耗時(shí)兩年，19歲小伙采用230片純74邏輯芯片搭建出32位Risc-V處理器！可玩貪吃蛇
[導(dǎo)讀]來(lái)源：機(jī)器之心編譯??編輯：杜偉昨天發(fā)了一篇關(guān)于純手工制作CPU的文章，看來(lái)大家都十分感興趣：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！如果你想自己DIYCPU，第一個(gè)想到的一定是采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于一個(gè)電子行業(yè)的朋友來(lái)說(shuō)做一個(gè)簡(jiǎn)單的CPU應(yīng)該不算太難...
來(lái)源：機(jī)器之心編譯? ?編輯：杜偉昨天發(fā)了一篇關(guān)于純手工制作CPU的文章，看來(lái)大家都十分感興趣：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！如果你想自己DIY CPU，第一個(gè)想到的一定是采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于一個(gè)電子行業(yè)的朋友來(lái)說(shuō)做一個(gè)簡(jiǎn)單的CPU應(yīng)該不算太難。現(xiàn)在，一個(gè)國(guó)外小伙則采用了更加原始的方式來(lái)設(shè)計(jì)制造出自己的CPU，而且還是一個(gè)32位的RISC-V CPU！接下來(lái)請(qǐng)看來(lái)自機(jī)器之心編譯報(bào)道：
從設(shè)計(jì) CPU、制作原型機(jī)、最終成品到軟件編程，19 歲極客小伙用了整整兩年的時(shí)間。RISC-V 是一個(gè)基于精簡(jiǎn)指令集（RISC）原則的開(kāi)源指令集架構(gòu)（ISA），它是對(duì)應(yīng)開(kāi)源軟件運(yùn)動(dòng)的一種「開(kāi)源硬件」。該項(xiàng)目于 2010 年始于加州大學(xué)伯克利分校，項(xiàng)目貢獻(xiàn)者是該大學(xué)以外的志愿者和行業(yè)工作者。
RISC-V 指令集的設(shè)計(jì)考慮了小型、快速、低功耗的現(xiàn)實(shí)情況來(lái)實(shí)做，但并沒(méi)有對(duì)特定的微架構(gòu)做過(guò)度的設(shè)計(jì)。與大多數(shù)指令集相比，RISC-V 指令集可以自由地用于任何目的，允許任何人設(shè)計(jì)、制造和銷(xiāo)售 RISC-V 芯片和軟件。
2021 年 4 月初，一位熱衷于自制 CPU 的 19 歲極客小伙 Filip Szkandera自己設(shè)計(jì)和制造出了 32 位功能性 RISC-V CPU，并構(gòu)建了與其他自制計(jì)算機(jī)不同的個(gè)人計(jì)算機(jī)「菠蘿一號(hào)（Pineapple ONE）」。
從設(shè)計(jì)、調(diào)試和安裝 CPU 和所有硬件，F(xiàn)ilip 整整花了兩年時(shí)間。Filip 還受邀在東京舉辦的 RISC-V Days Tokyo 2021 Spring 上做了演示，他也成為了該會(huì)議自 2017 年舉辦以來(lái)最年輕的演示者。
創(chuàng)建者 Filip Szkandera。
整體來(lái)看，「菠蘿一號(hào)」是由 8 塊正方形打印電路板垂直堆疊組成，每塊邊側(cè)高度約為 10 厘米，外加一個(gè) VGA 顯示接口卡。一共使用了 230 多個(gè)集成電路，大多數(shù)是 74HCT 系列邏輯芯片。示意圖如下：
32 位 RISC-V CPU 的規(guī)格如下：
- 最大時(shí)鐘速度：500kHz
- 程序內(nèi)存：512kB
- 內(nèi)存 512kB
- 閃存 512kB
- VGA 輸出：200×150px（黑白）
- 2 個(gè) 8 位輸入端口
- 2 個(gè) 8 位輸出端口
