Разработка собственной архитектуры процессора и эмулятора — это одна из самых сложных, но вместе с тем увлекательных задач в мире системного программирования и эмуляции. Проект Turbine представляет собой 16-битный процессор вместе с виртуальной машиной и эмулятором, которые реализованы на языке C. Он объединяет в себе классические идеи архитектуры ЦП с современными принципами виртуализации и программирования низкого уровня. В данной статье мы погрузимся в детали этого проекта, рассмотрим его значение для изучения работы вычислительных машин, а также особенности подхода автора к созданию и развитию CPU-архитектуры и эмулятора. Проект Turbine вырос из увлечения автора системным программированием и исследованиями в области разработки языков программирования и виртуальных машин.
Всё началось с опыта решения задач Advent of Code, который подтолкнул к глубокому изучению архитектур процессоров и разработке языка Mango. На практике создания своего языка автор столкнулся с необходимостью создать собственную виртуальную машину, которая бы выполняла код Mango, но при этом была достаточно простой и универсальной. Именно в этот момент появилась идея создать собственный 16-битный процессор под названием Turbine. Выбор языка C для реализации проекта не случаен. Автор отмечает, что раньше использовал C++ для создания Mango, но со временем начал уставать от сложности и многочисленных деталей современного C++.
В результате C стала настоящим вдохновением из-за своей минималистичности, близости к железу и высокой эффективности. Такая реализация позволила глубже понять устройство виртуальных машин и архитектуру процессоров на базовом уровне без излишней абстракции. Архитектура Turbine построена на 16-битной шине данных, что означает работу с адресацией памяти шириной 2 байта. Размер слова процессора — 8 бит, что типично для классических компьютеров, и заставляет использовать двухбайтовые регистры для работы с адресами памяти. Это детализация позволяет достичь баланса между концептуальной простотой и возможностями работы с разумным объёмом памяти.
Процессор Turbine имеет набор из 9 регистров. Среди них пять общих – A, B, C, D и E, каждый из которых 16-битный и может работать как с 1-байтной, так и 2-байтной информацией. Кроме того, предусмотрены специальные регистры: указатель команд (instruction pointer), два указателя стека (stack pointer и base pointer), аккумулятор и регистр состояния (status register). Таким образом, виртуальная машина обладает достаточно гибкой архитектурой для выполнения разнообразных операций и управления памятью. Инструкция набора Turbine очень компактна и лаконична, каждая операция кодируется одним шестнадцатеричным байтом, что позволяет уместить всё в ограниченный размер кода и свести сложность к минимуму.
Список доступных инструкций охватывает основные операции работы с памятью (LOAD и DUMP), манипуляции регистрами (MOVE, LDD), арифметические и логические операции (ADD, SUB, NOT, OR, AND), работу со стеком (PUSH, POP), сравнения (CMP), управление потоком исполнения (JUMP) и остановку программы (HLT). Такая простая и понятная система даёт представление о том, как настоящие CPU организуют выполнение команд. Особое внимание уделено работе с регистровыми флагами. В зависимости от типа регистров и операции, инструкция может адресоваться как 1-байтному представлению регистра, так и 2-байтному. Такой подход обеспечивает гибкость при работе с данными разного размера.
Регистры, которые хранят адреса (stack pointer и base pointer), всегда 2-байтовые, так как адресация требует полного объёма для корретного обращения к памяти. Стек — одна из ключевых структур в архитектуре Turbine. Он реализуется в памяти, растёт «вниз» от высокого адреса к низким, что характерно для многих классических архитектур. Стек важен для временного хранения данных, адресов возврата и управления потоками выполнения. Наличие инструкций PUSH и POP для работы со стеком позволяет реализовывать сложные алгоритмы, включая вызовы функций и управление памятью.
Регистры состояния и флаги, хранящиеся в статусном регистре, позволяют реализовывать условные переходы. CMP инструкция сравнивает два регистра и выставляет соответствующий флаг (равенство, больше, меньше), который затем проверяется инструкцией JUMP для изменения потока выполнения. Это даёт виртуальной машине возможность реализовывать логические конструкции, ветвления и циклы, необходимые для полноценных вычислений. Реализация виртуальной машины включает в себя структуру VirtualMachine, в которой хранятся все регистры, память и устройства. Память выделена динамически и представляет собой массив байт фиксированного размера.
Каждый цикл эмуляции процессора выполняется функцией step_vm, которая декодирует текущую инструкцию, читает аргументы и обновляет состояние регистра и памяти. Для повышения читаемости и поддержки разработан небольшой дебаггер, который выводит содержимое регистров и занятую память. Еще одна инновация — поддержка устройств, подключаемых к виртуальной машине, реализованных через структуры с функцией обратного вызова on_cycle. На данный момент реализован базовый консольный вывод, который отслеживает память и выводит на экран символы, записанные в определённой области. Эта идея позволяет со временем расширять платформу, добавляя, например, виртуальный экран или сетевые устройства.
Для удобства написания программ на данной архитектуре был создан упрощённый ассемблер на Lua. Он позволяет конвертировать удобочитаемые текстовые команды в бинарный формат для запуска на виртуальной машине. Это значительно облегчает процесс разработки и тестирования программ на Turbine, поскольку прямое написание байткода было бы чрезвычайно сложным и подверженным ошибкам. Автор рассказал, что даже попадание в самые простые задачи и их решение помогло глубже понять внутреннее устройство процессоров и виртуальных машин, а также стимулировало увлечение языковыми разработками и системным программированием. Такой опыт показывает, как важна практика и системный подход к изучению низкоуровневого программирования и архитектуры ЭВМ.
В перспективе проект Turbine может получить поддержку дополнительных устройств, улучшенный ассемблер с возможностями макросов и подпрограмм, а также адаптацию под современные платформы. В конечном итоге проект демонстрирует важность изучения базовых принципов работы вычислительных систем и показывает, как можно самостоятельно создать свой комплексный эмулятор и виртуальную машину с нуля, используя минималистичный и мощный язык C. Turbine — это не просто хобби, но и отличный образовательный проект, который полезен для тех, кто хочет углубиться в основы вычислительной техники, понять, как работают процессоры, и попробовать силы в разработке собственных архитектур и средств эмуляции. Такие проекты стимулируют понимание сложных концепций и являются хорошим трамплином для дальнейшего освоения системного и встроенного программирования. Интерес к подобным эмуляторам и архитектурам постоянно растёт, ведь современный мир программирования часто отвлекает от основ.
Возвращение к низкоуровневому пониманию машинных процессов позволяет взглянуть на технологии под другим углом, увеличивает мастерство и расширяет возможности как разработчика, так и исследователя. В заключение, Turbine представляет собой мощный инструмент для изучения 16-битных архитектур, реализации виртуальных машин и эмуляторов, показанный на примере минималистичной, но функциональной системы. Созданный на языке C, проект соединяет идею простоты и эффективности, демонстрирует важность глубокого погружения в устройство компьютеров и вдохновляет на самостоятельное творчество в области системного программирования.
