Поворот в не туда или Как написать тетрис не привлекая внимания санитаров

Post by **UR5FFR** » 16 Oct 2026, 20:09

Все началось с размышлений на тему «а что, если бы всё сложилось по-другому». Мои размышления как профессионального программиста, который пишет код уже 35+ лет, часто возвращаются к языку C. И к тому чудовищу под названием C++, которое он породил. Чудовище — потому что других слов подобрать невозможно: это сложный, запутанный и противоречивый монстр, который, несмотря на всё свое уродство, используется повсеместно. Потому что куча кода, совместимость и прочий легаси — горел бы он огнем.

Но язык C тоже не возник на ровном месте. Тут немного стоит углубиться в историю. Итак, изначально был PDP-7. И было у него машинное слово в 18 бит. Неожиданно? Да, но в 60-х никто такими вещами не заморачивался. И оперировал он только словами — то есть единицей доступа к памяти было слово. Байт еще не изобрели. Шутка, изобрели конечно

Небольшая ремарка о том, что из себя представляла PDP-7 внутри: аккумулятор, индексный регистр, еще один регистр данных — ну, собственно, и всё Теперь становится понятно, откуда содрали архитектуру 6800 и 6502 почти полностью

И тогда Ken Thompson создал для этой машины язык B. Вот просто так и назвал одной буквой — B. (Кстати, Кен — личность легендарная: вместе с Деннисом Ритчи работал над юниксом, разрабатывал UTF-8 и Go, и многое другое, но об этом не сейчас). Так вот, этот язык, если на него посмотреть, удивительно похож на известный всем C.

Code: Select all

main( ) {
  auto c;
  while (1) {
    while ( (c=getchar()) != ' ')
      if (putchar(c) == '*n') exit();
    putchar( '*n' );
    while ( (c=getchar()) == ' '); /* skip blanks */
    if (putchar(c)=='*n') exit(); /* done when newline */
  }
}

В чем отличие? Нет типов данных. Один тип данных — машинное слово. То самое, которое 18 бит

Но техника развивалась, и появилась знаменитая PDP-11. У нее слово было уже нормальные 16 бит. Целых 8 регистров, очень гибкая система адресации данных. По сравнению с PDP-7 — просто небо и земля. Но что еще немаловажно — команды работали не только со словами, но и с байтами. И в памяти так же можно было обращаться к отдельному байту, а не только слову.

Язык B был портирован на PDP-11, но его возможностей не хватало. И тогда к работе над языком подключился Деннис Ритчи. Так появился язык C. Тут важно акцентировать внимание на том, что вначале было железо, которое проектировалось исходя из соображений «а давайте еще и вот так зафигарим, круто же». А язык допиливался, чтобы покрыть функционал уже существующего железа. И многие решения по языку были продиктованы этим самым железом.

Язык оказался небольшим, понятным, низкоуровневым и удачным, так как достаточно быстро был портирован на другие системы. Язык был невероятно низкоуровневым для того времени. Интересующиеся могут ознакомиться с алголом и фортраном:) Эффективность кода, который он порождал, была гораздо выше. И главная киллер-фича — можно переносить программы простой перекомпиляцией. Ну почти:) Потом были написаны терабайты софта на C, и так язык стал гегемоном. А после плюсов все вообще пошло под откос

Если сравнить архитектуру и систему команд PDP-11 с более поздними процессорами, то критике можно подвергнуть два момента. Во-первых, мало регистров. Их всего 8, при этом два заняты указателем текущей команды и верхушки стека. То есть у программиста остается всего 6. Локальные переменные на регистрах особо не поразмещаешь — они (регистры) быстро закончатся. И во-вторых, система адресации хоть и ортогональна, но несколько избыточна и сложна. Но с другой стороны а что делать если переменные по большей части в памяти или стеке? С ними же надо как-то работать.

Позже, в 80-е и далее в 90-е архитектура процессоров была существенно переосмыслена. Стали считать, что регистров надо больше — это позволяет хранить локальные переменные не на стеке, а в регистрах и работать с ними быстрее. А вот сложных команд, которые работают память-память, надо избегать. Команды должны быть простые, прогнозируемые и выполняться за один-два такта. Квинтэссенцией упрощения архитектуры стал RISC/MIPS. (Конечно не все были с этим согласны. Интел например продолжал пилить своего легаси монстра х86, что тоже изрядно повлияло на индустрию, но об этом в другой раз

И вот мне тут подумалось как-то: а что было бы, если бы PDP-11 была другой? Тогда, возможно, и язык C выглядел бы иначе? Однозначно иначе. Но как?

Post by **UR5FFR** » 17 Oct 2026, 13:01

Итак приступим. Я буду проектировать архитектуру исходя из технических возможностей которые были доступны во времена создания PDP-11. Т.е. ничего экстраординарного и нвевероятного, никаких квантовых ускорителей и FPGA не будет. Все предельно просто с прицелом на легкую микропрограммную реализацию хоть на россыпухе из 155й серии.

