PDP-8

3. 아키텍처

PDP-8은 W.A. 클라크(Wesley A. Clark)와 찰스 몰나르(Charles Molnar)가 설계한 LINC와 CDC 160 미니컴퓨터에서 영감을 얻은 세이무어 크레이의 아이디어를 차용했다.^[2][13]

PDP-8은 설계의 단순성을 위해 최적화되었다. 더 복잡한 기계에 비해 불필요한 기능은 제거되었고, 가능한 경우 논리가 공유되었다. 명령어는 자동 증가, 자동 지우기 및 간접 액세스를 사용하여 소프트웨어의 속도를 높이고, 메모리 사용량을 줄이며, 값비싼 레지스터 대신 저렴한 메모리를 대체하는 방식을 사용했다.

초기 PDP-8 모델은 단순성 때문에 다른 대부분의 상업용 컴퓨터보다 저렴했지만, 프로토타입에 자주 사용되는 값비싼 생산 방식을 사용했다. 수천 개의 매우 작고 표준화된 논리 모듈을 사용했으며, 금 커넥터가 있었고, 대형 캐비닛의 비용이 많이 드는 복잡한 와이어 랩 백플레인으로 통합되었다.

1966년 8월에 도입된 후기 PDP-8/S 모델은^[7] 저렴한 다이오드-트랜지스터 로직의 팬아웃을 증가시키기 위해 두 가지 다른 논리 전압을 사용했다.^[19] 또한, 8/S는 산술 연산을 수행하기 위해 직렬, 단일 비트 너비 데이터 경로를 사용하여 논리 게이트 수를 줄였다. PDP-8/S의 CPU는 약 519개의 논리 게이트만 가지고 있는 반면, 소형 마이크로컨트롤러(2008년 기준)는 일반적으로 15,000개 이상을 가지고 있다. 전자 장치의 감소로 빵 상자 크기의 훨씬 작은 케이스가 가능했다. PDP-8/S는 사울 딘만(Saul Dinman)이 설계했다.^[20]

훨씬 후기의 PDP-8/E는 더 크고 더 강력한 컴퓨터이지만, 더 나은 가치를 위해 재설계되었다. 집적 회로에서 더 빠른 트랜지스터-트랜지스터 로직을 사용하며, 코어 메모리가 재설계되었다. 이전 모델의 와이어 랩 백플레인 대신 OMNIBUS를 사용하기 때문에 비용을 덜 들여 확장할 수 있었다.

3. 1. 주요 특징

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3. 2. 메모리 구조

3. 3. 입출력(I/O)

• 입출력 컨트롤러를 위한 백플레인 전용 슬롯
• "음수" 입출력 버스 (음전압 신호 사용)
• "양수" 입출력 버스 (TTL 신호를 사용하는 동일한 아키텍처)
• PDP-8/E에 도입된 옴니버스 (전용이 아닌 시스템 버스 슬롯의 백플레인)

PDP-8은 IOT 명령을 거의 정의하지 않고 단순히 틀을 제공한다. 많은 IOT 명령이 어떻게 작동하는지는 개별 주변 장치에 따라 다르다.

; 장치 (Device)

: IOT 명령의 비트 3에서 비트 8로 I/O 장치를 지정한다. 일부는 편의상 표준화되었다.

:* 00 - 프로세서가 처리하며, I/O 장치로 전송되지 않는다. 예를 들어 ION (6001)은 인터럽트 처리 인에이블, IOFF (6002)는 해당 처리 디세이블이다.

:* 01 - 일반적으로 고속 종이 테이프 리더

:* 02 - 고속 종이 테이프 펀치

:* 03 - 콘솔 키보드 (및 부속 저속 종이 테이프 리더)

:* 04 - 콘솔 프린터 (및 부속 저속 종이 테이프 펀치)

; 기능 (Function)

: IOT 명령의 비트 9에서 비트 11까지로, 해당 장치에서 실행해야 할 기능을 지정한다. 종이 테이프 리더/펀치나 콘솔 등 단순한 기기에서는 다음과 같이 해석한다.

