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“爆肝”纯手工自制CPU:纯手写最原始代码,可运行程序

2021-07-28 综合报道 阅读:
随着挖矿的兴趣,显卡价格一路水涨船高,再加上CPU也价格不菲,因此很多爱好组装电脑的网友表示买了显卡就买不起CPU,那么能否用手工做一个能用的CPU呢?B站UP主@奶味的 说:可以!这位Up主,耗时整整半年,手工“逐点”焊接,最终打造出了一个完整CPU,并且纯手写最原始代码,成功让这块“自主研发”的CPU跑了起来……

随着挖矿的兴趣,显卡价格一路水涨船高,再加上CPU也价格不菲,因此很多爱好组装电脑的网友表示买了显卡就买不起CPU,那么能否用手工做一个能用的CPU呢?t0jednc

B站UP主@奶味的 说:可以!t0jednc

这位Up主,耗时整整半年,手工“逐点”焊接,最终打造出了一个完整CPU,并且纯手写最原始代码,成功让这块“自主研发”的CPU跑了起来。t0jednc

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详细视频:t0jednc

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据这位Up主介绍,他主要采用了3个原材料:t0jednc

二极管、三极管和电阻。t0jednc

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通常来讲,CPU的结构可以大致分为运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。t0jednc

@奶味的 首先工作是验证门电路t0jednc

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理论通过之后,先从最容易的做起,先造一个移位寄存器,数据从一个方向进,一个时钟周期移动一个位置,最后从另一个方向出。这个就像是现在马路中间的交警,指挥着数据什么时候该往哪里走.t0jednc

@奶味的 设计了一个6位的移位寄存器:t0jednc

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Up主处理的第二个结构,是程序计数器 (PC)。t0jednc

它作用简单来说,就是记录程序运行的位置。t0jednc

而这也是整个项目下来最耗时、最复杂的部分,花了整整3个月之久。t0jednc

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程序计数器涉及的功能那可就多了。t0jednc

CPU重启就是要将它的计数清零。用它来实现挨个字节读取指令和数据,每操作一次,计数自动加一,还可实现直接跳转、调用函数,函数返回的功能。t0jednc

@奶味的 表示:同时它也是最容易出问题的一个模块,造了一个月的时间,修了一个多月,虚焊特别多。焊反过一个二极管,结果看起来正常,用手机拍下来慢放之后发现执行速度忽快忽慢,找了一个星期才找到那倒过来的玩意,在最深处。还有各种玄学性的问题,造出这个,简直是用了半个脑袋的头发,不过当结果正常显示之后,特别开心,感觉一切都是值得的。t0jednc

上电测试也没有问题:t0jednc

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然后就是硬盘(ROM)和内存(RAM)。t0jednc

这是CPU外的比较庞大两个部分要手搓一个不太现实。t0jednc

因此,Up主用上了比较容易操作的hm628512来做ROM和RAM:t0jednc

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左:RAM和指针 右:ROMt0jednc

再将ROM和RAM组装上去,现在CPU的基础模块已经基本完成了。t0jednc

接下来就是打造指令译码器。t0jednc

它主要是用于把传到这里的CPU指令,进行解析运行:t0jednc

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再把做加减乘除的运算器(ALU)加上去:t0jednc

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最后还得再焊一个通用缓存上去:t0jednc

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现在,这个全部由三极管、二极管和电阻焊接而成的CPU就完成了!t0jednc

看到这密密麻麻的元件,工程量的浩大就不用多说。t0jednc

还有纯手写最原始代码

@奶味的 表示因为这个CPU的指令集和架构都是自主研发的,所以没有适配的编程语言。t0jednc

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那怎么能让它跑起来呢?@奶味的 选择纯手写最原始代码——二进制编程!t0jednc

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随后,@奶味的 开启了上古编程模式——“扣”程序!t0jednc

