太牛了，国人纯手工自制CPU，耗时半年，用了3000多个晶体管

金磊 博雯 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

一个人，到底能肝到什么程度？

最近哔哩哔哩大火的视频可能给了这个问题一个完美的解释:

纯手！手！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！工！自制CPU！

这位叫做“奶味的”Up主，花了半年时间，用他勤劳的手一步一步焊接，最终创造了一个完整的CPU！

手工做一个CPU能用么？

当然，他也做了一个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，直接引起了一大波网友的惊呼：

肝帝！焊武帝！

人长在肝上！

(感受这个全屏Respect）

接下来，让我们来看看肝帝的自制CPU完整过程。

纯手工自制CPU

其实在发布这个视频之前，Up主便在贴吧里开玩笑地说：

CPU太贵了，买不起显卡。CPU，手工捏出来……

没想到，真的是说干就干。

据这位Up他主要使用三种原料：

二极管、三极管和电阻。

通常来讲，CPU结构大致可分为运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。

而首先开始的是CPU的寄存器部分。

Up主设计了6位移位寄存器：

它的功能不仅可以用来存储，还可以在时钟信号的控制下逐次右移或左移数据。

简单地说，它就像一个交警叔叔。当数据从一个方向进来时，移位寄存器可以指挥它何时何地。

Up主处理的第二个结构是程序计数器（PC）。

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，花了三个月的时间。

程序计数器涉及的功能更多。

最基本的例子是逐字节阅读指令后，计数应自动 1；而CPU重启后，计数将被清除。

而且在不同的条件下，还可以实现直接跳转、调用函数、函数返回等功能。

听起来很复杂。

除此之外，还经常伴随着各种玄学问题。

Up举个例子:

在最深处找到焊反二极管花了一个多星期的时间……

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。

上电测试没有问题：

然后是硬盘（ROM）和内存（RAM）。

这是CPU外面比较大的两部分用手搓一个是不现实的。

因此，Up主用更容易操作hm628512来做ROM和RAM：

△左：RAM和指针 右：ROM

再将ROM和RAM组装，现在CPU基本模块已基本完成。

下一步是建造指令译码器。

它主要用于传输到这里CPU指令、分析操作：

然后加减乘除运算器（ALU）加上去：

最后还要再焊一个通用的缓存上去：

现在，这一切都是由三极管、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，不用说工程量巨大。

难怪所有网友都能叫肝帝。

还有最原始的纯手写代码

以为纯手工焊接就完了？

不不不不不，还有更多硬核的。

因为这个CPU指令集和架构都是自主开发的，所以没有合适的编程语言。

怎样才能让它跑起来？

这位Up主要对策是：

纯手写最原始代码——二进制编程！

唉！

这只手直接引起了网民第二波高潮：

手写指令集，牛皮！这才是真的！·写代码！

直接上机械码，太狠了！

然后……然后……

Up主居然开了古代编程模式——“扣”程序！

面对这一幕，怎么说绝子？

……

一切准备就绪。

接下来是见证奇迹的时刻。

灯，跑！

但一开始，程序的运行并非一帆风顺。

即使大神重启了几次，跑马灯的效果偶尔也会出现问题。

但bug很快被找到了：

有个地方断了。

同时，因为还没有/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?see_lz=1

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—— The End ——

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