:* 비트 11 - 지정된 주변 장치가 준비 상태이면 다음 명령을 건너뛴다.

:* 비트 10 - AC (누산기)를 클리어

:* 비트 9 - 해당 주변 장치와 AC 간에 1 워드를 전송하고, 다음 I/O 전송을 시작하며, 장치의 준비 플래그를 0으로 만든다.

: 여러 비트를 설정하면 적절한 순서로 실행된다.

: 디스크 드라이브 등 보다 복잡한 주변 장치에서는 각각 고유한 기능을 이 3 비트로 나타낸다. 일반적으로 8 종류의 기능 코드를 설정할 수 있다.

PDP-8/E 및 이후 기종에서는 메모리 확장 컨트롤러가 가상화도 가능하도록 확장되었다. PDP-8의 모든 리소스를 사용하는 프로그램이 1대의 PDP-8 위에 여러 개 공존할 수 있었고, 가상 머신 매니저의 제어 하에 동작 가능했다. 이 매니저는 (메모리 확장 컨트롤러 조작을 포함하여) 모든 IO 명령에 대해 트랩이 가능했다(인터럽트를 발생시켜 매니저가 그것을 처리할 수 있다). 그렇게 하여 매니저가 데이터와 명령 필드 매핑을 제어할 수 있었고, 입출력을 다른 장치로 리다이렉트할 수 있었다. 각 게스트 프로그램은 매니저가 제공하는 "가상 머신"에 대한 완전한 접근 권한을 가졌다.

3. 4. 명령어 집합

; 메모리 페이지

이러한 명령어 워드의 사용은 4,096단어 메모리를 128단어 메모리 페이지로 나눈다. 명령어의 비트 4는 현재 페이지 또는 페이지 0 (8진수 주소 0000–0177)을 선택한다. 변수가 여기에 배치될 수 있어 모든 페이지에서 직접 주소를 지정할 수 있으므로 페이지 0의 메모리는 중요하다. 또한 주소 0000은 모든 인터럽트 서비스 루틴이 시작해야 하는 위치이며, 주소 0010–0017은 해당 주소를 통한 모든 간접 참조 전에 자동 증가하는 특별한 속성을 갖는다.

표준 어셈블러는 현재 페이지에 산술에 대한 상수 값을 배치한다. 마찬가지로, 페이지 간 점프 및 서브루틴 호출은 현재 페이지의 간접 주소를 사용한다.

루틴이 128단어 페이지 내에 맞도록 작성하거나 페이지 전환을 최소화하도록 루틴을 배열하는 것이 중요했다. 현재 페이지 외부의 참조 및 점프에는 추가 단어가 필요하기 때문이다. 결과적으로 한두 단어를 절약하는 데 많은 시간을 소비했다. 프로그래머는 PC가 증가함에 따라 다음 페이지로 자유롭게 전환하기 위해 의도적으로 페이지 끝에 코드를 배치했다.

PDP-8 프로세서는 IOT(Input-Output Transfer, 입출력 전송) 명령어의 일부를 정의했지만, 단순한 프레임워크를 제공했다. 대부분의 IOT 명령어는 개별 I/O 장치에 의해 정의되었다.

; 장치

IOT 명령어의 비트 3부터 8까지는 I/O 장치를 선택한다. 이러한 장치 주소 중 일부는 관례적으로 표준화되어 있다.

장치 0에 대한 명령어는 프로세서 전체에 영향을 미친다. 예를 들어, ION(6001)은 인터럽트 처리를 활성화하고, IOFF(6002)는 비활성화한다.

; 기능

IOT 명령어의 비트 9부터 11까지는 장치가 수행하는 기능을 선택한다. 종이 테이프 리더 및 펀치, 콘솔 키보드 및 프린터와 같은 단순한 장치는 표준 방식으로 비트를 사용한다.

• 비트 11은 I/O 장치가 준비되면 프로세서가 다음 명령어를 건너뛰도록 한다.
• 비트 10은 AC를 지운다.
• 비트 9는 AC와 장치 간에 워드를 이동하고, 다른 I/O 전송을 시작하며, 장치의 "준비" 플래그를 지운다.

