B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制 CPU,耗时半年,可跑程序

2021年7月26日16:17:00 发表评论

B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制 CPU,耗时半年,可跑程序

文 / 金磊 博雯

来源 / 量子位(ID: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!

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。

B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制 CPU,耗时半年,可跑程序

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**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)

B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制 CPU,耗时半年,可跑程序

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……

B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制 CPU,耗时半年,可跑程序

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:

B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制 CPU,耗时半年,可跑程序

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。

B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制 CPU,耗时半年,可跑程序

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:

B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制 CPU,耗时半年,可跑程序

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:

B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制 CPU,耗时半年,可跑程序△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:

B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制 CPU,耗时半年,可跑程序

再把做加减乘除的运算器(ALU)加上去:

B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制 CPU,耗时半年,可跑程序

最后还得再焊一个通用缓存上去:

B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制 CPU,耗时半年,可跑程序

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!

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噫吁嚱!噫吁嚱!

这一手露的,直接引发了网友们的第二波**:

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!

B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制 CPU,耗时半年,可跑程序

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。

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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。

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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。

B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制 CPU,耗时半年,可跑程序

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?

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