Linux/4004: บูต Linux บน Intel 4004 เพื่อความสนุกและศิลปะ ไม่มีผลประโยชน์เชิงพาณิชย์

เริ่มต้น

• ในปี 2012 มีการรัน Linux บนไมโครคอนโทรลเลอร์ 8 บิต (AVR) และสร้างสถิติโลกในการรัน Linux บนเครื่องที่มีสเปกต่ำที่สุด
• ในปี 2023 มีโปรเจ็กต์ที่บูต Linux บน MOS 6510 ซึ่งมีสเปกต่ำกว่า AVR อีก
• Intel 4004 เป็นไมโครโปรเซสเซอร์เชิงพาณิชย์ตัวแรกของโลก เป็นชิป 4 บิต จึงเริ่มโปรเจ็กต์นี้เพื่อสร้างมาตรฐานใหม่ของสเปกต่ำที่สุด

4004

• 4004 ทำงานเป็นหน่วย 4 บิต และพัฒนามาเพื่อใช้กับเครื่องคิดเลขเป็นหลัก
• ไม่มีการดำเนินการเชิงตรรกะ และมีคำสั่งหลักเพียง ADD กับ SUB
• มีรูปแบบการคำนวณที่เป็นเอกลักษณ์โดยใช้ carry flag
• มีรีจิสเตอร์ 4 บิต 16 ตัว, program counter 12 บิต และฮาร์ดแวร์สแตก 4 ระดับ
• ต้องการความเร็วสัญญาณนาฬิกาขั้นต่ำ และไม่รองรับ interrupt
• มีคำสั่งบางอย่างที่สามารถดำเนินการกับหน่วยความจำได้โดยตรง

การควบคุมลำดับการทำงาน

• ใช้ฮาร์ดแวร์สแตกสำหรับการเรียกและคืนค่าซับรูทีน
• มีคำสั่งกระโดดแบบมีเงื่อนไข และสามารถตรวจจับเหตุการณ์ภายนอกผ่านขา TEST
• ใช้แนวคิด code page เพื่อจัดการพื้นที่โค้ดขนาด 4096 ไบต์

หน่วยความจำและ I/O

• 4004 ไม่ประมวลผลคำสั่งหน่วยความจำโดยตรง แต่ให้ชิปหน่วยความจำเป็นผู้จัดการ
• รองรับ RAM bank ได้สูงสุด 8 ชุด โดยแต่ละชุดประกอบด้วยชิป 4002 จำนวน 4 ตัว
• 4001 มี ROM ขนาด 256 ไบต์และพอร์ต I/O 4 บิต
• 4265 เป็นอุปกรณ์ I/O ทั่วไปที่มีพอร์ต I/O 4 บิต 4 พอร์ต

4008, 4009, 4289

• 4008 และ 4009 ถูกออกแบบมาเพื่อเชื่อมต่อกับชิปหน่วยความจำทั่วไป
• 4289 เป็นชิปที่รวม 4008 และ 4009 เข้าด้วยกัน และสื่อสารได้ที่ระดับสัญญาณ 5V

การใช้หน่วยความจำและ state nibble

• ใช้คำสั่ง DCL เพื่อเลือก memory bank
• RAM bank แต่ละชุดประกอบด้วยชิป 4002 จำนวน 4 ตัว โดยแต่ละชิปมี nibble ที่ระบุตำแหน่งได้ 16 ค่า และ state nibble 4 ค่า

สรุปโดย GN⁺

• โปรเจ็กต์นี้ช่วยให้เข้าใจวิธีการทำงานของไมโครโปรเซสเซอร์ยุคแรกอย่าง Intel 4004 ได้เป็นอย่างดี
• แสดงให้เห็นวิธีเอาชนะการออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์และข้อจำกัดของ 4004
• เปิดโอกาสให้ได้สัมผัสข้อจำกัดของไมโครโปรเซสเซอร์ยุคแรกเมื่อเทียบกับไมโครคอนโทรลเลอร์สมัยใหม่
• โปรเจ็กต์ที่มีลักษณะคล้ายกันคือโปรเจ็กต์บูต Linux บน MOS 6510

[y15un]

