МКБ-8601: Технический проект процессора-эмулятора.

Процессор-эмулятор “МКБ-8601” разрабатывается и изготавливается в ЛВТА ОИЯИ с участием Опытного производства ОИЯИ.

АВТОРЫ: Давыдов А. Л., Емелин И. А., Кадыков В. М., Левчановский Ф. В., Ломидзе О. Н., Попов М. Ю., Сапожников А. П., Сапожникова Т. Ф., Силин И. Н.

ОТВЕТСТВЕННЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

• инженерная часть: Левчановский Ф. В.
  
  
• программное обеспечение: Силин И. Н.
  

ЦЕЛЬ ПРОЕКТА: создать универсальную ЭВМ, программно совместимую с БЭСМ-6 и тем самым сохранить накопленное за длительный период её эксплуатации программное обеспечение. Устранить присущие ЭВМ БЭСМ-6 основные недостатки: короткий адрес, малый порядок чисел с плавающей запятой, недостаточный объём оперативной памяти.

В проектируемом процессоре-эмуляторе с точки зрения выполнения команд предусматривается возможность его работы в следующих трех режимах:

• режим исполнения команд БЭСМ-6;
  
  
• режим исполнения команд вычислительной системы ЭЛЬБРУС-Б;
  
  
• режим исполнения нового списка команд (расширение команд БЭСМ-6 и ЭЛЬБРУС-Б).
  

Первый режим позволит работать с программами, написанными для БЭСМ-6. Во втором режиме возможно применение процессора-эмулятора в качестве программно совместимой младшей модели вычислительной системы ЭЛЬБРУС-Б. В новый список команд вводятся команды, необходимые для работы с целочисленной арифметикой, команды, обеспечивающие обработку отдельных полей 64-разрядного слова, команды с непосредственным операндом и др., способствующие улучшению рабочих характеристик процессора.

Аппаратно процессор-эмулятор выполняется с привлечением современной технологии микропроцессорных БИС, схем интегральной памяти большого объёма и программируемых логических матриц (ПЛМ).

В архитектуру процессора-эмулятора вводится тег, что будет способствовать созданию эффективной системы программного обеспечения, пословной защите памяти от несанкционированного доступа и удобству отладки программ пользователем.

Предусматривается также возможность работы в многопроцессорном и мультипрограммном режимах, вводятся средства для работы в режиме реального времени. Производительность двухпроцессорного варианта оценивается равной производительности БЭСМ-6.

Данная работа проводится впервые.

Работы, аналогичные представленному проекту, в нашей стране и в странах-участницах не проводились. Известны реализованные проекты в США и ЦЕРН процессоров-эмуляторов 168Е и 38Е, эмулирующих урезанный список команд (только целочисленная арифметика) ЭВМ IВМ 370/168 и SYSTEM 38.

ЗАИНТЕРЕСОВАННЫЕ НАУЧНЫЕ УЧРЕЖДЕНИЯ И ОРГАНИЗАЦИИ: институт Атомной Энергии им. И. В. Курчатова, институт Точной Механики и Вычислительной Техники им. Лебедева, завод “САМ”. Формы сотрудничества в настоящее время не установлены.



АКТУАЛЬНОСТЬ. Учитывая то, что ЭВМ БЭСМ-6 промышленностью больше не выпускается и в ОИЯИ планируется её вывод из эксплуатации, путь аппаратной модернизации этой машины представляется экономически более целесообразным, чем перенос и переработка огромного объёма оригинального программного обеспечения на другие типы ЭВМ.

Архитектура БЭСМ-6, несмотря на длительный период её эксплуатации, достаточно современна и может быть переведена на новую технологическую базу больших интегральных схем без существенных затрат ресурсов и сил. Малые геометрические размеры разрабатываемого процессора-эмулятора открывают возможности его использования в качестве мощной ЭВМ индивидуального пользования не только как вычислителя, но и в системах управления экспериментальными физическими установками, спектральном анализе, триггерах второго уровня, автоматизированных рабочих местах проектировщика и т.д.

ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ. Самым высоким показателем по параметрам “быстродействие - степень интеграции - потребляемая мощность - структурный базис” на сегодняшний день обладает ТТЛ-технология, поэтому аппаратную реализацию процессора-эмулятора целесообразно выполнить, опираясь на эту технологию. В схемотехнических решениях проекта будут использованы следующие серии интегральных схем: К1804, К1802, К580, К589, К531, К555, К541, К565, К556. В будущем возможен переход на ЭСЛ-технологию, что позволит в 2-3 раза увеличить быстродействие процессора-эмулятора.

На этапах проектирования и изготовления предполагается использование системы логического моделирования “ПУЛЬС” и системы автоматизированного проектирования печатных плат “ТЕХПРО”. Система “ПУЛЬС” позволяет создать математическую модель как отдельных блоков, так и в целом всего процессора-эмулятора, что значительно ускорит его комплексную отладку.



Проектируемая ЭВМ является микропрограммно управляемой машиной общего назначения с модульной организацией. Основными модулями, входящими в состав машины, являются: Оперативное Запоминающее Устройство (ОЗУ), Центральный Процессор (ЦП) (может быть несколько), контроллеры для связи с внешними устройствами (КВУ), а также Пультовой Процессор (ПП). Связь между ними осуществляется через общую шину данных. Кроме того, для загрузки микропрограмм и для исполнения функций инженерного пульта машины существует дополнительная последовательная линия связи между пультовым процессором и центральными процессорами.




Центральный процессор (ЦП) предназначен для исполнения команд, записанных в ОЗУ.

Функции ЦП:

• Вычисление физических адресов команд и операндов;
  
• Чтение из ОЗУ машинных команд;
  
• Приведение команд к единому внутреннему виду;
  
• Извлечение операндов;
  
• Выполнение команд;
  
• Запись результатов в память.
  

Центральный процессор (ЦП) состоит из:

• блока микропроцессорных секций (МПС), содержащего АЛУ и регистровое запоминающее устройство (РЗУ);
  
  
• блока микропрограммного управления, состоящего из преобразователей начального адреса (ПНА), схемы управления адресом микрокоманды (СУАМ), управляющей памяти микропрограмм (ППЗУ И ОЗУ МП), конвейерного регистра (КР);
  
  
• ППЗУ констант;
  
  
• арифметических блоков, исполняющих умножение (УМН), сдвиги, поиск левой единицы (ПЛЕ) и подсчет числа единиц (N ЕД);
  
  
• блоков обмена информацией с общей шиной на 64 разряда для команд и данных и на 8 разрядов для тега (БОИ);
  
  
• ОЗУ модификаторов;
  
  
• стандартизатора команд, приводящего команды БЭСМ-6 к общему виду с 8-разрядным кодом операции, и схемы размножения знака адресной части команды (АК);
  
  
• регистров:
  
  
  
  • исполнительного адреса,
    
    
  • номера группы модификатиров (РНГ),
    
    
  • номера процесса (РНП),
    
    
  • регистра счетного времени процесса,
    
    
  • таймера счетного времени процесса,
    
    
  • регистра астрономического времени,
    
    
  • таймера астрономического времени;
    
  
  
  
• блока приписок адресов;
  
  
• блока обработки внешних и внутренних прерываний;
  
  
• блока модификации приоритетов страниц, содержащего регистр физической страницы (РФС), ОЗУ признаков БОБР, БИЗМ, БМСП и ОЗУ приоритетов страниц;
  
  
• арбитра;
  
  
• блока связи с пультовым процессором, состоящего из ОЗУ обмена, микропроцессора со своими ППЗУ и ОЗУ для обслуживания линии связи с пультовым процессором и загрузки микропрограмм;
  
  
• останова по адресу;
  
  
• тактового генератора.
  

Структурная схема ЦП.




Максимальная ёмкость оперативного запоминающего устройства - 1 миллион 72 - разрядных слов (9 Мбайт). В ОЗУ используется БИС динамической памяти К565РУ5 емкостью 64Кх1. В связи с повышенным коэффициентом отказов указанной БИС необходим блок коррекции и исправления ошибок - генератор кода Хемминга.

Оперативное запоминающее устройство должно работать в следующих режимах:

1. Регенерация памяти;
   
   
2. Чтение слова с коррекцией 1-кратной ошибки, перезапись исправленного слова и фиксация ошибок кратности 2 и более;
   
   
3. Запись слова с проверкой и без проверки бита тега “запрещенная запись” (при проверке необходимо предварительное считывание слова);
   
   
4. Чтение семафорного слова;
   
   
5. Чтение и запись в режиме блочной передачи;
   
   
6. Тестирование генератора Хемминга.
   

