Apollo navigācijas datora programmēšana ar manu programmēšanas valodu

Published: at 12:00 AM

Citiem vārdiem sakot, es uzrakstīju kompilatoru Priedei un tagad ar to var programmēt Apollo navigācijas datoru.

Iepazīstieties, Apollo navigācijas dators.

Apollo navigācijas dators un DSKY

Tā laika tehnoloģiju brīnums; pazīstams ar to, ka nogādāja cilvēkus uz mēnesi Apollo misiju ietvaros.

Apollo navigācijas dators un Bazs Aldrins

Šajā attēlā redzams Apollo 11 astronauts Bazs Oldrins un apakšējā stūrī - šī datora kontroles panelis.

Sešdesmitajos gados, kad NASA gatavojās nolaisties uz mēness, viņi juta nepieciešamību datoram uzticēt kuģa navigāciju un vadību. Tā radās Apollo navigācijas dators. Tajā laikā datori bija istabas izmērā, bet šis ietilpa Apollo kosmosa kuģos un bija maza portfeļa izmērā. Katrā misijā bija 2 tādi. Viens atradās komandmodulī un riņķoja ap mēnesi, otrs atradās kuģī, kas nolaidās uz mēness. Šie datori bija vienādi, atšķīrās tikai programmatūra un pievienotās ierīces. Nolaišanās kuģa datoram, piemēram, bija pieslēgts radars, kas noteica attālumu līdz mēness virsmai.

Bet tomēr cilvēki nolaidās uz mēness ar šī datora palīdzību un tajā laikā tas bija nopietns tehnoloģiju brīnums.

Par programmatūru

Apollo navigācijas datora programmatūra papīra formā

Šī čupiņa ir Apollo navigācijas datora (Apollo Guidance Computer; AGC) programmatūra papīra formā. Dators tika programmēts uzreiz mašīnkodā. Vajadzēja maksimālu efektivitāti, tāpēc kompilatoru izmantošana nebija praktiska.

AGC mašīnkods izskatās aptuveni šādi:

Apollo navigācijas datora kods

Tagad tas ir digitalizēts un atrodams (GitHub)

Turpmāk lasāms izklāsts manam ziemas brīvlaika projektiņam: Uzrakstīt kompilatoru, kas ļautu Apollo navigācijas datoru programmēt ar manu programmēšanas valodu - Priedi.

Protams, izmantojot simulētu Apollo datoru.

Satura rādītājs

Priede

Priede ir programmēšanas valoda, kuru es uztapināju jautrības pēc, lai pamācītos par interpretatoru darbību.

Nosacīti būtiski ir tas, ka Priedes sintakse ir latviešu valodā, bet citādi tas ir vienkāršs interpretators ar baitkoda kompilatoru.

Šeit mērķis ir kompilēt Priedes kodu uz Apollo navigācijas datora mašīnkodu…

Apollo navigācijas datora programmēšana

Rakstīt kodu priekš šī aparāta nav tik vienkārši, kā atvērt failu un rakstīt procesora instrukcijas. Ir pāris lietas, kas jāņem vērā:

Interupti

Šim datoram ir 11 iespējami interupti (pārtraukuma signāli). Tie ir gadījumi, kad aparatūra datoram paziņo, ka ir noticis kaut kas tāds, kam vajag tūlītēju datora uzmanību. Tad dators pārtrauc pašreizējo darbību, saglabā tās stāvokli, apstrādā interuptu, tad atgriežas sākotnējā vietā.

Ir nepieciešama interuptu vekotoru tabula (vai kā arī to tulkotu…). Tā pasaka ko dators darīs, kad notiks kāds interupts. Citādi intrupta gadījumā dators sāks izpildīt kodu, kas nejauši patrāpīsies tajās atmiņas adresēs. Šī tabula nepeciešama 4000 prgrammas atmiņas adresē (oktālajā skaitīšanas sistēmā) un izskatās aptuveni tā:

Te ir tikai 5 interupti, bet pārējie izskatās tāpat. Es saīsināju.

