Архитектрура системы команд 8-разрядного МК, Оценка/Анализ/Архитектура 8-32 разрядного МК Опции

[vitja]

Передо мной поставлена задача (сам напросился) - дать предложения по архитектуре
системы команд 8-разрядного процессорного ядра для управления работой аппаратуры SOC,
совместимой с ЯВУ, удобной для программирования на ассемблере, простой в реализации
и обеспечивающей компактный программный код и малое число тактов на его выполнение.

Я, как учили в институте, сперва посмотрел, что делают другие, провел оценку того, что у них получилось по затратам кода
и тактов на его выполнение для типовых задач управления.

Потом, как учили в аспирантуре, провел анализ влияния особенностей системы команд процессора
на его эффективность rating.pdf
http://moko.ru/mc/


Затем поступил не так, как учили, и вместо того, чтобы взять за основу архитектуру известного МК,
предложил концепт "простого" 8-разрядного процессорного ядра на базе стековой архитектуры,

который позволяет обрабатывать данные до 32-разрядов и не только на стеке, но и в памяти,
задавать в байтовой команде сколь угодно длинные поля констант и адресов,
и еще некоторые рюшечки и фишечки (там же M8.zip) плюс заявка на патент ......2008.

Концепт получился приемлемый, если сравнивать с 8051, PIC, AVR и даже ARM Thumb, но не идеальный:

1. Есть сомнения в правильности методики оценки эффективности процессора,
и, соответственно, принятых решений. Возможно есть другие, которые приведут к другим решениям.

2. Из него (концепта) торчат уши PICа - страничная организация памяти, что не позволяет обеспечить линейный доступ к данным,
AVRровские регистры косвенной адресации, а не механизм адресации данных по ссылкам и пр.
Переходить на 32-разрядный формат команды не позволяет постановка задачи, а решить эти проблемы,
оставаясь в рамках 8-разрядной системы команд у меня пока не получается.

Люди добрые, посмотрите хотя бы по диагонали moko.ru/mc и помогите "бедному" разработчику, кто чем может по делу,
без ля-ля-ля, смайликов и спама, - советом, предложением, позитивной критикой и замечаниями. Не дайте загинуть концепту.

Сообщение отредактировал vitja - Jan 16 2009, 12:07

[vvvv]

Второй день, тем более выходной это не так много. Подождите понедельника. Выйдут на работу, подскажут. Кроме того, здесь скорее всего практики, а у Вас голая наука, очень отдаленно касающаяся текущих проблем. Может дело в этом.

[zltigo]

а у Вас голая наука,

Скажу, извините, грубее - это не наука. Как многочисленные студенты появляющиеся на этом форуме с вопросами на самом деле не занимаются "проектированием", так гораздо много менее многочисленные аспиранты не занимаются "наукой" .

 

[vitja]

Как студенты ... так и ... аспиранты не занимаются "наукой" .
 

Практикам.
Вы используете продукты известных фирм от Intel до Атмел, и уверен, что грамотно.
Почему используете. Потому что доступно на каждом углу, стоит дешево и решает ваши задачи.
Как в Макдональдсе - гамбургер, фри и пепси (схема, компилятор, отладчик).
Нравится. Кушайте на здоровье.
Мне хочется другого.
Не 51-го с его многоформатной и переусложненной системой команд,
не PICа с его аккумулятором и ограниченным регистровым файлом,
и даже не AVR с его регистрами (об Эльбрусе не говорим - это не процессор для 8-разрядного микроконтроллера)
Чего хочу, попытался изложить вышше (там). Если недопонятно изложил. Виноват, поправьте.

Доцент

надо JAVA-процессор делать ... уже есть такие.

По существу вопроса - непонятна цель данной разработки. Нет цели, соответственно, нельзя поставить задачи и тем более найти пути их решения.

JAVA байт-код сложен для прямой интерпретации (реализации) в ограниченной аппаратуре МК.
А вот его его подмножество ....

О цели см. http://moko.ru/mc/ но там много цифирек и текста, поэтому надо вчитываться.
В 3-х словах о цели темы - эффективная система команд (МК)

Для чего - что бы ее сделать.

