从零开始，耗时两年，19岁小伙自制一块32位RiscV处理器

　　从设计CPU、制作原型机、最终成品到软件编程，19岁极客小伙用了整整两年的时间。
　　RISCV是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA），它是对应开源软件运动的一种开源硬件。该项目于2010年始于加州大学伯克利分校，项目贡献者是该大学以外的志愿者和行业工作者。
　　RISCV指令集的设计考虑了小型、快速、低功耗的现实情况来实做，但并没有对特定的微架构做过度的设计。与大多数指令集相比，RISCV指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISCV芯片和软件。
　　2021年4月初，一位热衷于自制CPU的19岁极客小伙FilipSzkandera自己设计和制造出了32位功能性RISCVCPU，并构建了与其他自制计算机不同的个人计算机菠萝一号（PineappleONE）。从设计、调试和安装CPU和所有硬件，Filip整整花了两年时间。Filip还受邀在东京举办的RISCVDaysTokyo2021Spring上做了演示，他也成为了该会议自2017年举办以来最年轻的演示者。
　　创建者FilipSzkandera。
　　整体来看，菠萝一号是由8块正方形打印电路板垂直堆叠组成，每块边侧高度约为10厘米，外加一个VGA显示接口卡。一共使用了230多个集成电路，大多数是74HCT系列逻辑芯片。示意图如下：
　　32位RISCVCPU的规格如下：最大时钟速度：500kHz程序内存：512kB内存512kB闪存512kBVGA输出：200150px（黑白）2个8位输入端口2个8位输出端口
　　目前，菠萝一号计算机支持的命令包括：HELLO、HI、PEEK、POKE、SYSTEMINFORMATION、CLEAR等。
　　此外虽然CPU的运行速度仅有500kHz，但玩个贪吃蛇游戏还是绰绰有余的：
　　Filip在一篇博客中介绍了他从设计CPU、制作原型机、输入输出端口、最终成品到软件编程的技术细节（下文以第一人称叙述）。
　　设计自己的RISCVCPU
　　此前，我在Youtube上发现了电子爱好者BenEater自制CPU（构建著名的8位计算机和经典的6502微处理器）的相关教程，所以非常着迷，也就有了自制CPU的想法。然而，我觉得对于CPU基础知识了解的还不够，因此又观看了GoogleRobotics软件工程师RobertBaruch的教程视频，他只使用了基本逻辑元件构建了32位RISCVCPU。
　　之后，我便开始在一个名为LogisimEvolution的项目中制造自己的RISCVCPU。我给自己设定的目标是不使用任何微控制器或FPGA，只使用基本的分立逻辑元件。编译器支持的最基础RISCVCPU必须包含扩展整数（I）且至少为32位。此外，我还需要安装一个VGA（视频图形阵列）输出卡。
　　我花了整整6个月的时间在Logisim项目上，终于得到一个可运行的程序模拟。下一步绘制所有模块的原理图、从JLCPCB网站上购买所有的PCB（印制电路板）并重新设计。由于这是我首次购买PCB，担心搞砸一切，于是决定在设计过程中分模块处理，一次选购几个，以免自己应接不暇。
　　LogisimEvolution项目中的模拟原理图如下：
　　经过了两轮设计，最后只剩下几个模块需要处理，其中一个是直接生成器（immediategenerator）。当我绞尽脑汁想将它从模拟转化为合适的原理图时，发现自己犯了一个致命错误：完全不清楚模拟是如何运行的。幸运的是，修复起来也没有那么困难，于是对已经制作完成的PCB做了改进。
　　原型机
　　接下来，我将开源电子原型平台Arduino连接到每个PCB的输入端、同时监控输出端并与预测端（prediction）做对比，从而对这些PCB进行测试。设置好之后，一切就可以自动运行了。每次测试都至少持续数个小时。
　　当我准备好将所有PCB整合到一块时，模块也已经间隔地安装在了木头上，并使用3D打印垫片（spacer）来固定。接着上传了一个测试程序并开始测试。
　　原型机示意图如下：
　　Arduino平台仅用来调试，没有在最终成品中使用。
　　尽管我单独测试了每个PCB，但首次尝试还是失败了，这不足为奇。我又不得不花费大量时间来找失败的原因，找出了一些错误，如很难发现的时序问题。
　　输入输出端口
　　我构建的RISCVCPU拥有两个8位输入端口和两个8位输出端口，你可以通过RJ50连接器在前板上访问。此外，顶部模块上有一个7段式显示器（7segmentdisplay），它与一个可以通过程序访问的寄存器相连。
　　至于与VGA显示器的连接，我受BenEater的启发构建了一个VGA卡。VGA的输出分辨率是200150像素，黑白显示。虽然我想实现彩色显示，但需要使用大型VRAM，太贵了，也就放弃了。
　　下板（board）将显示存储在EEPROM（带电可擦可编程只读存储器，型号39SF010A）中的静态图像。我在最终成品中使用到了双端口SRAM（静态随机存取存储器）。
　　我还构建了一些演示用的IO模块，它们在末端都有RJ50连接器。
　　PS2解码器是买的现成的，我没有时间自己制作。
　　最终成品
　　让原型机运行不太容易，在大约5个月的时间后，我终于成功了。
　　我又重新设计了所有的PCB，修复错误，并将这些PCB以塔状结构堆叠，所以每个模块仅用针座（pinheader）相连接。重新设计PCB大约花了3个月的时间，然后对最终的PCB进行有序排列。
　　此外，我还设计并使用Prusai33D打印机打印了一个圆柱体外壳，足以容纳所有的PCB和IO连接器，这样也可以将键盘和VGA显示器直接连接到计算机。
　　最终成品，左：无圆柱体外壳，右：安装圆柱体外壳。
　　最终成品的组件拆卸：
　　方框图：
　　编程
　　最后，在经过了数百小时的设计、焊接和调试，我终于看到了成功的曙光。在好友JanVykydal的帮助下，我设置了一个兼容RISCV且运行良好的编译器，使用C语言编写了一些系统软件和demo程序。这个编译器可以生成机器代码，我使用一个Python脚本来接收代码并flash入CPU内存。
　　我还创建了一个具有一些有用函数的库，代码如下：
　　Pineshell：
　　利用这个库，我创建了一个简单的shell程序，这样可以通过与其中一个输入端口相连的PS2键盘来实现与该程序的交互。我使用带有模块的PS2键盘将输入信号解码为8位。
　　大功告成！
　　机器之心