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如果有人和你說(shuō)要“手搓”一顆CPU，我想大多數(shù)對(duì)于CPU行業(yè)有所了解的朋友第一反應(yīng)都是“你在做什么夢(mèng)？”。因?yàn)榫退闶悄壳俺杀咀畹偷男酒辽俣疾捎梦⒚准?jí)工藝，不管是設(shè)計(jì)還是制作都需要專業(yè)機(jī)器的輔助，靠原始工具來(lái)制造幾乎不可能成功。

不過(guò)，如果是古董級(jí)別的CPU，那么人工自制的成功可能性還是有的，畢竟人類第一臺(tái)計(jì)算機(jī)就是由一群工程師和科學(xué)家徒手打造的，最多就是用上了諸如焊槍等工具。如果說(shuō)幾十年前的人可以完成，那么在現(xiàn)代更發(fā)達(dá)的微電子工程學(xué)的指導(dǎo)下，制作一顆古董級(jí)處理器并不是一件困難的事情。

比如一位貼吧大神就自制了一顆CPU，并且成功運(yùn)行了自己手寫的二進(jìn)制程序，被網(wǎng)友稱為“肝上長(zhǎng)了個(gè)人”“焊武帝”，如果你好奇他是怎么自制CPU的，小雷今天就帶你一起看看吧。

如何手搓一顆CPU？

手搓CPU之前，首先要了解CPU的基本構(gòu)造，雖然經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，現(xiàn)代CPU在工藝上已經(jīng)與最早的CPU有了很大區(qū)別，但是在基本構(gòu)造上還是大致相同的。比如用于邏輯計(jì)算的運(yùn)算邏輯部件，用于暫存指令、數(shù)據(jù)和地址的寄存器部件以及用于控制和分析指令的控制部件，小到普通的燈控芯片，大到超級(jí)計(jì)算器的處理器核心，基本上都遵循這個(gè)設(shè)計(jì)。

在弄清楚了CPU的主要構(gòu)造后，擋在面前的第一道攔路虎是電路設(shè)計(jì)，否則就連如何接線，接在哪里都會(huì)成為問(wèn)題，更談不上打造一顆處理器。可以用于CPU設(shè)計(jì)的軟件有不少，這位手搓CPU的肝帝使用的Quartus就是一款由英特爾推出的設(shè)計(jì)軟件，擁有強(qiáng)大的輔助功能。

在翻出了數(shù)年前用Quartus設(shè)計(jì)的原理圖后，naiweide（貼吧手搓CPU的大神ID）開(kāi)始打造移位寄存器，也就是我們上面提到的CPU關(guān)鍵部件之一。 輸入的數(shù)據(jù)會(huì)在經(jīng)過(guò)并被分配到該去的位置，按照naiweide的描述“就像是現(xiàn)在馬路中間的交警，指揮著數(shù)據(jù)什么時(shí)候該往哪里走”。

可以說(shuō)，如果移位寄存器出現(xiàn)問(wèn)題，那么數(shù)據(jù)就會(huì)無(wú)法輸入到正確的位置，導(dǎo)致無(wú)法正確執(zhí)行指令，就像是出了“車禍”一樣，無(wú)法通行。

大家可以感受一下這個(gè)移位寄存器的大小。

基本上用到的零件主要是二極管、三極管和電阻，此外還有作為地基的門電路，實(shí)際上后續(xù)的幾個(gè)部件基本上也只需要這些零件即可，只不過(guò)是數(shù)量多寡的區(qū)別。

在完成了寄存器的制作后，naiweide開(kāi)始制作程序計(jì)數(shù)器，也就是上面提到的運(yùn)算邏輯部件，這個(gè)模塊可以說(shuō)整個(gè)第一階段最困難的，某種程度上來(lái)說(shuō)也是最“勸退”的一個(gè)階段（naiweide自稱為此耗費(fèi)了半個(gè)腦袋的頭發(fā)，為他的頭發(fā)默哀一下）。

程序計(jì)數(shù)器涉及到的零件數(shù)量遠(yuǎn)超寄存器，只要其中一個(gè)零件出現(xiàn)問(wèn)題那么就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)，而且缺乏有效的debug機(jī)制，想要找到故障位置也是相當(dāng)困難。而在實(shí)際的焊接過(guò)程中，受焊錫量、焊接時(shí)間等因素的影響，看似正常的各個(gè)零件在實(shí)際運(yùn)行時(shí)都可能出現(xiàn)意想不到的問(wèn)題。

比如在一次成功運(yùn)行后，雖然肉眼之下一切正常，但是當(dāng)naiweide用手機(jī)記錄并慢放視頻后，很快就發(fā)現(xiàn)程序計(jì)數(shù)器的執(zhí)行速度忽快忽慢，而在正常情況下執(zhí)行速度應(yīng)該是恒定的，忽快忽慢就說(shuō)明其中有一個(gè)硬件出現(xiàn)了問(wèn)題。

在經(jīng)過(guò)一個(gè)星期的debug后，終于在硬件深處找到了一個(gè)焊接反了的二極管，再加上處理其他各種問(wèn)題的時(shí)間，程序計(jì)數(shù)器花了超過(guò)一個(gè)月的時(shí)間才終于制作成功，而這還只是第一步，在將其與寄存器組合在一起后，能否正常運(yùn)行還是一個(gè)未知數(shù)。

為了更直觀的給大家展示一下程序計(jì)數(shù)器的復(fù)雜程度，可以看一看naiweide拍攝的局部細(xì)節(jié)圖。

而且，在打造程序計(jì)數(shù)器的過(guò)程中，naiweide還發(fā)現(xiàn)自己的原理圖存在嚴(yán)重問(wèn)題，無(wú)法正確控制和分析指令，最終只能夠一邊debug一邊對(duì)電路圖進(jìn)行修改，功夫不負(fù)有心人，最終成功點(diǎn)亮所有指示燈，得到了正常運(yùn)行的回饋。