Сообщение отредактировал vitja - Jan 18 2009, 12:02

[zltigo]

Мне хочется другого.
Не 51-го с его многоформатной и переусложненной системой команд,
не PICа с его аккумулятором и ограниченным регистровым файлом,
и даже не AVR с его регистрами.

При этом, Вы якобы претендуя на реализацию

8-разрядного процессорного ядра для управления работой аппаратуры SOC

Совсем не поминаете именно реализации ядер по жизни заточенных под SoC.
Ведете разговоры о "..если сравнивать с 8051, PIC, AVR и даже ARM Thumb,". Даже "ARM Thumb" - а какого, черта якобы говоря о SoC поминать все это а не ARM Cortex-M1, NIOS... ? В бумажных переводных книжках такие буквы не встретились? "Наука", понимаш . Посмотрите на тот-же NIOS начала этого века и подумайте насколько и почему он отличается (и разрядностью, и системой команд, и количеством регистров) от поминаемых Вами "конкурентов" и бумажных проектов восьмидесятых годов прошлого века рождененных в 10мегагерцовые времена с ограничениями и на степень интеграции, и на количество ножек у DIP корпусов.

 

[vitja]

Ведете разговоры о "..если сравнивать с 8051, PIC, AVR и даже ARM Thumb,"...
Посмотрите на тот-же NIOS ....

Посмотрел NIOS. Это не гамбургер 8-разрядный - это биг-мак 32-разрядный.
16-битная 2-адресная регистровая система команд. Оченнь простая, 16 форматов, более полусотни команд, нет условных переходов, зато есть пропуски.
Чуть-чуть румянец навести и от системы команд ARM Thumb отличить невозможно. Но все равно от этой пищи....
Минус три балла.
И вообще. Я предложил конкретно специалистам -
обсудить только вопрос эффективности системы команд 8-разрядного процессора. Предложил методику, привел оценки, как смог, дал предложения по повышению этой самой эффективности.
Все. О RISC говорить перестали, о критериях эффективности МК тоже, теперь не будем говорить о 32-разрядных процессорах.
А если Вам не нравятся 8-разрядные МК, то ..... это Ваше дело.
Однако большую часть рынка микроконтроллеров занимают именно они и это место другим уступят не скоро.

Сообщение отредактировал vitja - Jan 18 2009, 14:12

[zltigo]

Посмотрел NIOS. Это не ...

Вопрос не Вашей оценки чего-либо а в том, что взявшись наукобразно судить о ядрах для SoC, и даже уже родив некий "трактат" Вы до сего момента не удосужились ознакомится с реальными игроками на рынке SoC. Про подумать про то, почему они такие я уже и не говорю . Вместо этого наукообразный обзор и цитирование бумажных изданий с 80x годов и "улучшение" ядер прошлого века. Про "критерии" оценок SoC ядер по той-же занимаемой площади (к тому-же высосанные из пальца еще в том-же прошлом веке) - это вообще дурдом.

Из PC Week от 5 декабря 2008

Есть еще масса интересных журналов типа Хакер и иже с ним.

доля рынка МК


14% 8051
12% PIC
3% AVR
1% ARM . Остальные места занимают другие фирмы со своими проприентарными процессорами (Motorola, Zilog, Holtek, Sani...)

Врут. На первом месте микроконтроллеры, котрые уже и те-же москвичи выбрасывают в мусорник после каждой поездки на метро и прочая "электроная пыль" на ценниках в магазинах, карточках, картриджах.... Так о чем лично Вы пытаетесь вещать? Если не забыли, то Вы собирались просветить на счет SoC ядер.

 

[vitja]

......это вообще дурдом.

Врут. На первом месте микроконтроллеры, котрые уже и те-же москвичи выбрасывают в мусорник
...Если не забыли, то Вы собирались просветить ...
 

1. Без комментариев.
Про SoCи тоже больше говорить не будем. ОК!
Только о системе команд и какая из них лучшее и объясняя почему.

