今天給大家分享一個(gè)耗時(shí)又有趣的項(xiàng)目：手搓一個(gè)16位RISC架構(gòu)CPU。

項(xiàng)目的起因是，作者在學(xué)習(xí)了MITx的 "計(jì)算結(jié)構(gòu) "課程后，發(fā)現(xiàn)好像自己做一個(gè)CPU也沒那么難。

在掌握了電子學(xué)的初級(jí)知識(shí)和課程中介紹的概念之后，就開始設(shè)計(jì)想要做一個(gè)基于NMOS邏輯的RISC CPU。

課程中介紹的是Beta CPU——有一個(gè)負(fù)載存儲(chǔ)，32位RISC架構(gòu)。

為了節(jié)省空間、晶體管，少掉一點(diǎn)頭發(fā)，作者決定把自己的這個(gè)CPU減少到16位。

注：MITx的"Computation Structures"官網(wǎng)中對(duì)這門課的描述是This course introduces architecture of digital systems, emphasizing structural principles common to a wide range of technologies.

相當(dāng)于我們國(guó)內(nèi)的數(shù)字電路以及計(jì)算機(jī)組成原理的課程。

B站有UP主做搬運(yùn)，有興趣的可以看一下：【MIT公開課】6.004 計(jì)算結(jié)構(gòu) · 2019年春（完結(jié)·中英字幕·機(jī)翻）[1]

課程原文鏈接：Computation Structures[2]

如果把它安裝在墻上，它將占據(jù)一整面墻。

為了讓整個(gè)計(jì)算機(jī)看起來更復(fù)古，輸入輸出部分，作者專門搬出來自己壁櫥里的一個(gè)舊的Apple II Plus來處理。

注：Apple II Plus 發(fā)布日期 1979年6月，已經(jīng)是40多年前的事了……

作者用釘板、原型板、2N7000晶體管、電阻（主要是SIP和一些分立器件）、LED、一些HP-5082顯示芯片、一些電致發(fā)光線和許多可愛的彩色跳線來構(gòu)建這么一款CPU。

作者給整個(gè)計(jì)算機(jī)起名為——Spikeputer，目標(biāo)是它能夠執(zhí)行簡(jiǎn)單的程序，并且能夠讓計(jì)算過程可視化。

下面是作者提供的一段介紹：

Spikeputor將會(huì)是一臺(tái)功能齊全的計(jì)算機(jī)，它的CPU完全由NMOS邏輯制成，使用約5000個(gè)MOSFET（2N7000）、電阻和LED來顯示邏輯。

HP-5082-7340 Hex顯示芯片將被戰(zhàn)略性地加入來顯示主要CPU組件輸出的數(shù)字內(nèi)容，盡管如果你閱讀二進(jìn)制，LED將提供同樣的信息。

利用電致發(fā)光線來可視化主要部件之間的邏輯路徑。

CPU的時(shí)鐘頻率將可以從最大速度（預(yù)測(cè)為數(shù)萬赫茲范圍）下調(diào)至單步。(補(bǔ)充：GHz=千兆赫）

由于制作Spikeputor的主要驅(qū)動(dòng)力是讓它能夠可視化計(jì)算過程，所以速度并不是最重要的，雖然還是會(huì)采取一些步驟（例如時(shí)鐘樹）來提高計(jì)算機(jī)的整體性能。

Spikeputor CPU的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和主要部件

• 16位的地址空間

• 寄存器內(nèi)存：七個(gè)16位寄存器，加上1個(gè)硬編碼為0的寄存器。

• 多功能ALU

• 加法和減法，支持負(fù)數(shù)補(bǔ)碼

• 比較（等于、小于、小于或等于）

• 布爾邏輯（AND, OR, XOR, Identity）

• 移位運(yùn)算

• 用簡(jiǎn)單的邏輯門實(shí)現(xiàn)的控制邏輯（沒有微代碼或ROM）

• 用于程序計(jì)數(shù)器、指令、常數(shù)、CPU階段和一些必要的狀態(tài)標(biāo)志的附加寄存器

• 單字操作碼用于寄存器之間的操作

• 寄存器和16位常數(shù)之間操作的雙字操作碼

• ALU功能（見上文）

• 內(nèi)存功能：加載、相對(duì)于PC的加載和存儲(chǔ)

• 有條件（BEQ, BNE）和無條件的分支，帶分支點(diǎn)存儲(chǔ)

• IRQ和RESET處理（包括自動(dòng)使用寄存器R6作為異常指針）

• 所有I/O的直接內(nèi)存訪問（DMA）。

內(nèi)存

為了能夠執(zhí)行更多瑣碎的程序，Spikeputor CPU將與高速靜態(tài)存儲(chǔ)器RAM（2 x 32K AS6C62256）和ROM（2 x 32K AT27C256R）芯片連接。此外，還會(huì)創(chuàng)建一個(gè)鏡像的只寫 "屏幕存儲(chǔ)器"，也是由（大約5000個(gè)）晶體管制成，提供一個(gè)48乘18的可尋址LED陣列。存儲(chǔ)器地址將被限制在字的邊界內(nèi)。試圖尋址奇數(shù)的存儲(chǔ)器位置會(huì)返回相應(yīng)的偶數(shù)的16位字。由于沒有任何16K的SRAM和ROM芯片可用，我使用了32K的芯片，并會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)內(nèi)存系統(tǒng)，從RAM和ROM中選擇16K的庫(kù)進(jìn)行讀取操作。完整的32K字（64kbytes）的RAM可以在任何時(shí)候被寫入。

輸入/輸出

I/O功能作者用1986年的Apple II Plus計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的定制軟件和硬件來實(shí)現(xiàn)。作為項(xiàng)目的一部分，作者還設(shè)計(jì)了一個(gè)名為BIAS（連接蘋果和Spikeputor的板卡）的自定義外設(shè)卡，以及蘋果上的軟件，來提供鍵盤輸入、屏幕輸出和長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索。I/O控制器將直接訪問Spikeputor內(nèi)存，并在所有讀寫操作中停止Spikeputor CPU。

還實(shí)現(xiàn)了16位通用輸入和輸出信號(hào)，鏡像到固定的高內(nèi)存位置。

結(jié)構(gòu)

整個(gè)Spikeputor被組裝在一系列的無焊接面包板上。每個(gè)主要部件（ALU、寄存器存儲(chǔ)器、控制邏輯/程序計(jì)數(shù)器/狀態(tài)寄存器和屏幕存儲(chǔ)器）被布置在一個(gè)10.16cm×5.08cm的釘板上。每個(gè)釘板可以包含一個(gè)9×6的陣列（54）的面包板，并根據(jù)需要為一些小的電路留出一些空間。四塊掛板中的每一塊都被安裝在墻上，在安裝的下方有空間放Apple II Plus的桌子。

電源

電力需求在25w左右。Spikeputor使用+5V電源，由一組8端口的USB電源提供（每塊釘板一個(gè)），非常方便。電致發(fā)光線的電源是單獨(dú)的(額外5w)。

欣賞一下圖片和視頻：

簡(jiǎn)單的小游戲：

，時(shí)長(zhǎng)01:25

斐波那契數(shù)列計(jì)算：

，時(shí)長(zhǎng)01:03

計(jì)算圓周率：

，時(shí)長(zhǎng)03:37

參考資料

[1]MIT公開課:

https://www.bilibili.com/video/av86045726/

[2]Computation Structures: https://ocw.mit.edu/courses/6-004-computation-structures-spring-2017/