대부분의 경우 연산은 가장 유용한 방식으로 결합될 수 있도록 순차적으로 수행된다. 예를 들어, CLA(누산기 초기화), CLL(링크 초기화), IAC(누산기 증가)를 결합하면 먼저 AC와 링크를 초기화한 다음 누산기를 증가시켜 1로 설정한다. 여기에 RAL을 추가하면 (CLA CLL IAC RAL) 누산기가 초기화되고 증가된 다음 왼쪽으로 회전하여 2로 설정된다. 이러한 방식으로 작은 정수 상수를 단일 명령어로 누산기에 넣을 수 있었다.

어셈블러에서 CIA로 줄여 쓸 수 있는 조합 CMA IAC는 AC의 산술 역수를 생성한다. 즉, 2의 보수 부정을 수행한다. 뺄셈 명령어가 없고 2의 보수 덧셈(TAD)만 있기 때문에 두 피연산자의 차이를 계산하려면 먼저 감수를 부정해야 한다.

마이크로 프로그램 비트가 설정되지 않은 그룹 1 OPR 명령은 아무런 동작도 수행하지 않는다. 프로그래머는 이러한 명령을 어셈블하기 위해 NOP (No Operation, 무연산)을 작성할 수 있다.
그룹 2

설정된 경우 세 개의 비트(CLA, OSR, HLT)가 작업을 수행한다. 다른 세 개의 비트(SMA, SZA, SNL)는 건너뛰기 조건을 인코딩하며, 지정된 조건 중 하나라도 참이면 건너뛰기가 수행된다. 예를 들어, "SMA SZA", opcode 7540은 AC ≤ 0인 경우 건너뛰기를 수행한다.

마이크로 프로그래밍된 비트가 설정되지 않은 그룹 2 OPR 명령어는 또 다른 무연산(No-Op) 명령어이다.

8번째 비트가 설정되면, 그룹 2 건너뛰기 조건이 반전된다. or 그룹 조건 중 하나라도 참이면 건너뛰기를 ''수행하지 않는다''. 드 모르간의 법칙에 따르면, 이는 지정된 반전된 조건이 모두 참일 경우 건너뛰기를 ''수행한다''는 의미이다. 예를 들어, "SPA SNA", 연산 코드 7550은 AC > 0이면 건너뜁니다. 비트 5–7 중 어느 것도 설정되지 않으면 무조건 건너뛰기가 수행된다.

(CLA, OSR, HLT) 동작은 8번째 비트의 영향을 받지 않는다.
그룹 3OPR의 사용되지 않은 비트 조합은 주로 MQ(곱셈기/몫) 레지스터에 영향을 미치는 마이크로 프로그램된 작업의 세 번째 그룹으로 정의된다. MQ 레지스터와 확장 산술 요소(EAE) 명령어는 선택 사항이며 EAE 옵션이 구매된 경우에만 존재한다.^[35]

일반적으로 CLA와 MQA는 MQ를 AC로 전송하기 위해 결합되었다. 또 다른 유용한 조합은 두 레지스터를 교환하기 위한 MQA와 MQL이다.

세 개의 비트는 수행할 곱셈/나눗셈 명령어를 지정했다.

다음 코드는 두 숫자를 비교하는 데 필요한 내용을 보여준다.

```assembly

/ OPD1과 OPD2에 있는 메모리의 숫자 비교

CLA CLL / AC와 링크를 0으로 시작해야 함

TAD OPD1 / 첫 번째 피연산자를 AC에 로드 (0에 더하여); 링크는 여전히 클리어

CIA / AC를 보수하고 증가시켜 부호 반전

TAD OPD2 / AC는 이제 OPD2-OPD1을 가짐; 만약 OPD2≥OPD1이면, 합이 오버플로우되어 링크가 설정됨

SZL / 링크가 클리어되면 건너뜀

JMP OP2GT / OPD2≥OPD1의 경우 어딘가로 점프;

/ 그렇지 않으면 아래 코드로 이동합니다.

