерство в 1996, после чего эта технология была куплена Intel, которая с тех пор является крупным производителем процессоров ARM-архитектуры. Таким образом, существуют несколько центров развития этой архитектуры.
Дальнейшее развитие технологии ARM также весьма любопытно, но это уже другая история. Хотя можно упомянуть, что именно благодаря доле в ARM Holdings Apple в 90-е смогла избежать банкротства, а в 2022 Apple вообще начала переход на архитектуру ARM!
Некоторые выводы, предположения и вопросы
Трудно отделаться от ощущения, что 8-битные процессоры оказались лишь нежелательной необходимостью для основных действовавших в 70-е и 80-е персонажей на сцене компьютерной истории. Самый удачный 8-битник 6502 был фактически заморожен. Intel и Motorola скорее тормозили как собственные разработки маленьких процессоров, так и сдерживали других разработчиков.
Почти уверен, что Amiga или Atari ST работали бы лучше и быстрее на 4 МГц процессоре с 20- или 24-битным адресом, совместимом с 6502, чем с 68000. Бил Менш недавно заявил, что сегодня несложно сделать 6502 на 10 или даже 100 ГГц.
Если бы в серии Amstrad PCW, успех которой могли бы разделить и Commodore CBM II, начали использовать оптимизированные z80 на повышенных частотах, то вполне возможно, что эта серия была бы актуальной и 10 лет назад.
Интересно, как так могло случиться, что в США были разработаны более десятка хороших микропроцессоров, а во всем остальном мире не было сделано практически ни одного, который бы не был клоном американского?! Только британский ARM стал тут исключением, но даже его возникновение обязано скорее странными явлениями торможения развития в самих США, чем успехом британских разработчиков.
Каким был бы мир, если бы ARM сделали в 1982 или 1983, что было вполне возможно?
Какими были бы отечественные компьютеры, если бы копировали и развивали не самые дорогие, а самые перспективные технологии?
Этот материал доступен и на английском.