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。
详细视频:
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。
@奶味的 首先工作是验证门电路
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.
@奶味的 设计了一个6位的移位寄存器:
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。
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。
@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。
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。
@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。
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!
随后,@奶味的 开启了上古编程模式——“扣”程序!
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。
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,@奶味的 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。
UP主@奶味的 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。
参考链接:
https://mp.weixin.qq.com/s/cUq8AXCkJ1EQTXSkBPYLmw
https://www.bilibili.com/video/BV1sy4y1j7Ue?from=search&seid=11054197044995782468
https://tieba.baidu.com/p/7432882849?see_lz=1
责编:Demi