B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制CPU 可跑程序

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

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  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。

  纯手工自制 CPU

  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:

  △左:RAM 和指针右:ROM

  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。

  还有纯手写最原始代码

  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。

  亮灯,跑起!

  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。

  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?

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