手工焊接，二进制写码，B站Up主手搓CPU爆火出圈

　　机器之心报道
　　编辑：小舟、张倩
　　CPU是怎么执行0101的呢？就为了这点好奇心，一位B站Up主自己动手焊了个CPU
　　在B站当UP主，门槛是出了名的高。
　　有人会用AI还原朱元璋，有人能造自动驾驶自行车，还有人会手搓CPU
　　从外形来看，这个CPU采用了先进的3D堆叠技术（手动狗头），全部由三极管、二极管和电阻焊接而成。
　　具体来说，UP主林乃卫大约用了1000多个三极管、2000多个二极管和2000多个电阻，焊点达到上万个，网购材料大约花了1000多块钱。
　　为了打造这款CPU，UP主花了大半年的时间逐点焊接，人送外号焊武帝。
　　由于其体型巨大，网友开玩笑说，这是当年的巨型计算机啊。连作者本人也调侃说，它的制程是2。54mm，比先进的3纳米大了将近1百万倍。
　　不过，比外形更古朴的是UP主的编程方式：由于指令集和架构都是自主开发的，还没有适配任何编程语言，因此他选择采用二进制编程，也就是原始的机器语言0和1。
　　这个庞然大物运行起来的效果也很炫酷：
　　UP主用自制CPU运行流水灯效果，即让小灯挨个亮起来。
　　有人说，我看不懂也没怎么震撼，但这就是我小时候想象中的科学家，稀奇古怪的仪器和五颜六色的灯泡，拿各种五颜六色的液体互相勾兑，然后产生各类超强的氧化反应。
　　我们知道，要自制这么一个CPU，除了熟练掌握数电、模电、汇编等基础知识，还要具备超强的动手能力和毅力。其过程之艰辛普通人可能难以体会。那么，林同学为什么要费这么大工夫去做呢？
　　在写代码时要分析可执行文件中的二进制，那时候在想，CPU是怎么执行这一串0101的呢？结合数电课程，猜测大概是那么回事，就想试一试。当初想用门级电路来做的，但是感觉难度不是很高，想整个从零开始理解透，就从最基础的模拟电路开始搭建了。林同学告诉机器之心。
　　当然，当UP主只是林同学的爱好之一，他的本职工作是php。net安卓APP程序员。他表示自己喜欢学习各种新科技，对高难度的技术有较强的动力去学习，有许多新奇的创意，却没资金去实现。在这次B站大火之后，希望林同学能有更多的资金去实现自己的创意。
　　一位B站UP主的手搓CPU之路
　　虽然打造这款CPU只用了半年，但林同学透露，它的原理图几年前就画好了，大概是这样：
　　图源：https：tieba。baidu。comp7432882849？seelz1
　　画完图，Up主首先验证了门电路。这一步属于理论验证，是必要的步骤。
　　图源：https：tieba。baidu。comp7432882849？seelz1140122397516l
　　做好验证之后，手搓的部分就正式开始了。CPU通常由通用寄存器组、运算器、控制器和数据通路等部件组成。Up主首先就从寄存器做起。
　　他先造了一个移位寄存器一种在若干相同时间脉冲下工作的以触发器级联为基础的器件，用Up主的话说就是数据从一个方向进，一个时钟周期移动一个位置，最后从另一个方向出。最终Up主的成品是6位的移位寄存器：
　　有网友提问：为什么移位寄存器不用现成的芯片？Up主表示为了乐趣。
　　图源：https：tieba。baidu。comp7432882849？seelz1140122397516l
　　接着，Up主手搓的第二个CPU部件是程序计数器（PC）。PC是控制器的一部分，涉及的功能较多，也是手搓阶段最复杂的一个模块。CPU重启时要将它的计数清零，工作状态下要借助PC实现挨个字节读取指令和数据，每操作一次，计数自动加一，同时还要实现直接跳转、调用函数，函数返回的功能，因此PC的构建过程比移位寄存器要复杂和困难得多。
　　尤其是Up主采用纯手搓焊接的过程也会遇到一些虚焊的麻烦，找出问题并解决花费了Up主大量时间和精力。其中有一次一个二极管焊反了，Up主排查了3天。
　　不过，最后的成品很优秀，上电测试也成功通过：
　　CPU中还有两个关键的部分ROM和RAM，不过这两个部分手搓不太现实，Up主选择用hm628512来组装ROM和RAM。
　　然后Up主开始构建指令译码器，用来解析CPU指令以运行，它也是控制器的一部分。
　　最后还有两个要组装的部件：运算器（ALU）和通用缓存。
　　至此，CPU中寄存器、控制器、运算器等主要部件已经完备，一个手工焊接的CPU就基本做成了！
　　搓出来了，怎么运行？
　　由于这个CPU是Up主自己手搓的，全部是由二级管、三极管和电阻焊接而成，因此没有现成的指令集和编程语言能够使用。那这样的CPU怎么跑起来？回归最原始的二进制吧。
　　二进制在计算机工作机制中属于最底层的基础原理，对于计算机专业的同学来说并不陌生，但用二进制直接编程就不是所有人都能掌握的技能了。UP主正是借助二进制编程让手搓的CPU跑了起来。
　　有了二进制码，怎么输入机器？Up主自己上手扣代码，真手敲代码。目前有三条指令，包括内存赋值指令、内存地址左移指令和跳转指令。Up主编写了一个流水灯的程序，用于测试。
　　这下指令也输入了，CPU能跑出结果吗？
　　出现了一些小问题，流水灯有时不能正常亮起。别担心，有bug是常有的事，那debug一下吧。
　　Up主很快就找到了bug，是有个地方断开了。修复之后为了让运行效果更明显，Up主又重新写了一遍二进制代码，将CPU调整为跳转到0X00FF处运行。
　　再手扣一遍程序，结果是运行成功，流水灯正常亮起，完全没有问题。
　　组件完整，能运行程序，这个爆肝的手搓项目终于大功告成。
　　网友留言道：冯诺依曼大呼内行。
　　在完成这个CPU的基础原型之后，林同学下一步打算继续完善它的功能，让它可以运行更加复杂的程序。
　　参考链接：
　　https：www。bilibili。comvideoBV1sy4y1j7Ue？fromsearchseid2585687743248627133
　　https：tieba。baidu。comp7432882849？seelz1
　　https：mp。weixin。qq。comscUq8AXCkJ1EQTXSkBPYLmw