Тестирование генератора Хемминга осуществляется с помощью статусного регистра ОЗУ, установленного в блоке управления.

Значения разряда статусного регистра ОЗУ:

• 1 - запрет записи контрольного кода Хемминга в матрицу ОЗУ;
  
  
• 0 - нормальный режим.
  

Под нормальным режимом подразумеваются режимы 1-5. Адресуются к статусному регистру как ко внешнему устройству (ВУ).

Адреса регистров в блоке управления памятью:

• FFFF FFFF - регистр синдрома (только чтение);
  
  
• FFFF FFFE - регистр адреса ОЗУ (только чтение);
  
  
• FFFF FFFD - статусный регистр ОЗУ;
  
  
• 14FFF, 14FFE, 14FFD - адреса этих же регистров для пультового процессора, доступных через его приписку.
  

Каждый тип устройств (диски, ленты, терминалы) подключается к машине через свой контроллер. С каждым контроллером связано некоторое количество последовательных “адресов физической памяти” из диапазона [F0000H - FFFFFH].

Структура адреса внешних устройств :

• 16:13 разряды - номер контроллера = 0, 1, ..., 15;
  
  
• 12:1 разряды - адрес внутри контроллера.
  

Часть адресов, связанных с каждым контроллером, предназначается для задания на обмен, и содержат также адреса регистра состояния и регистра маски всех устройств, подключённых к данному контроллеру. Допускается возможность приписки этой “памяти” к виртуальным страницам пользователей, тем самым открывая для них возможность самостоятельного управления отдельными внешними устройствами. Другая часть адресов контроллера может представлять из себя обменный буфер внешнего устройства, который также можно “приписать” к процессу.

В заказе на обмен находится следующая информация:

1. Код операции (8 бит);
   
   
2. Физический адрес начала массива в памяти (20 бит);
   
   
3. Длина обменной порции в байтах (16 бит);
   
   
4. Поле дополнительной информации (20 бит);
   
   
5. Режим и направление обмена (16 бит);
   
   
6. Адрес на внешнем устройстве (32 бита);
   
   
7. Бит запуска контроллера (1 бит).
   

Таким образом, заказ на работу внешнего устройства должен занимать как минимум 2 слова.

Поскольку к каждому контроллеру может быть подключено в общем случае несколько устройств, желательно по каждому из этих устройств иметь в качестве регистра состояния целое слово. В любой момент времени регистр состояния должен соответствовать текущему состоянию соответствующего устройства.

Адреса контроллера FH используются центральным или пультовым процессорами для доступа к статусному регистру или адресному регистру общей памяти, а также к астрономическим часам и таймеру астрономического времени.



Наиболее целесообразно в процессоре-эмуляторе применять ленты с ЕС - форматом записи, работающие на плотности 800-1600 бит/дюйм. Для управления лентами должен использоваться ленточный контроллер типа СМ ЭВМ.

Минимальный набор операций :

1. Чтение блока;
   
   
2. Запись блока заданной длины (в байтах);
   
   
3. Движение вперед на 1 блок;
   
   
4. Движение назад на 1 блок;
   
   
5. Запись маркера;
   
   
6. Поиск маркера в прямом направлении;
   
   
7. Поиск маркера в обратном направлении;
   
   
8. Стирание (по счетчику байтов);
   
   
9. Перемотка;
   
   
10. Разгрузка;
    

Режим НМЛ БЭСМ-6 предполагается имитировать программно при наличии следующих возможностей контроллера :

1. Обмен должен совершаться в зависимости от заданного режима, как с тегами слов, так и без них.
   
   
2. Должен быть режим чтения, когда в память попадает всё: ЦКС, ПКС, биты четности каждого байта (их можно собирать в теге слова!).
   
   
3. В заказе на обмен кроме 20-разрядного физического адреса начала обменной порции можно дополнительно указывать еще и номер физической страницы, где продолжается массив информации.
   
   
4. Окончание обмена происходит по концу блока на ленте либо по исчерпанию заданного счётчика байтов.
   
   
5. Непременным условием должно быть наличие счётчика прочитанных байтов и признака, что считан маркер.
   
   
6. Режима чтения с наложением здесь не потребуется.
   

Служебная информация на диске:

1. Регистр номера модуля;
   
   
2. Регистр адреса служебных слов;
   
   
3. Регистр номера физической страницы с информацией;
   
   
4. Регистры монополизации (по числу модулей), где записывается номер процесса и номер процессора, захватившего диск;
   
   
5. Командный регистр контроллера;
   
   
6. Регистр состояния контроллера.
   

Замечание: регистры номера физической страницы, номера модуля, адреса служебных слов и монополизации находятся на одной странице, командный регистр и регистр состояния - на другой.

Командный регистр контроллера содержит:

• команду;
  
  
• адрес по диску;
  
  
• признак запуска обмена;
  
  
• признак обмена с тегом;
  
  
• признак разрешения прерывания по изменению готовности (стоит ли диск, есть ли питание);
  
  
• признак разрешения прерывания по концу обмена.
  

Регистр состояния контроллера содержит:

• тип ошибки;
  
  
• текущую команду;
  
  
• адрес заменяющей дорожки;
  
  
• признак замены дорожек;
  
  
• признак окончания операции;
  
  
• текущий адрес по диску.
  

Типы ошибок:

• нет питания;
  
  
• нет диска;
  
  
• нет готовности;
  
  
• ошибка в дорожке;
  
  
• нет цилиндра;
  
  
• попытка повторного обмена;
  
  
• неправильный заказ обмена;
  

Команды:

• подвод (SЕЕК);
  
  
• установка головок на нулевой цилиндр или калибровка (CALIBR);
  
  
• чтение (READ);
  
  
• запись (WRITE);
  
  
• сравнение с памятью (VERIFY);
  
  
• форматирование или разметка (запись заголовков без поиска) (FORMAT);
  
  
• установка и снятие монополизации отдельного модуля (MONOPOL);
  
  
• команда сброса с задержкой на один обмен. Она не должна влиять на текущий обмен в течение достаточно большого времени.
  

Пультовой процессор представляет из себя программируемый терминал с собственной памятью, возможностью доступа к основной памяти и ко всем регистрам центрального процессора. Пультовой процессор выполняет следующие функции:

1. Загрузка памяти микропрограмм ЦП.
   
   
2. Имитация инженерного пульта машины: считывание и запись содержимого регистров ЦП, запуск микропрограммнных тестов.
   
   
3. Ввод двоичных программ в общую память.
   
   
4. Запуск диспетчера или тестов на ЦП.
   
   
5. “Пультовая” отладка программ в ЦП: пошаговое выполнение команд, останов по адресу.
   
   
6. Обслуживание операторского терминала.
   

Пультовой процессор может прерывать ЦП или приостанавливать его работу. В свою очередь, деятельность самого ПП может быть прервана по одной из следующих причин :

1. По запросу от ЦП;
   
   
2. По аварии в ЦП;
   
   
3. По сбою в памяти;
   
   
4. По инициативе оператора.
   

В связи с разнородностью исполняемых функций, обмен информацией ПП с различными узлами машины осуществляется 2 способами:

1. Через последовательную линию связи - с центральными процессорами (если их несколько) для доступа к регистрам и памяти ЦП, памяти микропрограмм, для организации пультового останова;
   
   
2. Через общую шину данных - для обмена с общей памятью и внешними устройствами, подключенными к общей шине.
   

Для реализации функций операторского терминала обмен информацией между ПП и системой предполагается осуществлять следующим образом. Система, сформировав сообщение по известному адресу ОЗУ, посылает запрос ПП, который, получив запрос и зная адрес, принимает сообщение. Аналогично наоборот.

Адреса ВУ в пультовом процессоре:

• FFFF FFFC - регистр маски прерываний от ПП (только запись).
  
  
• FFFF FFFB - таймер астрономического времени (рг. RG3, 64р.).
  
  
• FFFF FFFA - регистр обмена с ПП (рг. RG2, 64р.).
  
  
• FFFF FFF9 - регистр обмена с ПП (рг. RG1, 64р.).
  
  
• FFFF FFF8 - часы астрономического времени (рг. RG0, 64р.).
  
  
• FFFF 0000 : FFFF 07FF - память двойного доступа в ПП, 72р.
  

...