B站焊武帝爆火出圈：纯手工拼晶体管自制CPU，耗时半年，可跑程序

Posted 2021-08-26 QbitAl

金磊 博雯 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

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？

参考链接：

[1]https://www.bilibili.com/video/BV1sy4y1j7Ue
[2]https://tieba.baidu.com/p/7432882849?see_lz=1