  SETLOC    4000

  TCF       STARTUP
  NOOP
  NOOP
  NOOP

  RESUME    # T6RUPT
  NOOP
  NOOP
  NOOP

  RESUME    # T5RUPT
  NOOP
  NOOP
  NOOP

  RESUME    # T3RUPT
  NOOP
  NOOP
  NOOP

  RESUME    # T4RUPT
  NOOP
  NOOP
  NOOP

STARTUP     # Programmas kods

Pirmā instrukcija norāda asemblerim, ka turpmākais kods sākās adresē 4000 (oktālajā sistēmā).

Tālāk seko interuptu apstrādātāji. Katram ir atvēlēti 4 vārdi programmas atmiņā. STARTUP interupts notiek tad, kad dators ieslēdzās. Te var redzēt, ka šis kods izsauc STARTUP rutīnu (funkciju), bet pārējie 3 vārdi ir tukši ar NOOP instrukciju.

Visi pārēji interupti ar RESUME norāda, ka jāturpina izpildīt iepriekšējais kods tā, it kā nekas nebūtu noticis. Interupti tiek ignorēti. Un tad arī nākamie 3 vārdi ir tukši.

Bet tālāk seko vēl jautrība:

GOJAMs

Drošības nolūkos, AGC ir iebūvēts mehānisms, kas restartē datoru, ja gadās kāda šmuce ar programmatūru. Šo restartu sauc GOJAM. Piemēram:

Tādas tāpat ir iespējamas, bet ar speciāliem nosacījumiem.

Jebkurā brīdī ir iespējams pilnībā izslēgt interuptus, bet tas, protams, nav vēlams ilgtermiņā. Interupti izslēdzās paši tad, kad akumulatora reģistrs procesorā ir pārplūdis pāri 15 bitu maksimālajai vērībai aritmētisko darbību rezultātā.

AGC saturēja primitīvu multi-taskinga sistēmu. 67 (oktālā) atmiņas adrese satur datus jaunu uzdevumu ielādēšanai. Ja šī adrese netiek aiztikta ilgu laiku, tad dators padomā, ka šī sistēma nedarbojās un restartējās.

Ja netiek izmantota multi-taskinga sistēma, tad nepieciešams šo mehānismu apmānīt, lai dators regulāri nerestartētos. Redz kā to izdarīt:

Ir procesora reģistrs, kas tiek inkrementēts katras 10 milisekundes. Kad tas ir pārplūdis 15 bitu maksimālo vērtību, notiek interupts. Kad interupts notiek, varam pabakstīt šo adresi, lai novērstu restartu. Problēma, gan ka tas nenotiek pārāk bieži. Tāpēc šajā reģistrā ieliekam tādu vērtību, lai tas pārplūstu ātrāk. Tagad, katras 40 milisekundes notiks interupts, kas pabakstīs 67 adresi un novērsīs restartus.

Perifērijas ierīces

Datoriem tagad aktuālās ierīces būtu:

Lai lidotu uz mēnesi vairāk jāsatraucas par:

Pagaidām pieturēsimies tikai pie ekrāna un tastatūras, kas atradās Apollo kuģos. To sauc par DSKY - Display and Keyboard unit. (Izrunā “Diskij”)

Papildus galvenajai atmiņai, AGC bija 512 datu adreses - kanāli, kas paredzēti saziņai ar ārējām ierīcēm. No tiem var nolasīt datus, un tajos var ierakstīt datus. Tāpat kā galvenajā atmiņā, katrs ievades/izvades (IO) kanāls ir 15 bitus garš. Patiesībā ir 16 biti, bet viens no tiem ir paritātes bits, kas pārbauda vai dati nav aizgājuši neceļos, tāpēc reāli izmantojami ir 15 biti.

