Постановка задачи.

Мы хотим создать новый компьютер, имеющий максимальную эффективность при ограниченной стоимости и ограниченных затратах на разработку.

Всем давно известны основные части компьютера. Центральный процессор, память, периферийные устройства. Во всем мире существует множество различных платформ, основанных на разных процессора. Существует множество смежных платформ, имеющих один и тот же процессор в качестве центрального. Все они имеют различия друг с другом в реализации. Но все компьютеры имеют общие проблемы. Проблемы быстродействия и проблемы объема памяти. Скорость процессора имеет значение, но чаще всего она ограничивается скоростью обмена с основной памятью.

Память компьютеров не безгранична, ее быстродействие не беспредельно. Возникает вопрос, как же имея ограниченный объем памяти и быстродействие процессора получить максимум эффективности. Один из путей распараллеливание процессов. Увеличение количества шин данных, но и этот путь имеет свою границу. Невозможно увеличивать количество шин до бесконечности. 8, 16, 32, 64. Далее возникает множество сложностей связанных с технологиями. Изменение технологии это еще один из путей развития компьютеров, но он достаточно дорог и фактически неприменим для решения нашей задачи.

Таким образом, что мы имеем? Представим себе, что у нас имеется ограниченный объем памяти. 128 килобайт, организованных как 64K x 16bit. Память быстродействующая, скажем, время выборки 15 наносекунд. Какой компьютер, с какими возможностями можно построить на этой памяти?

Существующие известные 16-тиразрядные процессоры либо не имеют достаточной скорости, либо имеют архитектуру, рассчитанную на значительно больший объем памяти, что обуславливает довольно неэффективное использование этой памяти. Кроме того, если взглянуть на циклы работы процессоров с памятью, то невооруженным взглядом видны пропуски времени, которые уходят на организацию работы в шиной и т.д. и т.п. Дорогие экзотические процессоры естественно не в счет.

Возникает вопрос, как получить максимум быстродействия, если не существует подходящего процессора?

Ответ может показаться бредовым. Решение - создание своего собственного процессора. Будь это еще лет пять-десять назад, над этим ответом можно было бы посмеяться, но на сегодня подобное действительно возможно!

Как?

Для разработки собственного процессора можно использовать перепрограммируемые логические микросхемы (ППЛМ). Современные ППЛМ достигли достаточного объема, что бы на них можно было строить процессоры. А это означает, что любой человек, имеющий достаточный опыт может заняться по- добным конструированием процессоров. Для этого необходимо иметь лишь со- ответствующее программное обеспечение, ППЛМ, на которой можно проводить эксперименты и, естественно, экспериментальный образец компьютера.

Как ни странно, но в настоящее время уже существует компьютер, на котором можно производить подобные эксперименты. Он разрабатывался несколько с иной целью и является развитием линии компьютеров ZX-Spectrum.

Это компьютер - Sprinter.

Что же такое Sprinter?

Схема компьютеpа основана на большой пеpепpогpаммиpуемой логической микpосхеме фирмы ALTERA EPM10K10QC208-4. Подключение периферийных устройств через ППЛМ позволяет получить высокую гибкость машины по конфигурациям. Пpогpаммиpование ППЛМ осуществляется непосpедственно в момент включения, а так же пpи пеpезагpузке, что позволяет каpдинально менять схему в ППЛМ непосpедственно во вpемя pаботы. Это сильно выделяет архитектуру компьютера из ряда существующих компьютеров и поэтому многие понятия, присущие обычным машинам, меняют свой смысл. Фактически компьютер имеет изменяемую архитектуру, в которой возможны изменения во многих частях схемы. программируемость схемы компьютера позволяет его полностью изменить, то есть превратить практически в любой компьютер, основанный на процессоре Z80 или процессоре, с которым Z80 совместим по своему коду. Но это уже тема для отдельной статьи.

Применительно к нашей задаче компьютер содержит все необходимые схемы. А именно, ПЛМ, высокоскоростное ОЗУ, подсоединенное мапрямую к ПЛМ, а так же приферийные устройства и все необходимые элементы для осуществления запуска и тестирования нового процессора.

Таким образом компьютер Sprinter как нельзя лучше подходит для экспериментов с созданием своего процессора. Естественно, этот процессор будет ограничен по своим возможностям, набору команд, но он может быть легко оптимизирован под конкретную задачу. Более того, так как ППЛМ можно перегрузить, схема процессора может быть изменена практически в любую секунду (время перезагрузки схемы составляет несколько десятых долей секунды).

Все это позволяет снизить время цикла разработки до единиц минут при экспериментах с новым процессором.

На сколько реальна описанная здесь схема разработки процессора?

Автором этой статьи были проведены первые эксперименты по созданию своего процессора по RISC архитектуре. Эксперименты однозначно показали, что объема ППЛМ, установленной в компьютере Sprinter, достаточно для создания подобного процессора. За основу схемы процессора была принята многостековая архитектура, которая наиболее подходит для FORTH-процессора.

Полученный результат - простой FORTH-процессор, имеющий 4 стека, тактовую частоту 7MHz и время цикла исполнения команды в 1 или 2 такта. При этом ПЛМ использовалась далеко не полностью, а низкая тактовая частота процессора обусловлена только отсутствием у его автора опыта создания процессоров.

Каковы перспективы подобного процессора?

Естественно, применение разработанного таким образом процессора внутри компьютера Sprinter довольно ограниченно. Он может позволить лишь решать дополнительные задачи на Sprinter-е. Ценность разработки может быть в том, что полученный процессор можно использовать в других уст- ройствах, разработанных на той же ПЛМ. В специализированных контролле- рах, например.

Но в нашем случае разработка процессора ведется с целью создания нового компьютера с новым процессором. Каков этот компьютер?

Предварительное проектное название - Sprinter-II.

Естественно, что он должен быть достаточно мощным, а это значит, что его основой должна быть память достаточного объема и быстродействия. В то же время она должна быть достаточно дешевой и распространенной, если предполагается, что разработанный компьютер предназначен для массового повторения.

Этим условиям, по нашим оценкам на данный момент, удовлетворяет память на основе DIMM-ов, которые позволяют организовать доступ к памяти с частотой до 100MHz и шину данных до 64 бит.

В качестве процессора, в соответствии с нашей установкой используется ППЛМ фирмы ALTERA. Предполагается установка ППЛМ EPF10K30E, имеющей в три раза больший объем, чем EPF10К10, что позволит организовать 32-хразрядный процессор, подобный разработанному 16-тиразрядному.

Кроме этого ряд ППЛМ 10К имеет совместимость по расположению выводов, что позволит установить на место EPF10K30E ППЛМ большего объема, что позволит организовать еще более мощный процессор.

Разрабатываемый компьютер должен иметь и периферию. В Sprinter-е все управление периферией осуществляется через ППЛМ, но в случае, если в ППЛМ располагается процессор, имеет смысл разгрузить ее. Поэтому в проекте Sprinter-II предполагается установка второй ППЛМ, предназначенной чисто для работы с периферией. Это позволит расширить функции периферии и добавить новые возможности компьютеру.

Таким образом, разрабатываемый компьютер будет иметь полностью программируемую архитектуру, что позволит менять ее в соответствии с ре- шаемыми задачами.

Проект Sprinter-II является одиним из проектов фирмы Петерс-Плюс и в данный момент находится в начальний стадии разработки.

Производителем компьютеров Sprinter так же является фирма Петерс-Плюс (ранее Петерс).

Информацию по компьютеру Sprinter можно найти в интернете на сайте фирмы Петерс: www.atlant.ru/peters

22.05.99 Ivan Mak.

• Return to MAIN-page