2. Они выбрасывают не 32-разрядный NIOS (ARM, MIPS, R....), а простенький 4-8 разрядный процессор.
Возможно это UNC80 (усовершенствованная архитектура МК 1878ВЕ1 з-да Ангстрем), они там карточками занимаются.
Возможно это что-то другое.

3. Просвещения ждут верующие, просветления - ждут буддисты, нормальные специалисты не ждут - они самообучаются.

Давайте ближе к теме уважаемые. А то выходные кончаются.

Сообщение отредактировал vitja - Jan 18 2009, 18:56

[zltigo]

Про SoCи тоже больше говорить не будем. ОК!

Отлично! Если просмотреть все Ваши "не будем говорить", то Вам остается молчать и это правильно! Поскольку ничем кроме псевдостистематизированного мусора изобилующего ошибками и высосанными из пальца Вами и цифирями Вы удивить не сможете . Смело вываливайте этот мусор заказчику (полагаю, что это отмывка денег где-то в районе зеленоградского ВПК ), но не надо его "обсуждать" - это уже чрезмерно.  

Я думал, что это только мне так показалось

Нет , там всякого полно в каждом абзаце. То тактовые частоты выбираются исходя их времени реакции на внешние события в миллисекунды, то цикл обращения к flash в контроллерах занимает до 20 нс. А как библиографический перл типа "Начала программирования" издания 1981 "использованом" для оценки трудоемкости программирования микроконтроллеров? "Анализ" тех-же PIC закончился на PIC17. 4bit контроолеры оказывается круто себя чувствуют в бытовой электронике и автомобилестроении. 8bit имеют наилучшие соотношения цены и производительности (тоже из какой-нибудь книжки издания где-то 1985 года) и с успехом используются для задач цифровой обработки сигналов. Студенту напишавшему такой труд твердый неуд. Что делать с Доцентом, даже не знаю  

[vitja]

...Вам остается молчать и это правильно!
...библиографический перл типа "Начала программирования" издания 1981 Ч
...то делать с Доцентом, даже не знаю

Просил без ?ля-ля-ля.
А сам не удержался, надеюся в последний раз.

1. Все чем мы пользуемся сейчас было заложено в 50-80-е годы.
Примеры ? Ваш и мой ?пень? вырос из 8086-го (1980 год), была даже его 8-разрядная версия (это ближе к теме).
- Крутой и наисовременнейший (2000 гг выпуска) МК MSP430 ? это клон PDP11, созданного в 70-х годах.
- Хорошие книги по программированию изданы в основном до 80-го года и сейчас только переиздаются (Кнут, Брукс младший и т.д. список большой, см. в библиотеке) .
2. Надо читать не только ДатаШиты и книги инструкции, которыми завалены полки книжных секций с литературой ?по так называемому программированию?
3. После 80-х годов программирование и аппаратура ЭВМ развиваются экстенсивно и эволюционно. В основном в сторону инструментария, который делают избранные.
Умные ребята от Гейтса превратили программистов в общество потребителей ? нажал нужную кнопку ? получил результат.
Мы ремесленники. Этим надо гордиться?
PS/ А книга называется "Начала науки о программах" Будьте внимательнее/ пожалуйста/

[MrYuran]

- Крутой и наисовременнейший (2000 гг выпуска) МК MSP430 ? это клон PDP11, созданного в 70-х годах.

Вот это действительно вещь. Вот его бы лучше проанализировали, а не допотопные пикушки.
И повторюсь ещё раз, говорить, что "система команд оптимальнее на 23%" без указания параметра оптимизации и критерия оценки, а также не имея конечной цели оптимизации - полный бред.

Тот же компилятор может оптимизировать по быстродействию либо по размеру кода. Параметры практически взаимоисключающие. При оптимизации по быстродействию приходится жертвовать размером и наоборот.