Skaitļu izvade uz DSKY

DSKY

Desmitais izvades kanāls atbild par 7 segmentu displejiem uz DSKY’a. Lai manipulētu tos, datoram ir šajā kanālā jāieraksta 15 biti. Vienlaicīgi var manipulēt divus ciparus.

Šie 15 biti izskatās šādi:

Desmitā kanāla vērtības uzbūve

Lai izveidotu šos 15 bitus priekš izvadīšanas uz DSKY’u vispirms vajag skaitli sadalīt ciparos. Te darbojās vecā metode - dalīšana ar 10 un atlikuma saglabāšana.

Tad ņemam pirmo skaitlisko vērtību (ciparu pāra norādi) un pārējos bitos ieliekam nulles.

101100000000000

Tālāk jāpieliek nākamais bits, kas norāda zīmi. Pieņemsim, ka gribam ielikt bināro vieninieku. Sākotnēji skaitlis 1 izskatās šādi.

000000000000001

Tāpēc tagad jāpabīda biti pa kreisi. Varētu padomāt, ka ir mašīnkoda instrukcija, lai to izdarītu, bet nē. Ir adrese operatīvajā atmiņā, kas pabīda bitus, tad, kad tā tiek rakstīta.

000010000000000

Un saskaitot šos skaitļus varam pievienot bitus kreisajā pusē.

101110000000000

Jāpievieno vēl divi skaitļi. Bitu pievienošana notiek tāpat, bet interesants ir veids kā no cipara tikt pie šiem maģiskajiem 5 bitiem, kas vajadzīgi priekš šī cipara parādīšanas uz DISY’a.

AGC mašīnkodā ir instrukcija, kas manipulē tai sekojošo instrukciju.

INDEX A
CA ADD1


ADD1 OCT 1
     OCT 2
     OCT 3
     OCT 4
     OCT 5
     OCT 6

Šis ir fragments no AGC mašīnkoda. Apakšā ir definētas 6 adreses atmiņā. OCT norāda, ka tas ir skaitlis oktālajā skaitīšanas sistēmā.

Otrā instrukcija nolasa vērtību no ADD1 adreses un ielādē to procesora A reģistrā.

Te jāpiebilst, ka tādu atsevišķu procesora reģistru īsti nav. Tie atrodas operatīvās atmiņas sākumā.

Bet interesanta ir pirmā instrukcija, jo tā maina otro instrukciju izpildlaikā. INDEX instrukcija nolasa A reģistru un tā vērtību pieskaita pie nākamās instrukcijas argumenta.

Ja A reģistrā būs skaitlis 2, tad otrā instrukcija nolasīs skaitli 3, jo tas atrodas divas adreses tālāk atmiņā.

Kompilēšanaaaaaaaaaa

Sākumā uzreiz būtu jāpasaka, ka turpmākais variants nav efektīvs vai ātrs. Tas ir skaidrs jau paskatoties uz ģenerēto mašīnkodu. Pagaidām man vēl ir pārliecība, ka to varēs optimizēt vēlāk.

Konstantes

Ar konstantēm būtu saprotami dati, kas ir ierakstīti kodā ar roku un ir zināmi kompilācijas laikā.

izvade(2 + 2) Te konstantes ir abi divnieki, bet gala rezultāts tiek aprēķināts izpildlaikā. (Ko, protams, arī varētu izdarīt kompilācijas laikā)

Iepriekšējās Priedes implementācijās konstantes atradās baitkodā pa taisno. AGC mašīnkodam nepieciešams visus datus definēt iepriekš. Te nekā pārāk interesanta nav. Kompilācijas laikā, sastopot konstanti, saglabājam to un beigās visas sadrukājam mašīnkodā.

HAHA Reģistru mašīna

Oriģinālā Priede izmanto steku, lai darbotos ar datiem. Mans Priedes kompilators priekš grandMA komandrindiņas izmanto virtuāla procesora “reģistrus”. Tas ir stipri vienkāršāk. Izpildlaikā jāstrādā tikai ar datu masīvu - čupu ar mainīgajiem.

