纯手工自制一个16位RISC架构CPU

这周和大家分享的这个项目来自hackaday。



从创作的日志来看，这个项目从2018年底开始，一直到陆陆续续更新到前俩天。



一个耗时又有趣的项目。

项目的起因是，作者在学习了MITx的 "计算结构 "课程后，发现好像自己做一个CPU也没那么难。



在掌握了电子学的初级知识和课程中介绍的概念之后，就开始设计想要做一个基于NMOS逻辑的RISC CPU。

课程中介绍的是Beta CPU——有一个负载存储，32位RISC架构。

为了节省空间、晶体管，少掉一点头发，作者决定把自己的这个CPU减少到16位。

注： MITx的"Computation Structures"官网中对这门课的描述是This course introduces architecture of digital systems, emphasizing structural principles common to a wide range of technologies.

相当于我们国内的数字电路以及计算机组成原理的课程。

B站有UP主做搬运，有兴趣的可以看一下：【MIT公开课】6.004 计算结构 · 2019年春（完结·中英字幕·机翻）[1]

课程原文链接：Computation Structures[2]
如果把它安装在墙上，它将占据一整面墙。





为了让整个计算机看起来更复古，输入输出部分，作者专门搬出来自己壁橱里的一个旧的Apple II Plus来处理。

注：Apple II Plus 发布日期 1979年6月，已经是43年前的事了……

作者用钉板、原型板、2N7000晶体管、电阻（主要是SIP和一些分立器件）、LED、一些HP-5082显示芯片、一些电致发光线和许多可爱的彩色跳线来构建这么一款CPU。



作者给整个计算机起名为——Spikeputer，目标是它能够执行简单的程序，并且能够让计算过程可视化。



下面是作者提供的一段介绍：

Spikeputor将会是一台功能齐全的计算机，它的CPU完全由NMOS逻辑制成，使用约5000个MOSFET（2N7000）、电阻和LED来显示逻辑。

HP-5082-7340 Hex显示芯片将被战略性地加入来显示主要CPU组件输出的数字内容，尽管如果你阅读二进制，LED将提供同样的信息。

利用电致发光线来可视化主要部件之间的逻辑路径。

CPU的时钟频率将可以从最大速度（预测为数万赫兹范围）下调至单步。(补充：GHz=千兆赫）

由于制作Spikeputor的主要驱动力是让它能够可视化计算过程，所以速度并不是最重要的，虽然还是会采取一些步骤（例如时钟树）来提高计算机的整体性能。






Spikeputor CPU的设计特点和主要部件

• 16位的地址空间
• 寄存器内存：七个16位寄存器，加上1个硬编码为0的寄存器。
• 多功能ALU
  
  • 加法和减法，支持负数补码
  • 比较（等于、小于、小于或等于）
  • 布尔逻辑（AND, OR, XOR, Identity）
  • 移位运算
    
• 用简单的逻辑门实现的控制逻辑（没有微代码或ROM）
• 用于程序计数器、指令、常数、CPU阶段和一些必要的状态标志的附加寄存器
• 单字操作码用于寄存器之间的操作
• 寄存器和16位常数之间操作的双字操作码
  
  • ALU功能（见上文）
  • 内存功能：加载、相对于PC的加载和存储
  • 有条件（BEQ, BNE）和无条件的分支，带分支点存储
    
• IRQ和RESET处理（包括自动使用寄存器R6作为异常指针）
• 所有I/O的直接内存访问（DMA）。
  

内存
为了能够执行更多琐碎的程序，Spikeputor CPU将与高速静态存储器RAM（2 x 32K AS6C62256）和ROM（2 x 32K AT27C256R）芯片连接。此外，还会创建一个镜像的只写 "屏幕存储器"，也是由（大约5000个）晶体管制成，提供一个48乘18的可寻址LED阵列。存储器地址将被限制在字的边界内。试图寻址奇数的存储器位置会返回相应的偶数的16位字。由于没有任何16K的SRAM和ROM芯片可用，我使用了32K的芯片，并会设计一个内存系统，从RAM和ROM中选择16K的库进行读取操作。完整的32K字（64kbytes）的RAM可以在任何时候被写入。


输入/输出
I/O功能作者用1986年的Apple II Plus计算机上运行的定制软件和硬件来实现。作为项目的一部分，作者还设计了一个名为BIAS（连接苹果和Spikeputor的板卡）的自定义外设卡，以及苹果上的软件，来提供键盘输入、屏幕输出和长期数据存储和检索。I/O控制器将直接访问Spikeputor内存，并在所有读写操作中停止Spikeputor CPU。

还实现了16位通用输入和输出信号，镜像到固定的高内存位置。


结构
整个Spikeputor被组装在一系列的无焊接面包板上。每个主要部件（ALU、寄存器存储器、控制逻辑/程序计数器/状态寄存器和屏幕存储器）被布置在一个10.16cm×5.08cm的钉板上。每个钉板可以包含一个9×6的阵列（54）的面包板，并根据需要为一些小的电路留出一些空间。四块挂板中的每一块都被安装在墙上，在安装的下方有空间放Apple II Plus的桌子。


电源
电力需求在25w左右。Spikeputor使用+5V电源，由一组8端口的USB电源提供（每块钉板一个），非常方便。电致发光线的电源是单独的(额外5w)。

欣赏一下图片和视频：







简单的小游戏：



斐波那契数列计算：




计算圆周率：






参考资料

MIT公开课: https://www.bilibili.com/video/av86045726/

Computation Structures: https://ocw.mit.edu/courses/6-004-computation-structures-spring-2017/

原文链接：https://hackaday.io/project/162814-the-spikeputor

项目作者：spudfishScott

译文首发于DF创客社区

▼ 纯手工打造！19岁天才少年自制1200个晶体管的CPU



▼ 小伙一本正经用石头打造CPU，号称99秒“解决”芯片危机

这是，自己做电脑？？？牛

就像原作者说的，底层原理没有那么难。做到最后就像用乐高拼一个大号死星一样，需要耐心、谨慎和一定的数电知识。

酷酷酷酷

腻害腻害

厉害厉害

这家伙是把计算机组成原理学明白了