B站焊武帝爆火出圈!純手工拼晶體管自制CPU,耗時(shí)半年,可跑程序
金磊 博雯 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI
一個(gè)人,到底能肝到什么程度?
最近B站上 大火的一個(gè)視頻,或許給了這個(gè)問題一個(gè)完美詮釋:純!手!工!自制CPU!
這位叫做“奶味的”Up主,耗時(shí)整整半年,用他那雙勤勞的雙手,“逐點(diǎn)”焊接,最終打造出了一個(gè)完整CPU!
手工做一個(gè)CPU能用么?
當(dāng)然可以,他還做了一個(gè)demo展示,來看一下效果吧。
純手工“肝”出一個(gè)CPU,還成功運(yùn)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(shí)在發(fā)布這個(gè)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(gè)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(gè)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(yùn)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(jì)了一個(gè)6位的移位寄存器:
它的作用不僅能是用來存儲(chǔ),還能在時(shí)鐘信號(hào)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(gè)交警叔叔,當(dāng)數(shù)據(jù)從一個(gè)方向進(jìn)來的時(shí)候,這個(gè)移位寄存器可以指揮它什么時(shí)候該往哪里走。
Up主處理的第二個(gè)結(jié)構(gòu),是程序計(jì)數(shù)器 (PC)。
它作用簡單來說,就是記錄程序運(yùn)行的位置。
而這也是整個(gè)項(xiàng)目下來最耗時(shí)、最復(fù)雜的部分,花了整整3個(gè)月之久。
程序計(jì)數(shù)器涉及的功能那可就多了。
像最基本的就是挨個(gè)字節(jié)讀完指令后,計(jì)數(shù)要自動(dòng) 1;而CPU重啟之后,計(jì)數(shù)便會(huì)清零。
而且在不同的條件之下,還要能實(shí)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(shí)常伴隨著各種各樣的“玄學(xué)問題”。
Up主就舉了個(gè)例子:花了一個(gè)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(gè)月令人頭禿的時(shí)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(gè)部分要手搓一個(gè)不太現(xiàn)實(shí)。
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(yùn)行:
再把做加減乘除的運(yùn)算器(ALU)加上去:
最后還得再焊一個(gè)通用緩存上去:
現(xiàn)在,這個(gè)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?yàn)檫@個(gè)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(jī)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(shí)刻。
亮燈,跑起!
但最開始,程序的運(yùn)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(gè)地方斷開了。
與此同時(shí),因?yàn)檫€沒有I/O接口,所以測試使用的燈是臨時(shí)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(yùn)行。
如此一來,在跳轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)!
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(shí)現(xiàn)這個(gè)夢想。
大神原名林乃衛(wèi),廣西北海人。
做這個(gè)項(xiàng)目的靈感,來源于在他寫代碼時(shí)分析可執(zhí)行文件中的二進(jìn)制。
那時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)過程最難的部分,便是“器件每一級的連接”和“CPU的運(yùn)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(jì)的一套電路 ,想設(shè)計(jì)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(jì)。雖然設(shè)計(jì)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(gè) 組合起來成為功能模塊又會(huì)產(chǎn)生新的問題,模塊與模塊之間連接更會(huì)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(huì)從頭開始產(chǎn)生新的問題。
因?yàn)闆]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(diǎn)一點(diǎn)地焊接成為模塊。
這個(gè)CPU大致耗費(fèi)了1000多個(gè)三極管、2000多個(gè)二極管,電阻數(shù)量也達(dá)到了2000多,焊點(diǎn)近萬。
目前的費(fèi)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(gè)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(yùn)行更加復(fù)雜的程序。
對此,你期待了嗎?