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来源:芯师爷发布时间:2021-07-27
询问 AI
一个人，到底能肝到什么程度？
最近B站上大火的一个视频，或许给了这个问题一个完美诠释：
纯！手！工！自制CPU！
这位叫做“奶味的”Up主，耗时整整半年，用他那双勤劳的双手，“逐点”焊接，最终打造出了一个完整CPU！
手工做一个CPU能用么？
当然可以，他还做了一个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，直接引发了一大波网友们的惊呼：
肝帝！焊武帝！
人长在肝上了！
（感受下这满屏的Respect）
接下来，让我们一同看下“肝帝”自制CPU的完整过程。
其实在发布这个视频之前，Up主便在贴吧中“开玩笑”的说了句：
CPU太贵了，买了显卡就买不起CPU，手工捏个出来……
万万没想到，真的是说干就干。
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。
而他最先“下手”的，就是CPU的寄存器部分。
Up主设计了一个6位的移位寄存器：
它的作用不仅能是用来存储，还能在时钟信号的控制下，将数据进行进行逐次右移或左移。
简单来说就像是一个交警叔叔，当数据从一个方向进来的时候，这个移位寄存器可以指挥它什么时候该往哪里走。
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。
像最基本的就是挨个字节读完指令后，计数要自动+1；而CPU重启之后，计数便会清零。
而且在不同的条件之下，还要能实现直接跳转、调用函数、函数返回等功能。
听着就有够复杂的了。
奈何，除此之外，还时常伴随着各种各样的“玄学问题”。
Up主就举了个例子：
花了一个多星期才在最深处找到一只焊反的二极管……
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：
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。
也难怪能让一众网友直呼“肝帝”了。
以为纯手工焊接就完了？
不不不，还有更硬核的。
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？
这位Up主的对策是：
纯手写最原始代码——二进制编程！
噫吁嚱！噫吁嚱！
这一手露的，直接引发了网友们的第二波高潮：
手写指令集，牛皮！这才是真·写代码！
直接上机械码，太狠了吧！
然后……然后……
Up主竟然就开启了上古编程模式——“扣”程序！
面对此情此景，怎么一句“绝绝子”了得。
……
一切准备工作就绪。
接下来，便是见证奇迹的时刻。
但最开始，程序的运行并不是一帆风顺。
即便大神重启了几次，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，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。
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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