在寄存器和程序計(jì)數(shù)器均完成后，接下來(lái)還要打造一個(gè)指令集，用于解析和執(zhí)行輸入的指令，也就是控制部件。某種程度上，指令集的先進(jìn)程度會(huì)直接影響到CPU的性能，但是對(duì)于naiweide打造的這個(gè)古董級(jí)CPU來(lái)說(shuō)，能夠正常運(yùn)行就是成功的。

相較于程序計(jì)數(shù)器，指令集部分的設(shè)計(jì)和制作并不算難，但是同樣會(huì)遇到許多問(wèn)題，因?yàn)榈搅诉@一步已經(jīng)需要將三大部件組合在一起進(jìn)行測(cè)試，只要其中一環(huán)出現(xiàn)沖突，那么就會(huì)反饋出錯(cuò)誤的信息和結(jié)果。

在焊接上對(duì)應(yīng)的硬件后，naiweide成功讓這個(gè)古董級(jí)CPU成功運(yùn)行了00H和01H兩個(gè)指令，嚴(yán)格上來(lái)說(shuō)，他已經(jīng)成功打造了一顆真正的CPU，接下來(lái)的目標(biāo)是使用這顆CPU實(shí)現(xiàn)流水燈效。

甚至在此之前，程序計(jì)數(shù)器部分又一次損壞，在經(jīng)過(guò)詳細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)一顆二極管在運(yùn)行過(guò)程中被電流擊穿，完全損壞，在更換后才終于正常啟動(dòng)。

真·寫代碼

流水燈效，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是燈光依次亮起熄滅，是我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ?jiàn)的燈效之一，在一般情況下，只需要一個(gè)小指甲蓋大小的芯片就可以實(shí)現(xiàn)包括流水燈效在內(nèi)的多種燈效控制。

這么看來(lái)，似乎不難？畢竟只是燈光控制罷了，隨便一個(gè)玩具都可能具備這個(gè)功能。但是，不要忘了這顆CPU是完全手工打造的，相當(dāng)于完全自主研發(fā)的指令集和架構(gòu)，所以沒(méi)有辦法從現(xiàn)有的資料中獲得幫助，甚至連配套的編程語(yǔ)言都欠缺。

那么，naiweide是如何解決編程問(wèn)題的？很簡(jiǎn)單，使用最原始的機(jī)械語(yǔ)言——二進(jìn)制，也就是由0和1組成的一長(zhǎng)串?dāng)?shù)字代碼。對(duì)于一般人來(lái)說(shuō)，也許光是看著那一大串代碼就已經(jīng)頭暈，并且覺(jué)得人類真的可以理解嗎？實(shí)際上想要對(duì)其進(jìn)行編譯也不是什么異想天開(kāi)的事情，一些常用的代碼還是可以比較輕松記憶下來(lái)的。

如果是利用現(xiàn)有的一些編程軟件，其實(shí)也可以輕松的寫下這段代碼，不過(guò)naiweide還是使用了最原始的手寫代碼方式，來(lái)打造這顆CPU的第一個(gè)完整程序。至于輸入程序的方式也是相當(dāng)硬核，“扣”按鍵，在一塊8位指令輸入板上按照二進(jìn)制代碼的順序依次扣動(dòng)對(duì)應(yīng)按鍵，輸入完成后再進(jìn)行第二條代碼的輸入。

在完成指令輸入后，naiweide發(fā)現(xiàn)程序并沒(méi)有正常運(yùn)行，在隨后的檢查中發(fā)現(xiàn)有地方的連接因?yàn)橐馔鈹嚅_(kāi)，而且程序設(shè)計(jì)上也有一些問(wèn)題，最終重新編程后才成功運(yùn)行了一套完整的流水燈效。

手搓CPU有意義嗎？

naiweide制作的這顆CPU，從性能和功能上來(lái)說(shuō)可能還不如淘寶幾塊錢買的一顆處理器。根據(jù)作者描述，在最初啟動(dòng)的時(shí)候，主頻只有可憐的1Hz，而在經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)后，也僅僅提升到了100kHz。

作為對(duì)比，淘寶售價(jià)5元的G620處理器主頻為2.6GHz，也就是2600MHz，等于2600000KHz，也就是自制CPU的兩萬(wàn)六千倍，考慮到更豐富完善的指令集和架構(gòu)，實(shí)際差距還會(huì)更大。至于大家談?wù)揅PU時(shí)常提的制程，該CPU大概是2.54mm制程，是目前的5nm先進(jìn)制程的數(shù)十萬(wàn)倍。

當(dāng)然，單看性能什么的，肯定是沒(méi)有意義的，naiweide制作CPU的初衷主要是想親自驗(yàn)證一下二進(jìn)制代碼的執(zhí)行過(guò)程，以及從零開(kāi)始摸清楚CPU的運(yùn)行邏輯，實(shí)踐出真知，只有實(shí)際做過(guò)了，在隨后的工作中才能更好的了解整個(gè)系統(tǒng)和硬件的運(yùn)行過(guò)程。

所以，從實(shí)用上看，確實(shí)沒(méi)有多大意義，但是對(duì)于naiweide來(lái)說(shuō)卻是一個(gè)很好的學(xué)習(xí)及積累經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程。

雖然不少評(píng)論都說(shuō)只需要大學(xué)級(jí)別的知識(shí)就能制作出相同的作品，但是其中的毅力、耐心卻很少有人具備，而這些恰恰是成功所具備的前置條件，所以小雷十分期待這位UP日后能夠在這個(gè)領(lǐng)域做出更大的貢獻(xiàn)。

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