Сделать что-то, оптимальное по всем параметрам, невозможно. Нужны критерии оценки и весовые коэффициенты, определяющие влияние каждого параметра на общую оптимальность (опять же, исходя из конечной цели)

Вообще обычно при разработке нового типа МК производители берут готовое ядро (проверенное, широко известное и имеющее кучу инструментальных средств, т.к. компиляторы, симуляторы, etc)
А различия архитектуры наблюдаются на уровне функциональных блоков МК.
Например, мне сейчас в голову пришла мысль: а почему бы не сделать аппаратный шедуллер? Который по флагу моментально запускал бы нужное приложение, заодно соблюдая приоритет. Вот это была бы вещь, РТОСки бы летали. А курочить процессорное ядро без цели...

Тогда уж лучше трёхбитными процессорами заняться, вот уж где новизна! Вот где оптимальность! Не секрет, что оптимальное основание системы счисления - число е, которое намного ближе к 3, чем к 2

[vitja]

MSP430 это действительно вещь. Вот его бы лучше проанализировали, а не допотопные пикушки.

Тот же компилятор может оптимизировать по быстродействию либо по размеру кода.

Сделать что-то, оптимальное по всем параметрам, невозможно. Нужны критерии оценки и весовые коэффициенты ....

Тогда уж лучше трёхбитными процессорами заняться, вот уж где новизна! Вот где оптимальность! Не секрет, что оптимальное основание системы счисления - число е, которое намного ближе к 3, чем к 2

Полковнику не по порядку.
1. Критерии указаны - объем программного кода и числа тактов на его выполнение
при реализации операторов языка высокого уровня при доле (весе) их употребления
для задач не вычислительного характера (основная область применения МК).
2. Я тоже об этом - современный программист бац, нажимает кнопку, получил оптимальную
программу по объему кода, нажал другую, поднял быстродействие.
Зачем думать и говорить об эффективной системе команд? За нас таммм далеко в долине все это решили.
3. Современная элементная база мало пригодна для реализации логики с тремя состояниями.
4. Утверждение о том, что "вещщь" MSP430 это клон PDP11 (СМ3-4, Электроника 100, 1806 ВМ1 и прочие
аналоги) не опровергнуто/ а значит принято
5/ В ответ на пожелание привожу упрощенный анализ эффективности его системы команд по оценка объема кода
относительно 8051 (при обработке байтовых данных).
- длина команды - 16-разрядная переменной длины - 2.0
- адресность команды - 2-адресная регистровая - 0.73
- организация обработки - регистры, с возможностью задания констант и адресов
операндов в следующем слове. Тут сложнее, поскольку с одной стороны регистры, но не АВэРовские.
Поэтому пусть будет 1.0.
- организация выполнения команд - нельзя выполнить команду за такт,
и возможно даже за два (причина указана выше).
- состав команд - должно быть 1.0, однако поскольку константы имеют большой вес
среди операндов (условно примем 30%) на задание одного байта будет тратится
целое 16-разрядное слово, Поэтому 1.0 не получается, а получается где-то 1.15.
Итого имеем 2.0*0.73*1.0*1.15 = 1.7. Во столько раз с точностью достаточной
для практического применения МК430 уступает 8051.

Более точные оценки можно получить, если оценивать реализацию операторов ЯВУ в затратах
машинного кода М430.

[MrYuran]

- организация выполнения команд - нельзя выполнить команду за такт,
и возможно даже за два (причина указана выше).

Между тем, большинство команд выполняется как раз за 1 такт, благодаря широкому набору косвенных типов адресации, только переходы сбивают конвейер и поэтому требуют дополнительного такта.

[vitja]

о вещи MSP430

В оценке ошибка, виноват. Выигрыш в коде у байтовой системы команд 8051
по сравнению с 16-разрядной составляет 1.22 (раздел 5.2 работы)
Поэтому имеем 1.22*0.73*1.0*1.15=1.02. Т.е они дают приблизительно равный объем кода.
Это подтверждают цифры Maxago..., который приводит данные по тесту switch...
где получено 1.17.
Согласись, что для прогноза 15% является допустимой погрешностью.
Вот так теория проверяется практикой.

смотрю в книгу, а вижу ...

Сгораю от стыда.
Написано Чехонте "Жалобная книга", а "Станционный смотритель" написал кто-то другой.
Но ведь никто не поправил...