Par reģistru baitkodu var palasīt citos rakstos tepat.

Šeit steku izmantot būtu neefektīvi. Reģistru dizains arī nav ideāls, jo Apollo navigācijas dators ir akumulatora mašīna. Lielākā daļa procesora instrukciju izmanto vienu procesora reģistru - akumulatoru, lai darbotos ar matemātiskām un citām darbībām. Protams, nekas neliedz šos “reģistrus” vienkārši glabāt atmiņā. Tad katra Priedes baitkoda instrukcija pārtaps par vairākām AGC instrukcijām. Šāds apgalvojums neizklausās ļoti pārsteidzošs, ņemot vērā, ka Priede ir virspusēja līmeņa valoda, kas darbojās uz virtuālās mašīnas.

Tātad kopumā Priede strādā ar “reģistriem” (Es neuzdrošinos to vārdu nelikt pēdiņās), bet katra baitkoda instrukcija taisa, reizēm neefektīvas, manipulācijas ar akumulatoru un atmiņu. Nekas no šī nav efektīvi.

Lūk piemērs:

program(9 + 10)

PC0 DEC 9
PC1 DEC 10

PR0 ERASE
PR1 ERASE

CA PC0
TS PR0

CA PC1
TS PR1

CA PR1
AD PR0
TS PR1

CA PR1
TC DSPPROG

Īsumā par AGC procesora instrukcijām:

Ir divas konstantes. Tās definējam augšā.

Vajadzēs divus reģistrus. Definējam tos - pagaidām tukšus. Vajadzīgo reģistru skaitu var zināt jau kompilācijas laikā.

Un tālāk seko neefektivitātes demonstrējums: Ielādējam akumulatorā 1. konstanti un ieliekam 1. reģistrā. Tāpat ar otro konstanti

Kā arī, te mēs ierakstam akumulatoru reģistrā, bet pēc tam atkal lasām reģistru, lai ielādētu akumulatorā.

Dubult-vārdu vērtības

AGC atmiņā katra atmiņas vienība - vārds ir 15 bitus garš. Tomēr, ja ir vajadzība pēc lielākiem skaitļiem vai precizitātes, tad var izmantot divus blakus esošus vārdus atmiņā. Reizināšanas instrukcija, piemēram, var saņemt divas vien-vārdīgas vērtības un izvadīt vienu div-vārdīgu vērtību. Ar dalīšanu ir otrādi.

Koda sazarojumi

ja 0 {
  program(1)
}
program(2)

Lai sazarotu kodu, ir jāpārlec pāri tam kodam, ko nevajadzētu izpildīt.

Īstajā Priedē baitkoda kompilators saskaita par cik baitkoda vienībām jāpārlec. Šeit arī ir procesora reģistrs, kas norāda uz pašreizējo izpildāmo procesora instrukciju, bet to nav vajadzības aiztikt un var izmantot rutīnas.

	CA PC0
	EXTEND
	BZF JUMT0

	CA PC1
	TC DSPPROG

JUMT0
	CA PC2
	TC DSPPROG

BZF instrukcija pārlec uz norādīto programmas lokāciju, ja akumulators ir 0. Pirms tam akumulatorā ieliekam reģistru, kas satur norādi jālec, vai nē.

Ar ‘if else’ sazarojumiem nav daudz savādāk, bet ja pirmais lēciens nenotiek un tie izpildīts ‘if’ bloks, tad tam beigās jāpievieno beznosacījumu lēciens, lai izlaistu ‘else’ bloku.

	CA PC0
	EXTEND
	BZF JUMT0

	CA PC1
	TC DSPPROG

	TC JUMT1

JUMT0
	CA PC2
	TC DSPPROG

JUMT1

Salīdzinājumi

Ir divas instrukcijas, kas dara to, ko vajag salīdzinājumiem. Ir BZF, kas var pārlēkt, ja akumulators ir 0. Un ir BZMF, kas pārlec ja akumulators ir 0 vai negatīvs.