У PDP-11 было 8 регистров шириной в 16ти битное слово. И этого очень мало для эффективной работы. Поэтому в моем процессоре будет 16 регистров. Шириной все те же самые 16 бит. И чтобы компилятор не умер от счастья часть из этих регистров мы займем под регистры специального назначения. У PDP-11 это регистр казателя стека SP и текущей инструкции IP. Мы не будем большими оригиналами и сохраним эти регистры. Но добавим еще два - регистр флагов FLAGS и регистр связи LR.

Разберемся подробнее что это нам дает. Регистр флагов как один из регистров общего назначения позволяет сократить набор команд исключив из него специфичные команды для работы с ним. Т.е. мы его можем пересылать в другие регистры и сохранять в стек точно так же как и любой другой регистр. О - Ортогональность.

Регистр связи LR используется следующим образом. Когда выполняется CALL он не ложит адрес возврата в стек, а просто сохраняет его в регистре LR. Подпрограмма в свою очередь для возврата просто пересылает значение из LR в IP. Но вся эта конструкция работает только если подпрограмма листовая, т.е. она не вызывает другие подпрограммы. Если вызовы есть то все же должны сохранить регистр связи LR в стеке и восстановить его перед возвратом. Это обычная техника используемая в RISC. Она экономит нам обращение к памяти через PUSH/POP для сохранения адреса возврата. И за счет этого мы минимизируем затраты на вызов маленьких листовых подпрограмм.

PDP-11 имеет три типа команд (под типом подразумевается распределение и функциональное назначенией полей в инструкции). У моего процессора изначально был только один тип

М - Минимализм

Code: Select all

 15      11 10    7 6     3 2     0
| OPCODE:5 | R1:4  | R2:4  | R2MOD:3 |

Вкратце логика исполнения команды очень простая. Код операции задается полем OPCODE. Всего может быть 32 различных вида операций. Первый операнд берется всегда из регистра R1. Второй операнд может браться как из регистра R2, так и из памяти или быть константой. Это определяется типом адресации который задается в поле R2MOD. Всего может быть 8 разных типов адресации и они все задействованы.
Результат операции помещается в регистр R1.

Есть несколько исключений. Команды сохранения в память сохраняют регистр R1 по адресу который определяется полем R2MOD+R2. Команда обмена (XCHG) обменивает значение регистра R1 и памяти R2MOD+R2. Некоторые команды могут не использовтаь поля R1, R2 и R2MOD, либо трактовать их иначе.

Для команд условного перехода регистр R1 содержит 4 бита кода условия. А адрес перехода определяется комбинацией R2MOD+R2.

Как я уже писал выше поле R2MOD определяет тип адресации второго операнда. Всего может быть 8 разных типов адресации

Code: Select all

|   Запись  |           Операнд                 |      Пример      |
|-----------|-----------------------------------|------------------|
| R1        | значение регистра                 | ADD R0, R1       |
| #выр      | константа                         | ADD R0, #100     |
| [R1]      | слово по адресу R1                | LD R0, [R1]      |
| [R1++]    | слово по адресу R1, затем R1 += 2 | ADD R0, [R1++]   |
| [--R1]    | R1 ?= 2, затем слово по адресу R1 | LD R0, [--R1]    |
| [адрес]   | слово по абсолютному адресу       | LD R0, [counter] |
| [R1+выр]  | слово по адресу R1 + смещение     | LD R0, [R1+4]    |
| R1+выр    | сумма без обращения к памяти      | LEA R0, R1+4     |
|-----------|-----------------------------------|------------------|

Что тут интересного:
- вторым операндом может идти короткая константа длиной 4 бита
- если нам нужна длинная 16ти битная константа или адрес то она идет вторым словом сразу после инструкици. А обращаемся мы к нему через [IP++]
- есть косвенная адресация
- есть преддекремент и постинкремент, т.е. конструкции вида --R1 и R1++. А так как регистр стека - это обычный регистр то операции PUSH и POP записываются через MOV R1, [SP++] и STO R1, [--SP] (стек растет вниз)
- есть косвенная адресация с дополнительным смещением. Это дает возможность адресовать как переменные на стеке (ADD R2, [SP+4]) так и константы рядом с кодом (XOR R4, [IP+24]).

Теперь коснемся немного модели памяти. Адресация происходит с точностью до байта. Его адрес невыровнен - т.е. может быть как четным так и нечетным. А вот слова в памяти все должны располагаться по четным адресам, т.е. выровнено. Инструкции процессора точно так же располагаются с выравниванием. При чтении/записи слова из памяти младший бит адреса попросту игнорируется. Никаких прерываний как в PDP-11 не происходит.

Все регистры процессора 16ти битные. Все операции над ними так же 16ти витные. За исключением загрузки и выгрузки. Они есть для байтовых данных. При загрузке байта он попадает в младшую половину слова. А старшая часть либо обнуляется либо получает знаковое расширение. Т.е. нам надо две команды загрузки байта. И одна команда выгрузки, которая сохраняет байт из младшей половины слова.

