古法制作CPU

前言

從無到有（make something from scratch）一直是工程師的浪漫，例如自行調(diào)配出操作系統(tǒng)、自己寫系統(tǒng)核心等（如 Linux）。然而在家從無到有打造出“一顆”CPU 就沒聽過了吧？最近有一位 YouTuber 就在免焊萬用電路板（俗稱面包板）上，以跳線實(shí)做出自己設(shè)計(jì)的 CPU。

CPU（中央處理器），這么一小顆神奇的高科技黑方塊，是現(xiàn)代電腦的核心元件，大多數(shù)電腦設(shè)備都是 64 位 CPU，技術(shù)層次之深、設(shè)計(jì)之復(fù)雜，要從無到有重新設(shè)計(jì)、打造出全新的 CPU 談何容易？1970 年代個(gè)人電腦剛萌芽時(shí)期的 Intel 8008、Zilog Z80 等 8 位處理器相對(duì)單純?cè)迹瑧?yīng)該比較容易做得到吧？盡管如此，從無到有開發(fā)出一個(gè)新的 8 位 CPU 也不是容易事。

不是 AMD、Intel、ARM 等大公司，自己打造 CPU 有可能嗎？YouTuber保羅·君士坦丁（Paulo Constantino ）就向大家證明了這并非辦不到的事。他在自己的Github進(jìn)行名為 Dreamcatcher 的完全自行開發(fā)電腦計(jì)劃──把電腦里每個(gè)必要元件都重新設(shè)計(jì)、手工做出來。

對(duì)未受過訓(xùn)練的人來說，君士坦丁的 CPU 作品看起來就像板子上一團(tuán)又一團(tuán)的電線。他的作品基于 74HC 系列的 CMOS 積體電路，插在面包板上用電線跳接起來，他花了兩天時(shí)間畫電路圖、一個(gè)星期時(shí)間實(shí)際制作。目前還很簡(jiǎn)陋，編寫程序需要用 DIP 開關(guān)進(jìn)行，根據(jù)影片，目前只運(yùn)作過簡(jiǎn)單程序：從 0 記數(shù)到 255（用一排 8 個(gè) LED 燈以二進(jìn)位表示）、演奏音階、演奏走音的馬里奧兄弟主題曲。

簡(jiǎn)陋?dú)w簡(jiǎn)陋，不過影片拍攝的時(shí)候是 8 位，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)化到 16 位，一共擁有 256 道指令的指令集（instructions），現(xiàn)在還做好了簡(jiǎn)單的 BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)），當(dāng)然又是另外一團(tuán)電線亂亂的面包板。謝天謝地，終于可以輸出畫面到屏幕上了，君士坦丁的下一個(gè)目標(biāo)就是再做好連接鍵盤的功能，這樣寫程序就方便多了，最終目標(biāo)又能運(yùn)作 MS-DOS 或 Minix 系統(tǒng)。

這樣用面包版繞線做 CPU 原型簡(jiǎn)直就像愚公移山，不過今日我們認(rèn)為 PCB 印刷電路板印制、硬件描述語言（Verilog VHDL）、FPGA（可程序化的積體電路）技術(shù)是理所當(dāng)然，而 1980 年以前，還沒有這些技術(shù)，CPU 原型就是如此打造。一位矢志從無到有重造輪子的自造者，自然要用古法來制作 CPU 原型啰。