คนเขียนต้นฉบับคือคนนั้นเองที่เพิ่งถูกพาตัวลงจากเวทีในงาน DEF CON เพราะเรื่องแบดจ์ครั้งนี้ ผมจะไม่เข้าข้างฝ่ายไหน แต่ถึงอย่างนั้นฝีมือของเขาก็น่าทึ่งจริง ๆ

[GN⁺]

ความคิดเห็นจาก Hacker News

• เคยคิดว่า NetBSD บน m68030 15 MHz ก็ช้าแล้ว แต่โปรเจกต์นี้สุดยอดจริงๆ

  • ช่วงปลายยุค 80 ถึงต้นยุค 90 คอมพิวเตอร์เริ่มมีอุปกรณ์เก็บข้อมูลถาวร, พื้นที่แอดเดรสแบบเปิด, และ MMU จนไปถึงจุดที่เรียกว่าคอมพิวเตอร์สมัยใหม่
  • Amiga 3000 หรือคอมพิวเตอร์ i80486 ก็สามารถทำสิ่งเดียวกับคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ได้
  • Dmitry แสดงให้เห็นว่าเราจะนิยามคำว่า "ใช้งานได้จริง" ให้กว้างได้แค่ไหน

• อยากเพิ่มพูนความรู้จนสามารถเข้าใจโปรเจกต์นี้ได้

  • เข้าใจส่วน "Section 14.b & 14.c - Getting the data..." อย่างถ่องแท้เลย
  • ประมวลผลไฟล์ 400K files เป็นเวลา 4 ปี (ประมาณวันละ 275 รูป)
  • ทั้งที่มีพลังประมวลผล, พื้นที่เก็บข้อมูล, และเครือข่ายมากมาย แอปซิงก์สื่อก็ยังล่มหรือซิงก์ได้ช้า
  • AirDrop ล้มเหลว และ UI ก็ไม่มีฟังก์ชัน 'Select-All'

• ชอบตัวอย่าง AVR อยู่แล้ว และตอนนี้ก็มีตัวอย่างใหม่เพิ่มมาอีก

  • เมื่อดูจากความถี่และการใช้พลังงาน ก็สงสัยว่ามันปล่อย RF ออกมามากแค่ไหน
  • คำว่า "soubroutine" อาจเป็นการพิมพ์ผิด

• โปรเจกต์นี้ไม่ได้ถูกเลย ต้องขอบคุณนักสะสมบน Ebay

  • คงจะเลือก VFD แทน LCD แต่ VFD อาจเสียหายได้ถ้าคอมไพล์นานๆ

• เป็นโปรเจกต์ที่น่าทึ่งมาก

  • มองเห็นได้จากบิตสูงของ PC ว่าตอนนี้กำลังรันอะไรอยู่
  • P.S.: โหลดเคอร์เนลได้เร็วกกว่า IPMI ของเซิร์ฟเวอร์ผ่านอินเทอร์เน็ตเสียอีก

• ใช้เวลาถ่ายวิดีโอ 9 วัน, อีมูเลชันได้ 4 ชั่วโมงต่อ 1 วินาที

  • สงสัยว่าทำไมถึงใช้ Windows 95

• โปรเจกต์แบบนี้ควรมีรางวัลโนเบล

• เป็นบทความที่น่าสนใจมาก

  • รู้เรื่อง 4004 มาบ้างเล็กน้อย แต่ระดับความพิสดารนั้นน่าทึ่งมาก
  • ทำให้อยากรู้ว่าจะสร้าง CPU ด้วยจำนวนทรานซิสเตอร์เท่ากันได้ไหม
  • 8 บิตทำให้การเขียนโปรแกรมง่ายขึ้นมาก
  • ขอบคุณที่ทำเอกสารประกอบงานนี้ไว้ดีมาก

• บนไมโครคอมพิวเตอร์ยุคแรกๆ มี virtual machine (Z-machine หรือ JVM) ที่ทำงานได้

  • มีประโยชน์เมื่อใช้เป็นเป้าหมายของคอมไพเลอร์ไม่ได้
  • SWEET16
  • UCSD Pascal

• ในส่วน "Why MIPS?":

  • บางตัวมี addressing mode ที่ช้า (RISCV)
  • สงสัยว่ามีอะไรเป็นปัญหากับ addressing mode ของ RISC-V