Для сравнения в PDP-11 все команды обрабатывающие данные имеют отдельный флаг который говорит о том какую ширину они имеют - слово или байт. Вроде и казалось бы логично, но на практике - избыточно.

Продолжение следует ...

Post by **UR5FFR** » 17 Oct 2026, 20:40

Вся эта идея была за один вечер зафиксирована в виде черновика на несколько страниц текста

➕ Черновик описания системы команд

Но так как писать документацию для программиста это самое ненавистное из занятий то я скормил этот драфт ИИ клауди. Она бодренько так отрапортовала что в общем-то неплохо, но можно сделать много разного улучшайзинга. И тут ее пришлось основательно притормаживать, потому как ее идеи превращали исходную концепцию в смесь бульдога с носорогом. В итоге за вечер архитектура была уточнена и на нее написана полная спецификация.

Архитектура 16-битного процессора, ревизия 2.html: (32.28 KiB) Downloaded 3 times

И все было хорошо - светило солнце, пели птички. Ничто не предвещало беды. И тут клауди спросила - а хочешь я напишу эмулятор?

Небольшая ремарка. Я достаточно скептически отношусь к возможностям ИИ по написанию кода. Да, они что-то пишут, оно даже работает но обычно требует доработки напильником и не всегда соответствует тому что ты хотел получить.

Учитывая сложность задачи я воспринял это с изрядной долей скептицизма. Но все же решил - а почему бы и нет? Пусть попробует. Может у нее что-то и получится. Рабочее

Каково же было мое удивление когда через пять минут я стал обладателем архива который содержал эмулятор процессора. И тут Остапа понесло

Чтобы запустить код на эмуляторе нужен ассемблер - не писать же вручную бинарные коды. Поэтому первым делом була написана спецификация на язык ассемблера для этого процессора. Потом собственно сам ассемблер.

Язык ассемблера 16-битного процессора. Справочник.html: (65.21 KiB) Downloaded 1 time

Так как спецификации - это тяжелая для чтения канцелярщина то было написано и введение на языке ~~кожанных мешков~~ понятном человекам

Введение в архитектуру и язык ассемблера CPU16.html: (79.7 KiB) Downloaded 1 time

Из устройств ввода-вывода (которые мапятся на память) была пока только обычная текстовая консоль. Поигравшись немного с эмулятором в командной строке я понял что этого "маловато будет". И попросил клауди написать на джаваскрипте интерактивный дебагер, который бы запускался в браузере. И выглядел так как выглядит окно отладчика в режиме CPU в Дельфи. Каково же было мое удивление когда все получилось именно так как я себе и представлял. Да еще и рабочее

Дальше как говориться аппетит начал приходить во время еды. Виртуальная машина была дополнена таймером и устройством текстового цветного дисплея. Было принято решение не отображать фреймбуфер на память, которой и так не много (всего 64к) а сделать работу с ним через порты ввода-вывода. Т.е. в регистр пишется адрес а потом в регистр данных пишутся символы. Кодовую страницу клауди предлагала взять 866ю. Это меня категорически не устраивало и я предложил 1251. На что она ехидненько так заметила что в 1251 нет символов псевдографики для рисования рамочек и прочего. Не вопрос. Легкое движение руки и страница 1251 была дополнена двумя блоками псевдографики из КОИ-8.
Кроме этого в веб-отладчик был добавлен ассмеблер, чтобы можно было писать и править код сразу "не отходя от кассы".

Ну и как же без ретрогейминга когда у нас уже все есть готовое?

Пять минут и готова "змейка"

Жрет символы и и растет

Ну и то ради чего все собственно и затевалось - конечно же тетрис. Причем еще и с встроенным демо режимом, когда программа умеет играть в него сама

Я не написал ни одной строчки кода - чистый вайб

Я руковожу процессом, вычитываю спецификации, принимаю архитектурные решения, корректирую там где есть разные варианты решений. Но код и документацию не пишу принципиально. Цель - понять что она (клауди) может и где пределы ее возможностей.

Кому интересно самому поклацать - в архиве документация, веб-отладчик с ассемблером и демо примеры. Текст примера копируем в окно редактора, жмем Build и Run. Для программ которые требуют полноэкранный режим надо дополнительно открыть дисплей нажав кнопку Display справа внизу. Дисплей открывается в отдельном окне - проверьте что ваш браузер разрешает это.

u16.zip: (146.17 KiB) Downloaded 4 times

Если кто-то думает что это все, то это не так

Описано то что было по состоянию на 10 днйе назад.
С тех пор ~~утекло много воды~~ в проекте появилось много чего интересного и вкусного. Так что
Продолжение следует ...

UR5FFR

Поворот в не туда или Как написать тетрис не привлекая внимания санитаров

Поворот в не туда или Как написать тетрис не привлекая внимания санитаров

Re: Поворот в не туда или Как написать тетрис не привлекая внимания санитаров

Re: Поворот в не туда или Как написать тетрис не привлекая внимания санитаров