金磊 博雯 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
一個人，到底能肝到什么程度？
最近B站上 大火的一個視頻，或許給了這個問題一個完美詮釋：純！手！工！自制CPU！
這位叫做“奶味的”Up主，耗時整整半年，用他那雙勤勞的雙手，“逐點”焊接，最終打造出了一個完整CPU！
手工做一個CPU能用么？
當(dāng)然可以，他還做了一個demo展示，來看一下效果吧。
純手工“肝”出一個CPU，還成功運行了流水燈效果，直接引發(fā)了一大波網(wǎng)友們的驚呼：肝帝！焊武帝！人長在肝上了！
（感受下這滿屏的Respect）
接下來，讓我們一同看下“肝帝”自制CPU的完整過程。
純手工自制CPU
其實在發(fā)布這個視頻之前，Up主便在貼吧中“開玩笑”的說了句：CPU太貴了，買了顯卡就買不起CPU，手工捏個出來……
萬萬沒想到，真的是說干就干。
據(jù)這位Up主介紹，他主要采用了3個原材料：二極管、三極管和電阻。
通常來講，CPU的結(jié)構(gòu)可以大致分為運算邏輯部件、寄存器部件和控制部件等。
而他最先“下手”的，就是CPU的寄存器部分。
Up主設(shè)計了一個6位的移位寄存器：
它的作用不僅能是用來存儲，還能在時鐘信號的控制下，將數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行逐次右移或左移。
簡單來說就像是一個交警叔叔，當(dāng)數(shù)據(jù)從一個方向進(jìn)來的時候，這個移位寄存器可以指揮它什么時候該往哪里走。
Up主處理的第二個結(jié)構(gòu)，是程序計數(shù)器 （PC）。
它作用簡單來說，就是記錄程序運行的位置。
而這也是整個項目下來最耗時、最復(fù)雜的部分，花了整整3個月之久。
程序計數(shù)器涉及的功能那可就多了。
像最基本的就是挨個字節(jié)讀完指令后，計數(shù)要自動 1；而CPU重啟之后，計數(shù)便會清零。
而且在不同的條件之下，還要能實現(xiàn)直接跳轉(zhuǎn)、調(diào)用函數(shù)、函數(shù)返回等功能。
聽著就有夠復(fù)雜的了。
奈何，除此之外，還時常伴隨著各種各樣的“玄學(xué)問題”。
Up主就舉了個例子：花了一個多星期才在最深處找到一只焊反的二極管……
但功夫不負(fù)有心人，在經(jīng)歷3個月令人頭禿的時光之后，最復(fù)雜的模塊還是被他搞定了。
上電測試也沒有問題：
然后就是硬盤（ROM）和內(nèi)存（RAM）。
這是CPU外的比較龐大兩個部分要手搓一個不太現(xiàn)實。
因此，Up主用上了比較容易操作的hm628512來做ROM和RAM：
△左：RAM和指針 右：ROM
再將ROM和RAM組裝上去，現(xiàn)在CPU的基礎(chǔ)模塊已經(jīng)基本完成了。
接下來就是打造指令譯碼器。
它主要是用于把傳到這里的CPU指令，進(jìn)行解析運行：
再把做加減乘除的運算器（ALU）加上去：
最后還得再焊一個通用緩存上去：
現(xiàn)在，這個全部由三極管、二極管和電阻焊接而成的CPU就完成了！
看到這密密麻麻的元件，工程量的浩大就不用多說。
也難怪能讓一眾網(wǎng)友直呼“肝帝”了。
還有純手寫最原始代碼
以為純手工焊接就完了？
不不不，還有更硬核的。
因為這個CPU的指令集和架構(gòu)都是自主研發(fā)的，所以沒有適配的編程語言。
那怎么能讓它跑起來呢？
這位Up主的對策是：純手寫最原始代碼——二進(jìn)制編程！
噫吁嚱！噫吁嚱！
這一手露的，直接引發(fā)了網(wǎng)友們的第二波高潮：手寫指令集，牛皮！這才是真·寫代碼！
直接上機械碼，太狠了吧！
然后……然后……
Up主竟然就開啟了上古編程模式——“扣”程序！
面對此情此景，怎么一句“絕絕子”了得。
……
一切準(zhǔn)備工作就緒。
接下來，便是見證奇跡的時刻。
亮燈，跑起！
但最開始，程序的運行并不是一帆風(fēng)順。
即便大神重啟了幾次，跑馬燈的效果偶爾還是出現(xiàn)問題。
但bug很快被找到了：有個地方斷開了。
與此同時，因為還沒有I/O接口，所以測試使用的燈是臨時寄存器的燈。
而且左移指令和跳轉(zhuǎn)指令都使用了同一組燈。
因此，流水燈的效果就不是非常明顯。
于是，大神重新編程，使CPU跳轉(zhuǎn)到0X0F處運行。
如此一來，在跳轉(zhuǎn)時燈就是滅的，給左移指令讓出了一條路。
一切修改完畢，重新“扣”程序，啟動！
這一次，就沒有任何的異常了。
走進(jìn)“肝帝”大神
在看完這波“神級”操作之后，想必大家都想了解這位大神。
量子位幫你實現(xiàn)這個夢想。
大神原名林乃衛(wèi)，廣西北海人。
做這個項目的靈感，來源于在他寫代碼時分析可執(zhí)行文件中的二進(jìn)制。
那時候大神便萌生出了一想法：CPU是怎么執(zhí)行這一串0101的？
在結(jié)合數(shù)電課程的知識之后，大神猜測到了大致的原理，于是就想試一試。
最初他想用門級電路來做的，但是感覺難度不是很高，又想把整個過程從零開始理解透。
于是，便決定從最基礎(chǔ)的模擬電路開始。
而整個過程最難的部分，便是“器件每一級的連接”和“CPU的運行速度”：
在此之前沒有看過關(guān)于CPU原理方面的書籍，是靠自己對門電路的理解而設(shè)計的一套電路 ，想設(shè)計一套屬于自己的架構(gòu)。
從最基礎(chǔ)的三極管開關(guān)到門級電路，網(wǎng)上找的電路圖根本沒法用，需要自己設(shè)計。雖然設(shè)計好后理論通過了，但是門級之間組合成功能級器件就有新的問題，功能級的電路再多個 組合起來成為功能模塊又會產(chǎn)生新的問題，模塊與模塊之間連接更會產(chǎn)生新的問題。
這每一級的問題都很有可能要修改基礎(chǔ)電路，然后又會從頭開始產(chǎn)生新的問題。
因為沒有專業(yè)的設(shè)備去調(diào)試，我用的是一盞LED和蜂鳴器，想盡辦法也將速度提高到100kHz左右 而已,這是十分慢的，過程也十分艱難。
至于器件方面，大神均是從網(wǎng)上購得，然后再將它們一點一點地焊接成為模塊。
這個CPU大致耗費了1000多個三極管、2000多個二極管，電阻數(shù)量也達(dá)到了2000多，焊點近萬。
目前的費用大概花了1000多元。
而網(wǎng)友在彈幕中調(diào)侃居多的，還有制程方面的問題。
據(jù)大神介紹：要是非得給它定個工藝制程，那就是2.54mm，比先進(jìn)的3納米大了將近1百萬倍。
最后，Up主還表示，將在接下來的工作中，持續(xù)完善CPU的功能，讓它能夠運行更加復(fù)雜的程序。
對此，你期待了嗎？
下載文檔