目前，「菠蘿一號(hào)」計(jì)算機(jī)支持的命令包括：HELLO、HI、PEEK 、POKE 、SYSTEM INFORMATION、CLEAR 等。
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此外雖然 CPU 的運(yùn)行速度僅有 500kHz，但玩?zhèn)€貪吃蛇游戲還是綽綽有余的：
Filip 在一篇博客中介紹了他從設(shè)計(jì) CPU、制作原型機(jī)、輸入 / 輸出端口、最終成品到軟件編程的技術(shù)細(xì)節(jié)（下文以第一人稱(chēng)敘述）。
設(shè)計(jì)自己的 RISC-V CPU
此前，我在 Youtube 上發(fā)現(xiàn)了電子愛(ài)好者 Ben Eater 自制 CPU（構(gòu)建著名的 8 位計(jì)算機(jī)和經(jīng)典的 6502 微處理器）的相關(guān)教程，所以非常著迷，也就有了自制 CPU 的想法。然而，我覺(jué)得對(duì)于 CPU 基礎(chǔ)知識(shí)了解的還不夠，因此又觀(guān)看了 Google Robotics 軟件工程師 Robert Baruch 的教程視頻，他只使用了基本邏輯元件構(gòu)建了 32 位 RISC-V CPU。
之后，我便開(kāi)始在一個(gè)名為「Logisim-Evolution」的項(xiàng)目中制造自己的 RISC-V CPU。我給自己設(shè)定的目標(biāo)是不使用任何微控制器或 FPGA，只使用基本的分立邏輯元件。編譯器支持的最基礎(chǔ) RISC-V CPU 必須包含擴(kuò)展「整數(shù)（I）」且至少為 32 位。此外，我還需要安裝一個(gè) VGA（視頻圖形陣列）輸出卡。
我花了整整 6 個(gè)月的時(shí)間在 Logisim 項(xiàng)目上，終于得到一個(gè)可運(yùn)行的程序模擬。下一步繪制所有模塊的原理圖、從 JLCPCB 網(wǎng)站上購(gòu)買(mǎi)所有的 PCB（印制電路板）并重新設(shè)計(jì)。由于這是我首次購(gòu)買(mǎi) PCB，擔(dān)心搞砸一切，于是決定在設(shè)計(jì)過(guò)程中分模塊處理，一次選購(gòu)幾個(gè)，以免自己應(yīng)接不暇。
Logisim-Evolution 項(xiàng)目中的模擬原理圖如下：
經(jīng)過(guò)了兩輪設(shè)計(jì)，最后只剩下幾個(gè)模塊需要處理，其中一個(gè)是直接生成器（immediate generator）。當(dāng)我絞盡腦汁想將它從模擬轉(zhuǎn)化為合適的原理圖時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己犯了一個(gè)致命錯(cuò)誤：完全不清楚模擬是如何運(yùn)行的。幸運(yùn)的是，修復(fù)起來(lái)也沒(méi)有那么困難，于是對(duì)已經(jīng)制作完成的 PCB 做了改進(jìn)。
原型機(jī)
接下來(lái)，我將開(kāi)源電子原型平臺(tái) Arduino 連接到每個(gè) PCB 的輸入端、同時(shí)監(jiān)控輸出端并與預(yù)測(cè)端（prediction）做對(duì)比，從而對(duì)這些 PCB 進(jìn)行測(cè)試。設(shè)置好之后，一切就可以自動(dòng)運(yùn)行了。每次測(cè)試都至少持續(xù)數(shù)個(gè)小時(shí)。
當(dāng)我準(zhǔn)備好將所有 PCB 整合到一塊時(shí)，模塊也已經(jīng)間隔地安裝在了木頭上，并使用 3D 打印墊片（spacer）來(lái)固定。接著上傳了一個(gè)測(cè)試程序并開(kāi)始測(cè)試。
原型機(jī)示意圖如下：
Arduino 平臺(tái)僅用來(lái)調(diào)試，沒(méi)有在最終成品中使用。
