我丟，CPU也可以自制
[導(dǎo)讀]2021年4月初，一位熱衷于自制CPU的19歲極客小伙FilipSzkandera自己設(shè)計和制造出了32位功能性?RISC-VCPU，并構(gòu)建了與其他自制計算機不同的個人計算機「菠蘿一號（PineappleONE）」。從設(shè)計、調(diào)試和安裝CPU和所有硬件，F(xiàn)ilip整整花了兩年時間。Filip還受邀在東京舉辦的RISC-VDaysTokyo2021Spring上做了演示，他也成為了該會議自2017年舉辦以來最年輕的演示者。創(chuàng)建者FilipSzkandera。整體來看，「菠蘿一號」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VGA顯示接口卡。一共使用了230多個集成電路，...
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)計和制造出了 32 位功能性
RISC-V CPU，并構(gòu)建了與其他自制計算機不同的個人計算機「菠蘿一號（Pineapple ONE）」。從設(shè)計、調(diào)試和安裝 CPU 和所有硬件，Filip 整整花了兩年時間。
Filip 還受邀在東京舉辦的 RISC-V Days Tokyo 2021 Spring 上做了演示，他也成為了該會議自 2017 年舉辦以來最年輕的演示者。
創(chuàng)建者 Filip Szkandera。
整體來看，「菠蘿一號」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 VGA 顯示接口卡。
一共使用了 230 多個集成電路，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：
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最大時鐘速度：500kHz
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程序內(nèi)存：512kB
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內(nèi)存 512kB
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閃存 512kB
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VGA 輸出：200×150px（黑白）
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2 個 8 位輸入端口
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2 個 8 位輸出端口
目前，「菠蘿一號」計算機支持的命令包括：HELLO、HI、PEEK 、POKE、SYSTEM INFORMATION、CLEAR 等。
此外雖然 CPU 的運行速度僅有 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 CPU、制作原型機、輸入 / 輸出端口、最終成品到軟件編程的技術(shù)細節(jié)（下文以第一人稱敘述）。
設(shè)計自己的 RISC-V CPU
此前，我在 Youtube 上發(fā)現(xiàn)了電子愛好者 Ben Eater 自制 CPU（構(gòu)建著名的 8 位計算機和經(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，我覺得對于 CPU 基礎(chǔ)知識了解的還不夠，因此又觀看了 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，我便開始在一個名為「Logisim-Evolution」的項目中制造自己的 RISC-V CPU。
我給自己設(shè)定的目標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 必須包含擴展「整數(shù)（I）」且至少為 32 位。
此外，我還需要安裝一個 VGA（視頻圖形陣列）輸出卡。
我花了整整 6 個月的時間在 Logisim 項目上，終于得到一個可運行的程序模擬。
下一步繪制所有模塊的原理圖、從 JLCPCB 網(wǎng)站上購買所有的 PCB（印制電路板）并重新設(shè)計。
由于這是我首次購買 PCB，擔(dān)心搞砸一切，于是決定在設(shè)計過程中分模塊處理，一次選購幾個，以免自己應(yīng)接不暇。
Logisim-Evolution 項目中的模擬原理圖如下：
經(jīng)過了兩輪設(shè)計，最后只剩下幾個模塊需要處理，其中一個是直接生成器（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，發(fā)現(xiàn)自己犯了一個致命錯誤：完全不清楚模擬是如何運行的。
幸運的是，修復(fù)起來也沒有那么困難，于是對已經(jīng)制作完成的 PCB 做了改進。
原型機
接下來，我將開源電子原型平臺 Arduino 連接到每個 PCB 的輸入端、同時監(jiān)控輸出端并與預(yù)測端（prediction）做對比，從而對這些 PCB 進行測試。設(shè)置好之后，一切就可以自動運行了。
每次測試都至少持續(xù)數(shù)個小時。
當(dāng)我準備好將所有 PCB 整合到一塊時，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）來固定。接著上傳了一個測試程序并開始測試。
原型機示意圖如下：
Arduino 平臺僅用來調(diào)試，沒有在最終成品中使用。
盡管我單獨測試了每個 PCB，但首次嘗試還是失敗了，這不足為奇。我又不得不花費大量時間來找失敗的原因，找出了一些錯誤，如很難發(fā)現(xiàn)的時序問題。
輸入 / 輸出端口
我構(gòu)建的 RISC-V CPU 擁有兩個 8 位輸入端口和兩個 8 位輸出端口，你可以通過 RJ50 連接器在前板上訪問。此外，頂部模塊上有一個 7 段式顯示器（7-segment display），它與一個可以通過程序訪問的寄存器相連。
至于與 VGA 顯示器的連接，我受 Ben Eater 的啟發(fā)構(gòu)建了一個 VGA 卡。VGA 的輸出分辨率是 200×150 像素，黑白顯示。雖然我想實現(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）將顯示存儲在 EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲器，型號 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)隨機存取存儲器）。
我還構(gòu)建了一些演示用的 I/O 模塊，它們在末端都有 RJ50 連接器。
PS/2 解碼器是買的現(xiàn)成的，我沒有時間自己制作。
最終成品
讓原型機運行不太容易，在大約 5 個月的時間后，我終于成功了。
我又重新設(shè)計了所有的 PCB，修復(fù)錯誤，并將這些 PCB 以塔狀結(jié)構(gòu)堆疊，所以每個模塊僅用針座（pinheader）相連接。重新設(shè)計 PCB 大約花了 3 個月的時間，然后對最終的 PCB 進行有序排列。
此外，我還設(shè)計并使用 Prusa i3 3D 打印機打印了一個圓柱體外殼，足以容納所有的 PCB 和 I/O 連接器，這樣也可以將鍵盤和 VGA 顯示器直接連接到計算機。
最終成品，左：無圓柱體外殼，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)過了數(shù)百小時的設(shè)計、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)置了一個兼容 RISC-V 且運行良好的編譯器，使用 C 語言編寫了一些系統(tǒng)軟件和 demo 程序。這個編譯器可以生成機器代碼，我使用一個 Python 腳本來接收代碼并 flash 入 CPU 內(nèi)存。
我還創(chuàng)建了一個具有一些有用函數(shù)的庫，代碼如下：
Pineshell：利用這個庫，我創(chuàng)建了一個簡單的 shell 程序，這樣可以通過「與其中一個輸入端口相連的 PS/2 鍵盤」來實現(xiàn)與該程序的交互。我使用帶有模塊的 PS/2 鍵盤將輸入信號解碼為 8 位。
大功告成！
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