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一切准备工作就绪。t0jednc

接下来,便是见证奇迹的时刻。t0jednc

亮灯,跑起!t0jednc

但最开始,程序的运行并不是一帆风顺。t0jednc

重启了几次,跑马灯的效果偶尔还是出现问题。t0jednc

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但bug很快被找到了:t0jednc

有个地方断开了。t0jednc

与此同时,因为还没有I/O接口,所以测试使用的灯是临时寄存器的灯。t0jednc

而且左移指令和跳转指令都使用了同一组灯。t0jednc

因此,流水灯的效果就不是非常明显。t0jednc

于是,@奶味的 重新编程,使CPU跳转到0X0F处运行。t0jednc

如此一来,在跳转时灯就是灭的,给左移指令让出了一条路。t0jednc

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一切修改完毕,重新“扣”程序,启动!t0jednc

这一次,就没有任何的异常了。t0jednc

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走进“肝帝”大神

UP主@奶味的 原名林乃卫,广西北海人。t0jednc

做这个项目的灵感,来源于在他写代码时分析可执行文件中的二进制。t0jednc

那时候大神便萌生出了一想法:t0jednc

CPU是怎么执行这一串0101的?t0jednc

在结合数电课程的知识之后,大神猜测到了大致的原理,于是就想试一试。t0jednc

最初他想用门级电路来做的,但是感觉难度不是很高,又想把整个过程从零开始理解透。t0jednc

于是,便决定从最基础的模拟电路开始。t0jednc

而整个过程最难的部分,便是“器件每一级的连接”和“CPU的运行速度”:t0jednc

在此之前没有看过关于CPU原理方面的书籍,是靠自己对门电路的理解而设计的一套电路 ,想设计一套属于自己的架构。t0jednc

从最基础的三极管开关到门级电路,网上找的电路图根本没法用,需要自己设计。虽然设计好后理论通过了,但是门级之间组合成功能级器件就有新的问题,功能级的电路再多个 组合起来成为功能模块又会产生新的问题,模块与模块之间连接更会产生新的问题.t0jednc

这每一级的问题都很有可能要修改基础电路,然后又会从头开始产生新的问题。t0jednc

因为没有专业的设备去调试,我用的是一盏LED和蜂鸣器,想尽办法也将速度提高到100kHz左右 而已,这是十分慢的,过程也十分艰难。t0jednc

至于器件方面,大神均是从网上购得,然后再将它们一点一点地焊接成为模块。t0jednc

这个CPU大致耗费了1000多个三极管、2000多个二极管,电阻数量也达到了2000多,焊点近万。t0jednc

目前的费用大概花了1000多元。t0jednc

而网友在弹幕中调侃居多的,还有制程方面的问题。t0jednc

据大神介绍:t0jednc

要是非得给它定个工艺制程,那就是2.54mm,比先进的3纳米大了将近1百万倍。t0jednc

最后,Up主还表示,将在接下来的工作中,持续完善CPU的功能,让它能够运行更加复杂的程序。t0jednc

参考链接:t0jednc

https://mp.weixin.qq.com/s/cUq8AXCkJ1EQTXSkBPYLmwt0jednc

https://www.bilibili.com/video/BV1sy4y1j7Ue?from=search&seid=11054197044995782468t0jednc

https://tieba.baidu.com/p/7432882849?see_lz=1t0jednc

责编:Demit0jednc

  • 他是从0到1,你是1到2。如果你们PK,谁会赢?
  • 就是人家自己做着玩的,不要给予太多意义。
  • 所以说设计cpu不难,难的是怎么制造出来
  • 这个事价值不大,不如用这些时间去学习点更先进的技术,比如用FPGA等搭建CPU。
    只能说有时间,耐心,毅力,和动手能力
  • 我觉得制作费用比买CPU还高,有如此能力,完全可用淘汰下来的显卡,CPU做一个更好的!
  • 这篇文章几年前就在一本日本翻译的书上看到了,就像现在人不用现成的音响偏要自己通过三极管放大电路做一个一样的意思。
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