盡管我單獨(dú)測(cè)試了每個(gè) PCB，但首次嘗試還是失敗了，這不足為奇。我又不得不花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)找失敗的原因，找出了一些錯(cuò)誤，如很難發(fā)現(xiàn)的時(shí)序問(wèn)題。
輸入 / 輸出端口
我構(gòu)建的 RISC-V CPU 擁有兩個(gè) 8 位輸入端口和兩個(gè) 8 位輸出端口，你可以通過(guò) RJ50 連接器在前板上訪(fǎng)問(wèn)。此外，頂部模塊上有一個(gè) 7 段式顯示器（7-segment display），它與一個(gè)可以通過(guò)程序訪(fǎng)問(wèn)的寄存器相連。
至于與 VGA 顯示器的連接，我受 Ben Eater 的啟發(fā)構(gòu)建了一個(gè) VGA 卡。VGA 的輸出分辨率是 200×150 像素，黑白顯示。雖然我想實(shí)現(xiàn)彩色顯示，但需要使用大型 V-RAM，太貴了，也就放棄了。
下板（board）將顯示存儲(chǔ)在 EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器，型號(hào) 39SF010A）中的靜態(tài)圖像。我在最終成品中使用到了雙端口 SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）。
我還構(gòu)建了一些演示用的 I/O 模塊，它們?cè)谀┒硕加?RJ50 連接器。
PS/2 解碼器是買(mǎi)的現(xiàn)成的，我沒(méi)有時(shí)間自己制作。
最終成品
讓原型機(jī)運(yùn)行不太容易，在大約 5 個(gè)月的時(shí)間后，我終于成功了。
我又重新設(shè)計(jì)了所有的 PCB，修復(fù)錯(cuò)誤，并將這些 PCB 以塔狀結(jié)構(gòu)堆疊，所以每個(gè)模塊僅用針座（pinheader）相連接。重新設(shè)計(jì) PCB 大約花了 3 個(gè)月的時(shí)間，然后對(duì)最終的 PCB 進(jìn)行有序排列。
此外，我還設(shè)計(jì)并使用 Prusa i3 3D 打印機(jī)打印了一個(gè)圓柱體外殼，足以容納所有的 PCB 和 I/O 連接器，這樣也可以將鍵盤(pán)和 VGA 顯示器直接連接到計(jì)算機(jī)。
最終成品，左：無(wú)圓柱體外殼，右：安裝圓柱體外殼。
最終成品的組件拆卸：
方框圖：
編程
最后，在經(jīng)過(guò)了數(shù)百小時(shí)的設(shè)計(jì)、焊接和調(diào)試，我終于看到了成功的曙光。在好友 Jan Vykydal 的幫助下，我設(shè)置了一個(gè)兼容 RISC-V 且運(yùn)行良好的編譯器，使用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)了一些系統(tǒng)軟件和 demo 程序。
這個(gè)編譯器可以生成機(jī)器代碼，我使用一個(gè) Python 腳本來(lái)接收代碼并 flash 入 CPU 內(nèi)存。
我還創(chuàng)建了一個(gè)具有一些有用函數(shù)的庫(kù)，代碼如下：
Pineshell：
利用這個(gè)庫(kù)，我創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的 shell 程序，這樣可以通過(guò)「與其中一個(gè)輸入端口相連的 PS/2 鍵盤(pán)」來(lái)實(shí)現(xiàn)與該程序的交互。我使用帶有模塊的 PS/2 鍵盤(pán)將輸入信號(hào)解碼為 8 位。
大功告成！
參考鏈接：https://riscv-association.jp/en/2021/04/filip-szkandera/https://hackaday.io/project/178826-pineapple-one/detailshttps://www.youtube.com/watch?v=NUAVKNVrPh0
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