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

時(shí)間：2021-08-19 15:48:49

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[導(dǎo)讀]關(guān)注、星標(biāo)公眾號(hào)，直達(dá)精彩內(nèi)容金磊博雯發(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...

關(guān)注、星標(biāo)公眾號(hào)，直達(dá)精彩內(nèi)容

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(zhǎng)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(wàn)萬(wàn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(cè)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(yǔ)言。

那怎么能讓它跑起來呢？

這位Up主的對(duì)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(duì)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(cè)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(jí)”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(mèng)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(cè)到了大致的原理，于是就想試一試。

最初他想用門級(jí)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(jí)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(duì)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(jí)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(jí)之間組合成功能級(jí)器件就有新的問題，功能級(jí)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(jí)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(gòu)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(wàn)。

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：