[Mahagam]

В оценке ошибка, виноват. Выигрыш в коде у байтовой системы команд 8051
по сравнению с 16-разрядной составляет 1.22 (раздел 5.2 работы)
Поэтому имеем 1.22*0.73*1.0*1.15=1.02. Т.е они дают приблизительно равный объем кода.
Это подтверждают цифры Maxago..., который приводит данные по тесту switch...
где получено 1.17.
Согласись, что для прогноза 15% является допустимой погрешностью.
Вот так теория проверяется практикой.

теорию потиху подгоняем. под некие сферические задачи в вакууме. а практика иногда показывает и 7 кратную разницу...

кстати, если ник правильно написать не можете сами - есть удивительная технология: Copy-Paste называется. попробуйте.

Я хотел добиться компактного кода – поэтому выбрал байтовую систему команд, 16-разрядная увеличивает объем кода по моим прикидкам в 1.22 раза

фигасе. ну вроде уже и теорию начали перекраивать, а всё туда же. http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_do...nts/DOC1292.PDF тут атмел рвёт всех по размеру кода, хотя у них код нифига не 8-и разрядный.
неужто по предыдущей ссылке не сходили? неужто не увидели, что нет нет никакого увеличения в 1.22 раза!

ну и вопрос на засыпку: вот описали вы архитектуру, полностью определились со всеми разрядностями, количеством регистров, набором команд, расписали какие команды как и когда меняют флаги. и прочее прочее прочее. а что дальше?

[vitja]

1/// Copy-Paste называется. попробуйте.

2//фигасе. ну вроде уже и теорию начали перекраивать,

3//ну и вопрос на засыпку: вот описали вы архитектуру, полностью определились со всеми разрядностями, количеством регистров, набором команд, расписали какие команды как и когда меняют флаги. и прочее прочее прочее. а что дальше?

1. Как читается так и пишется За кнопочки спасибо, но я привык больше ручками

2. Я исправил ошибку, а не результаты своей работы.
Вы можете признаться в своей ошибке. См выше. Ищите. Не найдете - никому не скажу.

3. Дальше надо читать М8.zip. Специально упакованный, что бы не лазали ламеры.
Однако. Почему нет. Смотрите здесь. (или поднять выше?)
На основе ... предлагается ... для тех, кому лениво вникать в 12 листов текста того, что указано
реферат - аннотация - тезисы, т.е. очень кратко:
- Универсальное процессорное ядро для 8-32 разрядных микроконтроллеров
- Система команд – стековая (патентно чистая)
- Объем ПЗУ до 64 К с возможностью расширения
- Объем ОЗУ до 64 К с возможностью расширения
- Производительность – 1 такт на байт команды (данного)
- Тактовая частота процессора до 500 МГц
- Площадь кристалла – при технологии 0.13 мк – точка на кристалле
- Потребление – в четыре раза меньше
- Имеется встроенный отладчик (трассировщик), 2-х канальный DMA

Обеспечивает сокращение программного кода по сравнению
с 32-разрядным ARM Thumb в два раза при равной с ним производительности,
превышет эффективность 8-разрядных серийных МК в 2-3 раза.

Все, lдальше будет позже, выдохся.

Сообщение отредактировал vitja - Jan 20 2009, 16:51

[GetSmart]

Обеспечивает сокращение программного кода по сравнению
с 32-разрядным ARM Thumb в два раза при равной с ним производительности,
превышет эффективность 8-разрядных серийных МК в 2-3 раза.

Товарищ размечтался. Причём он даже не знает ни одной фичи ARM7. Скорее всего никогда не видел листинги всех обсуждаемых им процессоров. А судит только поверхностно по системе команд. Бред.