```

일반적인 PDP-8 프로그램의 텍스트는 작성자의 의도된 알고리즘이 아니라 하위 레벨의 기계적 작동에 초점을 맞춘다. 가독성 문제점은 위에서 보여진 조건부 점프에서 조건부 명령(JMP를 건너뜀)이 관심 조건의 반대를 강조한다는 것이다.

4. 프로그래밍 환경

PDP-8의 프로그래밍은 다소 번거로웠다. 코드의 상당 부분은 알고리즘 설정보다는 필요한 메커니즘을 수행하는 데 할애되었다. 예를 들어, 숫자를 빼려면 2의 보수를 계산한 다음 더해야 했고, 조건부 점프를 작성하려면 원하는 조건과 반대되는 조건을 코딩하여 점프 주변에 조건부 건너뛰기를 작성해야 했다.^[10] 이러한 복잡성으로 인해, 일부 프로그래밍 프로젝트는 메모리에 맞지 않거나 해결할 수 없는 설계 결함을 발생시키기도 했다. 특히, 서브루틴의 의도하지 않은 재귀는 추적하기 어려운 결함을 생성했다.

설계가 발전하면서 논리 및 메모리 비용이 감소함에 따라 프로그래머의 시간이 상대적으로 더 중요해졌다.^[10] 이후의 컴퓨터 설계는 더 크고 직관적인 명령어 집합을 사용하여 프로그래밍의 용이성을 강조했다.^[11]

초기 PDP-8 시스템은 사전 설치된 소프트웨어 없이 출하되었으며, 사용자는 전면 패널의 12개 토글 스위치를 사용하여 명령어를 수동으로 입력해야 했다. 일반적으로 이러한 명령어는 종이 테이프 판독기에서 프로그램을 읽어오는 부트스트랩 로더였다. 이후 프로그램 개발은 종이 테이프 입출력을 통해 이루어졌다.

DEC의 FOCAL 인터프리터^[34]와 4K FORTRAN 컴파일러 및 런타임을 포함하여 여러 프로그래밍 언어의 종이 테이프 버전이 제공되었다.

PDP-8 시대 말기에는 OS/8 및 COS-310과 같은 운영 체제를 통해 PAL-III 어셈블리 언어, FORTRAN, BASIC, DIBOL과 같은 언어를 사용하여 기존의 라인 모드 편집기 및 명령줄 컴파일러 개발 시스템을 사용할 수 있었다.

실시간 운영 체제 (RTOS) 및 선점형 멀티태스킹 다중 사용자 시스템도 사용 가능했는데, 실시간 시스템 (RTS-8), 다중 사용자 상용 시스템 (COS-300 및 COS-310), 전용 단일 사용자 워드 프로세싱 시스템 (WPS-8) 등이 있었다.

시분할 시스템인 TSS-8도 사용 가능했다. TSS-8을 사용하면 여러 사용자가 110보드 터미널을 통해 시스템에 로그인하여 프로그램을 편집, 컴파일 및 디버깅할 수 있었다. 언어에는 BASIC의 특수 버전, FORTRAN-1과 유사한 FORTRAN 서브셋 (사용자 작성 서브루틴 또는 함수 없음), ALGOL 서브셋, FOCAL 및 PAL-D라는 어셈블러가 포함되었다.

DECUS는 PDP-8용으로 상당량의 사용자 기증 소프트웨어를 제공했으며, 종종 전체 소스 목록과 문서를 함께 제공했다.

다음은 PAL-III 어셈블러용으로 작성된 PDP-8 어셈블리 언어 코드 예시이다.
두 숫자 비교 코드:```

/ OPD1과 OPD2에 있는 메모리의 숫자 비교

CLA CLL / AC와 링크를 0으로 시작해야 함

TAD OPD1 / 첫 번째 피연산자를 AC에 로드 (0에 더하여); 링크는 여전히 클리어

CIA / AC를 보수하고 증가시켜 부호 반전

TAD OPD2 / AC는 이제 OPD2-OPD1을 가짐; 만약 OPD2≥OPD1이면, 합이 오버플로우되어 링크가 설정됨

SZL / 링크가 클리어되면 건너뜀

JMP OP2GT / OPD2≥OPD1의 경우 어딘가로 점프;

