Для запуска программ на реальной системе вначале была сформирована простейшая плата, состоящая из микропроцессора Intel 4004, тактового генератора Intel 4201, чипа оперативной памяти Intel 4002-1, размером 20 байтов, контроллера постоянной памяти Intel 4289 и микроконтроллера ATMEGA48, симулирующего постоянную память. В процессе развития проекта была подготовлена более сложная плата, поддерживающая чтение данных с SD-карты и дополнительно включающая память для размещения Linux-окружения, запускаемого в эмуляторе. Кроме того, для проведения экспериментов и упрощения разработки на современных системах был написан эмулятор чипа Intel 4004.
Так как архитектура Intel 4004 имеет серьёзные ограничения и может адресовать лишь 4 КБ постоянной памяти, вместо прямого запуска Linux была использована идея написания эмулятора процессора MIPS R3000, на котором может работать Linux. Работу усложняло то, что для Intel 4004 не существует и не может быть создано компиляторов для языка Си, поэтому эмулятор пришлось создавать на ассемблере. Таким образом, работа была организована так, что непосредственно на чипе Intel 4004 запускался эмулятор, который в свою очередь выполнял окружение на базе ядра Linux.
MIPS выбран как оптимальный вариант для эмуляции, укладывающийся в ограничения Intel 4004 и размер доступной памяти. Например, созданию эмулятора ARM мешал возникающий сдвиг операндов, RISCV — запутанные режимы адресации, x86 — большой расход памяти на декодирование инструкций, PPC — общая усложнённость эмуляции при небольшом размере памяти.
Из-за малой производительности Intel 4004 эмулятор получился очень медленным — обработка каждой виртуальной секунды в эмулируемом окружении требовало почти 4 часов вычислений на реальной системе с процессором Intel 4004. Например, выполнение тестового приложения для отрисовки множество Мандельброта с разрешением 13 x 40 при использовании вычислений с плавающей запятой заняло 30 дней, а при использованием целочисленной арифметики — 9 часов.
После внесения дополнительных оптимизаций загрузка Linux в подготовленной конфигурации заняла более 8 дней. При записи полного видео загрузки использовалось ускорение в 120 раз (одна секунда на видео соответствует 2 минутам работы эмулируемого процессора MIPS).
Для желающих повторить эксперимент опубликованы спецификация и схема платы, образ Linux-системы и
код сопутствующего инструментария, эмуляторов MIPS R3000 и Intel 4004, загрузчиков и анализатора шины MCS-04.
Источник: http://www.opennet.ru/opennews/art.shtml?num=61904