А вообще, похоже на то, что он действительно учавствует в распиле бабла (российского?). Вот такие значит товарищи пилят наше бабло

[vitja]

российское бабло и ///ARM7//

Ваши у/е и мои рубли за АРМ АВР и пр идут в Россию/// //Для меня это новость/ Атмел работает в России
Как диллер/делящий наше бабло/ вы знаете куда они идут///
Про ябед и анонимов см//выше//
Продолжайте чатится// Я не буду
Однако это ответ не GetSmart//извини ради //не туда кнопку нажал
Это написано диллеру

никто не оптимизирует 8битники

О 8-битниках - Интел в 1980г сделал 8051 потом продал лицензию
После этого все остановилось////
И Вы' /en1gma'/ утверждаете// что Филлипс Даллас Атмел не оптимизирует 8-битники
Тогда с чем Вы работаете?

подумать, что же делается в течении этих 6 тактов, видимо не судьба. и как вообще формируется время исполнения любой команды MSP430 тоже.

Действительно/ 6 тактов - это не 11 мгновений и сделать можно очень много// например
1/выбрать команду/
2/декодировать ее
3/выбрать один операнд
4/выбрать второй операнд
5/выполнить операцию
6/сохранить результат
Так каждый может/// А сделай это за такт//Слабо// тогда хотя бы за два// Только не надо говорить про АВР
При работе с памятью //см/ мой талмуд// он больше тактов тратит//
А про вызов процедур я даже не говорю// от 5 до 10 тактов только на сохранение контекста//
который потом еще и восстанавливать надо/ или я не прав//

Отвечаю тем// кто хочет знать //что делает процессор в течении тактов своей работы//
чищю конюшни//пропуски//в вопросах

ARM7

Книга «Микроконтроллеры ARM 7. Семейство LPC2000» есть в наличии
В ней содержится полное описание системы команд, регистровой структуры, а также рекомендации производителей по программированию и применению. Предназначена для /// радиолюбителей и студентов технических вузов.

Мы видимо говорим о разном// Вы об АРМе / Я об эффективной системе команд 8-разрядного процессора//
Назвать систему команд младшего брата 32-разрядного АРМ -
8-разрядного процессора АВР эффективной// я не могу //По многим причинам//и разным

Продолжаю чиститься// Отвечаю на вопрос
Про отношение частоты ПРЦ и ФЛЭШа/ Соотношение //как я и вы согласились составляет 5 к 1/
Есть только два решения
1 Хранить программу в ОЗУ// которая быстрее
2 переходить на суперскалярность - выбирать из ПЗУ одну длинную команду или несколько коротких
и за счет параллельной работы нескольких вычислительных блоков выполнять все// что выбрано
Это реализовано в некоторых DSP и VLIMS архитектруре//
Как это реализовать в системе команд 8-разрядного ПРЦ? Пока не знаю
PS Есть еще третий "лобовой путь" - выполнять выбранные команды потактно// Однако все наши пути неисповедимы
Куда я попал?

Сообщение отредактировал vitja - Jan 21 2009, 13:57

[GetSmart]

Продолжаю чиститься// Отвечаю на вопрос
Про отношение частоты ПРЦ и ФЛЭШа/ Соотношение //как я и вы согласились составляет 5 к 1/
Есть только два решения
1 Хранить программу в ОЗУ// которая быстрее
2 переходить на суперскалярность - выбирать из ПЗУ одну длинную команду или несколько коротких
и за счет параллельной работы нескольких вычислительных блоков выполнять все// что выбрано
Это реализовано в некоторых DSP и VLIMS архитектруре//
Как это реализовать в системе команд 8-разрядного ПРЦ? Пока не знаю
PS Есть еще третий "лобовой путь" - выполнять выбранные команды потактно// Однако все наши пути неисповедимы
Куда я попал?

Правильный вопрос: откуда вы явились?!

Интересно, с частотой ядра 500 МГц и частотой флэш 20 МГц какая будет скорость процессора оп/сек ? Если программа занимает 64К, то будете дополнительные 64К ОЗУ выделять для хранения программы? Вы в курсе, что площать на кристалле, занимаемая ОЗУ обычно в 2-4 раза больше флэша равного объёма? Зачем тогда ядро на 500 МГц ? Или выделите 10 КБ ОЗУ на часть программы, а остальная, бОльшая часть программы будет выполняться в 25 раз медленнее?