查看原文
其他

太厉害了!纯手工拼晶体管自制CPU,耗时半年,可跑程序~

点击关注👉 Java面试那些事儿 2021-12-16

大家好,我是D哥

点击关注下方公众号,Java面试资料 都在这里

本文来源:公众号量子位( QbitAI)


一个人,到底能肝到什么程度?


最近B站上大火的一个视频,或许给了这个问题一个完美诠释:

纯!手!工!自制CPU!


这位叫做“奶味的”Up主,耗时整整半年,用他那双勤劳的双手,“逐点”焊接,最终打造出了一个完整CPU!


# 手工做一个CPU能用么?


当然可以,他还做了一个demo展示,来看一下效果吧。


纯手工“肝”出一个CPU,还成功运行了流水灯效果,直接引发了一大波网友们的惊呼:

肝帝!焊武帝!

人长在肝上了!

(感受下这满屏的Respect)


接下来,让我们一同看下“肝帝”自制CPU的完整过程。


# 纯手工自制CPU


其实在发布这个视频之前,Up主便在贴吧中“开玩笑”的说了句:


CPU太贵了,买了显卡就买不起CPU,手工捏个出来……

万万没想到,真的是说干就干。


据这位Up主介绍,他主要采用了3个原材料:

二极管、三极管和电阻。


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。


而他最先“下手”的,就是CPU的寄存器部分。


Up主设计了一个6位的移位寄存器:


它的作用不仅能是用来存储,还能在时钟信号的控制下,将数据进行进行逐次右移或左移。


简单来说就像是一个交警叔叔,当数据从一个方向进来的时候,这个移位寄存器可以指挥它什么时候该往哪里走。


Up主处理的第二个结构,是程序计数器 (PC)。


它作用简单来说,就是记录程序运行的位置。


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。


程序计数器涉及的功能那可就多了。


像最基本的就是挨个字节读完指令后,计数要自动+1;而CPU重启之后,计数便会清零。


而且在不同的条件之下,还要能实现直接跳转、调用函数、函数返回等功能。

听着就有够复杂的了。


奈何,除此之外,还时常伴随着各种各样的“玄学问题”。


Up主就举了个例子:

花了一个多星期才在最深处找到一只焊反的二极管……


但功夫不负有心人,在经历3个月令人头秃的时光之后,最复杂的模块还是被他搞定了。


上电测试也没有问题:



然后就是硬盘(ROM)和内存(RAM)。


这是CPU外的比较庞大两个部分要手搓一个不太现实。


因此,Up主用上了比较容易操作的hm628512来做ROM和RAM:


△左:RAM和指针 右:ROM


再将ROM和RAM组装上去,现在CPU的基础模块已经基本完成了。


接下来就是打造指令译码器。


它主要是用于把传到这里的CPU指令,进行解析运行:



再把做加减乘除的运算器(ALU)加上去:



最后还得再焊一个通用缓存上去:


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!


看到这密密麻麻的元件,工程量的浩大就不用多说。


也难怪能让一众网友直呼“肝帝”了。


# 还有纯手写最原始代码


以为纯手工焊接就完了?


不不不,还有更硬核的。


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。


那怎么能让它跑起来呢?


这位Up主的对策是:

纯手写最原始代码——二进制编程!


噫吁嚱!噫吁嚱!


这一手露的,直接引发了网友们的第二波高潮:

手写指令集,牛皮!这才是真·写代码!

直接上机械码,太狠了吧!

然后……然后……


Up主竟然就开启了上古编程模式——“扣”程序!


面对此情此景,怎么一句“绝绝子”了得。


……


一切准备工作就绪。


接下来,便是见证奇迹的时刻。


# 亮灯,跑起!


但最开始,程序的运行并不是一帆风顺。


即便大神重启了几次,跑马灯的效果偶尔还是出现问题。


但bug很快被找到了:

有个地方断开了。


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。


而且左移指令和跳转指令都使用了同一组灯。


因此,流水灯的效果就不是非常明显。


于是,大神重新编程,使CPU跳转到0X0F处运行。


如此一来,在跳转时灯就是灭的,给左移指令让出了一条路。



一切修改完毕,重新“扣”程序,启动!


这一次,就没有任何的异常了。



# 走进“肝帝”大神


在看完这波“神级”操作之后,想必大家都想了解这位大神。


量子位帮你实现这个梦想。


大神原名林乃卫,广西北海人。


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。


那时候大神便萌生出了一想法:

CPU是怎么执行这一串0101的?

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。


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。


于是,便决定从最基础的模拟电路开始。


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”:

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。


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。


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。


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。


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。


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。


目前的费用大概花了1000多元。


而网友在弹幕中调侃居多的,还有制程方面的问题。


据大神介绍:

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。


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。


对此,你期待了吗?

参考链接:

[1]https://www.bilibili.com/video/BV1sy4y1j7Ue
[2]https://tieba.baidu.com/p/7432882849



技术交流群

有不少同学问D哥,大厂面试官到底喜欢问什么?想进大厂镀金。因此,D哥特意邀请了华为、腾讯、阿里的朋友进群,与大家一起交流经验,增长技术。

有兴趣入群的同学,可长按扫描下方二维码,一定要备注:城市+昵称+技术方向,根据格式备注,可更快被通过且邀请进群。

▲长按扫描



热门推荐



: . Video Mini Program Like ,轻点两下取消赞 Wow ,轻点两下取消在看

您可能也对以下帖子感兴趣

文章有问题?点此查看未经处理的缓存