Процессор Sharp LR35902

Тема в разделе "WASM.ARTICLES", создана пользователем aa_dav, 9 ноя 2021.

  1. aa_dav

    aa_dav Active Member

    Публикаций:
    0
    Регистрация:
    24 дек 2008
    Сообщения:
    439
    [​IMG]
    Почитав поподробнее про первую популярную портативную консоль от Nintendo — Game Boy я с удивлением обнаружил, что процессором в нём служил не клон Zilog Z80 и даже не «совместимый с Z80» чип, как иногда можно прочитать в разных местах (и как я сам иногда писал), а довольно таки своеобразный зверёк — Sharp LR35902. В английской вики можно найти утверждения, что он является смесью Intel 8080 и Z80, но это тоже правда лишь отчасти. Судя по всему Sharp LR35902 был продуктом вдумчивой переработки микросхемы Z80 с участием инженеров как Nintendo так и Sharp, чтобы получить 8–битный процессор идеальный в их представлении для портативной консоли. Явно преследовались цели простоты и энергоэффективности — вещи критически важные для машины, работающей от батареек. Основная часть произведенных над Sharp LR35902 работ являлась отрезанием сложного и ненужного, но так же взамен были предложены некоторые простые, но эффективные вещи.

    Итак, по системе команд LR35902 старается как можно больше унаследовать от Intel 8080 и Z80, но в процессе упрощения были ликвидированы флаг P (parity/чётность или overflow/переполнение), флаг S (sign/знак) и, поэтому, половина команд условного выполнения (условия P, M, PO и PE). В результате в системе команд остались только условия Z, NZ, C, NC, то есть условные вещи (а в i8080 это JP, CALL и RET) стали возможны только по флагу нуля и переноса. Кроме того под нож из i8080 пошли порты ввода–вывода.
    В результате в LR35902 освободилось много кодов инструкций из которых следующие так и остались незанятыми (все мнемоники здесь и далее берутся как в Z80):
    Код (Text):
    1. D3  out (*), a
    2. DB  in a, (*)
    3. E3  ex (sp), hl
    4. EB  ex de, hl
    5. E4  call po, **
    6. EC  call pe, **
    7. F4  call p, **
    8. FC  call m, **
    То есть эти инструкции из i8080 в Sharp LR35902 отсутствуют.
    От Z80 осталось еще меньше — команды относительного перехода JR, да перфикс битовых операций CB (о нём ниже). Ни регистры IX, IY, ни дополнительные команды наподобие LDIR и расширенной 16-битной арифметики в LR35902 не попали.
    Так что по сравнению с Z80 и не используются еще коды DD, ED и FD.
    Более того, некоторые из команд Z80 введённых в нём по сравнению с i8080 некоторые поменяли своё назначение:
    Код (Text):
    1.  
    2. Код     Было            Стало
    3. ------------------------------------
    4. 08      ex af, af'      ld (a16), sp
    5. 10      djnz *          stop 0
    6. D9      exx             reti
    7.  
    RETI — это RET + EI, то есть возврат из процедуры с одновременным разрешением маскируемых прерываний.
    STOP вероятно стопорит как то иначе нежели HALT.
    Но кроме вышеперечисленных кодов осталось еще немало других с зарезанными флагами, их в результате начали использовать по другому (то есть это переиначенные коды команд еще из i8080):
    Код (Text):
    1.  
    2. Код     Было            Стало
    3. ------------------------------------
    4. E0      ret po          ldh (a8), a
    5. F0      ret p           ldh a, (a8)
    6. E2      jp po, **       ld (c), a
    7. F2      jp p, **        ld a, (c)
    8. E8      ret pe          add sp, r8
    9. F8      ret m           ld hl, sp+r8
    10. EA      jp pe, **       ld (a16), a
    11. FA      jp m, **        ld a, (a16)
    12.  
    И вот эти новые команды и интересны. Еще в Famicom/Денди (а скорее всего и ранее) Nintendo маппило порты ввода-вывода в память, поэтому и избавилось от специализированных команд ввода-вывода. Но вместо них были добавлены новые — работающие с основной памятью особым образом. Команды LDH можно еще записать иначе, чтобы понять лучше их сущность:
    Код (Text):
    1.  
    2. LDH (A8), A = LD ($FF00+A8), A
    3. LD  (C), A  = LD ($FF00+C), A
    4.  
    То есть эти команды записывают (или считывают) аккумулятор в верхние 256 байт памяти 64Кб-ого адресного пространства ЦП по непосредственному смещению или косвенно по регистру C. Забавно, но это очень похоже на zero-page из семейства процессоров MOS 6502, клоны которых и стояли в Famicom, но только со спецификой 8080 — теперь это можно назвать FF-page, так как в нулевая страница у 8080 занята под точки входа в прерывания.
    И действительно у Game Boy верхние 256 байт памяти поделены на две почти равных зоны по 128 байт между портами ввода-вывода и служебным ОЗУ, которое может быть использовано таким образом для хранения быстрых переменных.
    Следующие две инструкции — ADD SP, R8 и LD HL, SP+R8 позволяют прибавить к SP байт со знаком или загрузить в HL сумму SP с байтом со знаком — это явно инструкции для поддержки локальных переменных на стеке. Без индексных регистров IX и IY от Z80 адресовать стек в стиле ЯВУ стало трудно, но эти две команды помогают это сделать — выправлять кадр стека с помощью первой и помещать в HL адрес переменной рядом с вершиной стека, а косвенные загрузки по HL в 8080 уже есть.

    Любопытны так же две последние инструкции из таблицы выше — дело в том, что они уже были в i8080, но с другими кодами. Оказался переделан еще один кусок кодов i8080:
    Код (Text):
    1.  
    2. Код     Было            Стало
    3. ------------------------------------
    4. 22      ld (**), hl     ld (hl+), a
    5. 2A      ld hl, (**)     ld a, (hl+)
    6. 32      ld (**), a      ld (hl-), a
    7. 3A      ld a, (**)      ld a, (hl-)
    8.  
    То есть инструкции 32 и 3A переехали жить в EA и FA, а вместо них и загрузки HL из адреса стали жить загрузки/сохранения аккумулятора по адресу HL с постинкрементами и постдекрементами. Видимо это упрощало декодер.
    От Z80 выжил полностью доп-код CB — большое множество битовых операций над всеми 8-битными регистрами процессора.
    Однако он не только выжил, но и слегка обогатился — в оригинале коды в диапазоне CB30-CB37 были недокументированными, в Sharp LR35902 же в этих кодах разместили инструкцию SWAP r, которая обменивает у указанного 8-битного регистра верхнюю и нижнюю квадру бит.

    Вот такой мутантик получился из Z80 и i8080 в руках Nintendo.
    Полностью таблицу его оп-кодов любопытствующим можно посмотреть здесь: www.pastraiser.com/cpu/gameboy/gameboy_opcodes.html
    А чтобы было с чем сравнивать — вот таблицы оп-кодов Z80: clrhome.org/table/