/ 그렇지 않으면 아래 코드로 이동합니다.

```

위 코드에서 볼 수 있듯이, 일반적인 PDP-8 프로그램은 작성자가 의도한 알고리즘보다는 하위 레벨의 기계적 작동에 초점을 맞추고 있다. 가독성 문제점은 조건부 명령(JMP를 건너뜀)이 관심 조건의 반대를 강조한다는 것이다.
Hello, world!를 텔레프린터로 출력하는 프로그램:```

• 10 / 어셈블리의 현재 시작 주소를 10으로 설정

• 200 / 어셈블리의 현재 시작 주소를 프로그램 텍스트 영역으로 설정

• 10 / 현재 어셈블리 원점을 주소 10으로 설정,

• 200 / 어셈블리 원점 설정 (로드 주소)

• 실행 전에 읽기/쓰기 메모리에 복사.
• 특수 ROM 카드에 배치하여 간접적으로 액세스되는 몇 단어의 읽기/쓰기 메모리를 제공.
• 서브루틴 사용을 피하거나 JMS 명령 대신 반환 주소를 읽기/쓰기 메모리에 넣는 코드를 사용.

• 100 / 다음 예제에서 루틴에 접근 가능하도록 만듦

• 200

5. 영향 및 평가

PDP-8은 저렴한 비용,<sup>[3]</sup> 단순성, 확장성, 그리고 가치를 위한 신중한 설계를 결합했다. 가장 큰 역사적 의의는 PDP-8의 저렴한 가격과 높은 생산량으로 인해 많은 새로운 고객이 다양한 용도로 컴퓨터를 사용할 수 있게 되었다는 점이다. 지속적인 의의는 가치 공학적<sup>[9]</sup> 컴퓨터 설계의 역사적 사례로서 남아있다.

낮은 복잡성은 다른 비용을 초래했다. 프로그래밍이 번거로워졌으며, 코드의 상당 부분이 필요한 메커니즘을 수행했다. 예를 들어, 숫자를 빼려면 2의 보수를 계산한 다음 더해야 했다. 조건부 점프를 작성하려면 점프 주변에 조건부 건너뛰기를 작성해야 했으며, 건너뛰기는 원하는 조건과 반대되는 조건을 코딩했다. 일부 야심찬 프로그래밍 프로젝트는 메모리에 맞지 않거나 해결할 수 없는 설계 결함을 개발했다. 예를 들어, 서브루틴의 의도하지 않은 재귀는 해당 서브루틴으로 추적하기 어려운 결함을 생성한다.

설계가 발전하면서 논리 및 메모리 비용이 감소함에 따라 프로그래머의 시간이 상대적으로 더 중요해졌다.<sup>[10]</sup> 이후의 컴퓨터 설계는 프로그래밍의 용이성을 강조했으며, 일반적으로 더 크고 직관적인 명령어 집합을 사용했다.<sup>[11]</sup>

결국 대부분의 기계어는 컴파일러와 보고서 생성기에 의해 생성되었다.<sup>[12]</sup> RISC는 실행 속도를 극대화하기 위해 단일 명령어 사이클에서 여러 작업을 수행하고 간단한 명령어 집합을 강조하는 PDP-8의 방식을 되돌아갔지만, 새로운 컴퓨터는 훨씬 더 긴 명령어 단어를 가지고 있다.

PDP-8은 기술사적 관점에서도 중요한 위치를 차지하고 있다. 입출력 기구, 소프트웨어 개발, 운영 체제 설계 등에 영향을 미쳤다. 애플 II와 같은 마이크로컴퓨터가 일반화되기 전까지 PDP-8은 세계에서 가장 많이 판매된 컴퓨터였다.

PDP-8은 몇몇 12비트 기기의 선례를 참고했으며, 특히 W.A. 클라크와 C.E. 몰나르가 설계한 LINC에 영향을 받았다. LINC 자체는 시모어 크레이가 설계한 미니컴퓨터 CDC 160에 영향을 받았다<sup>[40]</sup>。

참조

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