Vienādība būs vienkāršākā. Ja vienu pusi atņem no otras, tad rezultāts ir 0. BZM instrukcija to pārbauda.

  # PR0 un PR1 ir salīdzināmie skaitļi

  CA PR1
  EXTEND
  SU PR0 # No akumulatora atņemam PR0
  TS L # Atņemšasnas rezultātu ieliekam L reģistrā
  CA ONE
  TS PR1 # Gala rezultātā ieliekam 1
  CA L
  EXTEND
  BZF COMPJ0 # Ja atņemšanas rezultāts ir 0, tad pārlecam uz beigām
  CS ZERO
  TS PR1 # Gala rezultātā ieliekam 0.
         # Ja Skaitļi ir vienādi, tad šis kods netiks palaists

COMPJ0

Salīdzinājumiem var izmantot BZMF instrukciju. Ja labā puse būs lielāka, tad atņemšanas rezultāts būs negatīvs un instrukcija pārlēks. Ar to sanāk >= un <= operatori. Lai tiktu pie vienkāršajiem > un < operatoriem, vajag atņemšanas rezultātam pieskaitīt 1. Ja abas puses bija vienādas, tad rezultāts no 0 pārtaps par 1 un BZMF instrukcija neiedarbosies.

  CA PR0
  EXTEND
  SU PR1
  TS L
  INCR L

  CA ONE
  TS PR1

  CA L
  EXTEND
  BZMF COMPJ0

  CS ZERO
  TS PR1

COMPJ0

Tā izskatās mašīnkods < operatoram.

Priedes mainīgie

Būtībā jau reģistri, ko pašlaik izmantojam, neatšķirās no mainīgajiem. Kompilators varētu saglabāt katram mainīgajam piesaistīto reģistru. Kad vajag piekļūt mainīgajam, tad atgriežam tā reģistru.

Tomēr, ir cerība vēlāk optimizēt reģistru sistēmu, tāpēc pagaidām izmantošu neefektīvo variantu. Kad vajag piekļūt mainīgajam, tad to ielādējam jaunā reģistrā. Tas nodrošina, ka mainīgo saturošais reģistrs netiek pārrakstīts.

Priedes mainīgie ir mašīnkodā atdalīti no reģistriem un visi iespējamie mainīgie sākumā tiek definēti kā tukši - AGC rezervē operatīvo atmiņu tiem.

Cikli

Cikli ir īstenoti ļoti līdzīgi sazarojumiem, bet katru reizi, kad sazarojums ir izpildīts, kods pārlec uz sākumu atkal, līdz brīdim, kad tas vairs neizpildās un kods aizlec uz pašām beigām.

Cikls izskatās aptuveni šādi:

Noslēgumā

Te vēl ir ko darīt (DSKY pogu ievade, interuptu apstrāde, funkcijas). Un, protams, vēl ir ko optimizēt mašīnkoda ģenerācijā.

Kaut kur ir jāliek punkts, lai gan varbūt nākotnē gribētos kaut ko uzlabot un attīstīt. Šis, protams, bija projekts jautrības pēc, tomēr ir cilvēki, kuri nopērk AGC un DSKY replikas un, varbūt, nevēlās iedziļināties AGC mašīnkoda programmēšanā. Te šis varētu noderēt.

Un noslēgumā neliels testiņš. Fibonači skaitļu izvade.

sk num1 : 0
sk num2 : 1
sk nakamais : num2

sk tmp : 0

sk i : 1
kamēr i < 20 {
    izvade(nakamais)
    num1 : num2
    num2 : nakamais
    nakamais : num1 + num2

    i +: 1
}

Šis ir Priedes kods, kas var palaisties gan Priedes virtuālajā mašīnā, gan uz Apollo navigācijas datora. Šis kompilators izpilda Tūringa pārbaudi, tātad tas ir nosacīti pilnīgs.

1
2
3
5
8
13
21
34
...

Atsauces un saites

Informācijas avoti:

Attēlu avoti: