面包芯语

手搓一个16位RISC架构CPU

strongerHuang 2023-12-27 08:20
低价玩转泰克信号发生器PF1440 泰克年终盛典
关注+星标公众号，不错过精彩内容
来源 | DF创客社区
版权所属 | spudfishScott
今天给大家分享一个耗时又有趣的项目：手搓一个16位RISC架构CPU。
项目的起因是，作者在学习了MITx的 "计算结构 "课程后，发现好像自己做一个CPU也没那么难。

在掌握了电子学的初级知识和课程中介绍的概念之后，就开始设计想要做一个基于NMOS逻辑的RISC CPU。
课程中介绍的是Beta CPU——有一个负载存储，32位RISC架构。
为了节省空间、晶体管，少掉一点头发，作者决定把自己的这个CPU减少到16位。
注：MITx的"Computation Structures"官网中对这门课的描述是This course introduces architecture of digital systems, emphasizing structural principles common to a wide range of technologies.
相当于我们国内的数字电路以及计算机组成原理的课程。
B站有UP主做搬运，有兴趣的可以看一下：【MIT公开课】6.004 计算结构 · 2019年春（完结·中英字幕·机翻）[1]
课程原文链接：Computation Structures[2]
如果把它安装在墙上，它将占据一整面墙。


为了让整个计算机看起来更复古，输入输出部分，作者专门搬出来自己壁橱里的一个旧的Apple II Plus来处理。
注：Apple II Plus 发布日期 1979年6月，已经是40多年前的事了……


作者用钉板、原型板、2N7000晶体管、电阻（主要是SIP和一些分立器件）、LED、一些HP-5082显示芯片、一些电致发光线和许多可爱的彩色跳线来构建这么一款CPU。


作者给整个计算机起名为——Spikeputer，目标是它能够执行简单的程序，并且能够让计算过程可视化。
下面是作者提供的一段介绍：
Spikeputor将会是一台功能齐全的计算机，它的CPU完全由NMOS逻辑制成，使用约5000个MOSFET（2N7000）、电阻和LED来显示逻辑。
HP-5082-7340 Hex显示芯片将被战略性地加入来显示主要CPU组件输出的数字内容，尽管如果你阅读二进制，LED将提供同样的信息。
利用电致发光线来可视化主要部件之间的逻辑路径。
CPU的时钟频率将可以从最大速度（预测为数万赫兹范围）下调至单步。(补充：GHz=千兆赫）
由于制作Spikeputor的主要驱动力是让它能够可视化计算过程，所以速度并不是最重要的，虽然还是会采取一些步骤（例如时钟树）来提高计算机的整体性能。



Spikeputor CPU的设计特点和主要部件

  • 16位的地址空间
  • 寄存器内存：七个16位寄存器，加上1个硬编码为0的寄存器。
  • 多功能ALU
    • 加法和减法，支持负数补码
    • 比较（等于、小于、小于或等于）
    • 布尔逻辑（AND, OR, XOR, Identity）
    • 移位运算
  • 用简单的逻辑门实现的控制逻辑（没有微代码或ROM）
  • 用于程序计数器、指令、常数、CPU阶段和一些必要的状态标志的附加寄存器
  • 单字操作码用于寄存器之间的操作
  • 寄存器和16位常数之间操作的双字操作码
    • ALU功能（见上文）
    • 内存功能：加载、相对于PC的加载和存储
    • 有条件（BEQ, BNE）和无条件的分支，带分支点存储
  • IRQ和RESET处理（包括自动使用寄存器R6作为异常指针）
  • 所有I/O的直接内存访问（DMA）。

内存

为了能够执行更多琐碎的程序，Spikeputor CPU将与高速静态存储器RAM（2 x 32K AS6C62256）和ROM（2 x 32K AT27C256R）芯片连接。此外，还会创建一个镜像的只写 "屏幕存储器"，也是由（大约5000个）晶体管制成，提供一个48乘18的可寻址LED阵列。存储器地址将被限制在字的边界内。试图寻址奇数的存储器位置会返回相应的偶数的16位字。由于没有任何16K的SRAM和ROM芯片可用，我使用了32K的芯片，并会设计一个内存系统，从RAM和ROM中选择16K的库进行读取操作。完整的32K字（64kbytes）的RAM可以在任何时候被写入。

输入/输出

I/O功能作者用1986年的Apple II Plus计算机上运行的定制软件和硬件来实现。作为项目的一部分，作者还设计了一个名为BIAS（连接苹果和Spikeputor的板卡）的自定义外设卡，以及苹果上的软件，来提供键盘输入、屏幕输出和长期数据存储和检索。I/O控制器将直接访问Spikeputor内存，并在所有读写操作中停止Spikeputor CPU。
还实现了16位通用输入和输出信号，镜像到固定的高内存位置。

结构

整个Spikeputor被组装在一系列的无焊接面包板上。每个主要部件（ALU、寄存器存储器、控制逻辑/程序计数器/状态寄存器和屏幕存储器）被布置在一个10.16cm×5.08cm的钉板上。每个钉板可以包含一个9×6的阵列（54）的面包板，并根据需要为一些小的电路留出一些空间。四块挂板中的每一块都被安装在墙上，在安装的下方有空间放Apple II Plus的桌子。

电源

电力需求在25w左右。Spikeputor使用+5V电源，由一组8端口的USB电源提供（每块钉板一个），非常方便。电致发光线的电源是单独的(额外5w)。
欣赏一下图片和视频：
简单的小游戏：
斐波那契数列计算：
计算圆周率：

参考资料

[1]MIT公开课: 
https://www.bilibili.com/video/av86045726/
[2]Computation Structures: https://ocw.mit.edu/courses/6-004-computation-structures-spring-2017/
原文链接：https://hackaday.io/project/162814-the-spikeputor
声明：本文素材来源网络，版权归原作者所有。如涉及作品版权问题，请与我联系删除。

------------ END ------------



●专栏《嵌入式工具》

●专栏《嵌入式开发》

●专栏《Keil教程》

●嵌入式专栏精选教程


关注公众号回复“加群”按规则加入技术交流群，回复“1024”查看更多内容。




点击“阅读原文”查看更多分享。

登录阅读全文
免责声明： 该内容由专栏作者授权发布或作者转载，目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点，本站亦不保证或承诺内容真实性等。若内容或图片侵犯您的权益，请及时联系本站删除。侵权投诉联系：  nick.zong@aspencore.com！
strongerHuang 作者黄工，高级嵌入式软件工程师，分享嵌入式软硬件、物联网、单片机、开发工具、电子等内容。
评论
  • HALT高加速寿命试验：快速揭露产品设计缺陷的极限测试推进器
    在强调可移植性(portable)的年代，人称「二合一笔电」的平板笔电便成为许多消费者趋之若鹜的3C产品。说到平板笔电，不论是其双向连接设计，面板与键盘底座可分离的独特功能，再加上兼具笔电模式、平板模式、翻转模式及帐篷模式等多种使用方式，让使用者在不同的使用情境下都能随意调整，轻巧灵活的便利性也为多数消费者提供了绝佳的使用体验。然而也正是这样的独特设计，潜藏着传统笔电供货商在产品设计上容易忽视的潜在风险。平板笔电Surface Pro 7+ 的各种使用模式。图片出处：Microsoft Comm
    百佳泰测试实验室 2024-12-19 17:40 181浏览
  • 为什么光耦固态继电器（SSR）值得关注？
    光耦固态继电器（SSR）作为现代电子控制系统中不可或缺的关键组件，正逐步取代传统机械继电器。通过利用光耦合技术，SSR不仅能够提供更高的可靠性，还能适应更加复杂和严苛的应用环境。在本文中，我们将深入探讨光耦固态继电器的工作原理、优势、挑战以及未来发展趋势。光耦固态继电器：如何工作并打破传统继电器的局限？光耦固态继电器通过光电隔离技术，实现输入信号与负载之间的电气隔离。其工作原理包括三个关键步骤：光激活：LED接收输入电流并发出与其成比例的光信号。光传输：光电传感器（如光电二极管或光电晶体管）接收
    腾恩科技-彭工 2024-12-20 16:30 55浏览
  • 百佳泰整理2024年12月各大规格更新快报
    百佳泰特为您整理2024年12月各大Logo的最新规格信息。——————————USB▶ 百佳泰获授权进行 USB Active Cable 认证。▶ 所有符合 USB PD 3.2 标准的产品都有资格获得USB-IF 认证——————————Bluetooth®▶ Remote UPF Testing针对所有低功耗音频(LE Audio)和网格(Mesh)规范的远程互操作性测试已开放，蓝牙会员可使用该测试，这是随时测试产品的又一绝佳途径。——————————PCI Express▶ 2025年
    百佳泰测试实验室 2024-12-20 10:33 118浏览
  • 探索国产数字隔离器——测试与应用
    国产数字隔离器已成为现代电子产品中的关键部件，以增强的性能和可靠性取代了传统的光耦合器。这些隔离器广泛应用于医疗设备、汽车电子、工业自动化和其他需要强大信号隔离的领域。准确测试这些设备是确保其质量和性能的基本步骤。如何测试数字隔离器测试数字隔离器需要精度和正确的工具集来评估其在各种条件下的功能和性能。以下设备对于这项任务至关重要：示波器：用于可视化信号波形并测量时序特性，如传播延迟、上升时间和下降时间。允许验证输入输出信号的完整性。频谱分析仪：测量电磁干扰（EMI）和其他频域特性。有助于识别信号
    克里雅半导体科技 2024-12-20 16:35 71浏览
  • 【新品解读】ALINX 发布 AXVU13P：AMD Virtex UltraScale+ FPGA PCle 3.0 开发平台
    ALINX 正式发布 AMD Virtex UltraScale+ 系列 FPGA PCIe 3.0 综合开发平台 AXVU13P！这款搭载 AMD 16nm 工艺 XCVU13P 芯片的高性能开发验证平台，凭借卓越的计算能力和灵活的扩展性，专为应对复杂应用场景和高带宽需求而设计，助力技术开发者加速产品创新与部署。随着 5G、人工智能和高性能计算等领域的迅猛发展，各行业对计算能力、灵活性和高速数据传输的需求持续攀升。FPGA 凭借其高度可编程性和实时并行处理能力，已成为解决行业痛点的关
    ALINX 2024-12-20 17:44 85浏览
  • 如何证明耳机产品质量——遵循IEC/EN耳机标准规范是关键
    耳机虽看似一个简单的设备，但不仅只是听音乐功能，它已经成为日常生活和专业领域中不可或缺的一部分。从个人娱乐到专业录音，再到公共和私人通讯，耳机的使用无处不在。使用高质量的耳机不仅可以提供优良的声音体验，还能在长时间使用中保护使用者听力健康。耳机产品的质量，除了验证产品是否符合法规标准，也能透过全面性的测试和认证过程，确保耳机在各方面：从音质到耐用性，再到用户舒适度，都能达到或超越行业标准。这不仅保护了消费者的投资，也提升了该公司在整个行业的产品质量和信誉！客户面临到的各种困难一家耳机制造商想要透
    百佳泰测试实验室 2024-12-20 10:37 161浏览
  • 使用光耦合器测量电压：实用指南
    光耦合器，也称为光隔离器，是用于电气隔离和信号传输的多功能组件。其应用之一是测量电路中的电压。本文介绍了如何利用光耦合器进行电压测量，阐明了其操作和实际用途。使用光耦合器进行电压测量的工作原理使用光耦合器进行电压测量依赖于其在通过光传输信号的同时隔离输入和输出电路的能力。该过程包括：连接到电压源光耦合器连接在电压源上。输入电压施加到光耦合器的LED，LED发出的光与施加的电压成比例。光电二极管响应LED发出的光由输出侧的光电二极管或光电晶体管检测。随着LED亮度的变化，光电二极管的电阻相应减小，
    腾恩科技-彭工 2024-12-20 16:31 73浏览
  • 一文读懂光纤以太网IEEE 802.3cz-中
            在上文中，我们介绍了IEEE 802.3cz[1]协议提出背景，旨在定义一套光纤以太网在车载领域的应用标准，并介绍了XMII以及PCS子层的相关机制，在本篇中，将围绕IEEE 802.3cz-MultiGBASE-AU物理层的两个可选功能进行介绍。EEE功能        节能以太网（Energy-Efficient Ethernet）是用于在网络空闲时降低设备功耗的功能，在802.3cz的定义中，链
    经纬恒润 2024-12-19 18:47 83浏览
  • AI8051U跑马灯
    //```c #include "..\..\comm\AI8051U.h"  // 包含头文件，定义了硬件寄存器和常量 #include "stdio.h"              // 标准输入输出库 #include "intrins.h"         &n
    丙丁先生 2024-12-20 10:18 84浏览
  • 守护驾驶安全，驾驶员监控系统DMS应用解决方案
    汽车驾驶员监控系统又称DMS，是一种集中在车辆中的技术，用于实时跟踪和评估驾驶员状态及驾驶行为。随着汽车产业智能化转型，整合AI技术的DMS逐渐成为主流，AI模型通过大量数据进行持续训练，使得驾驶监控更加高效和精准。 驾驶员监测系统主要通过传感器、摄像头收集驾驶员的面部图像，定位头部姿势、人脸特征及行为特征，并通过各种异常驾驶行为检测模型运算来识别驾驶员的当前状态。如果出现任何异常驾驶行为（如疲劳，分心，抽烟，接打电话，无安全带等），将发出声音及视觉警报。此外，驾驶员的行为数据会被记录
    启扬ARM嵌入式 2024-12-20 09:14 98浏览
  • 感光交融、智领潮流， 艾迈斯欧司朗点亮智能座舱星辰大海
    汽车行业的变革正愈演愈烈，由交通工具到“第三生活空间”。业内逐渐凝聚共识：汽车的下半场在于智能化。而智能化的核心在于集成先进的传感器，以实现高等级的智能驾驶乃至自动驾驶，以及更个性、舒适、交互体验更优的智能座舱。毕马威中国《聚焦电动化下半场 智能座舱白皮书》数据指出，2026年中国智能座舱市场规模将达到2127亿元，5年复合增长率超过17%。2022年到2026年，智能座舱渗透率将从59%上升至82%。近日，在SENSOR CHINA与琻捷电子联合举办的“汽车传感系列交流会-智能传感专场”上，艾
    艾迈斯欧司朗 2024-12-20 19:45 98浏览
  • 扫地机器人能有多“眼明”？！艾迈斯欧司朗OSCONIQ® C3030联合呈现
    Supernode与艾迈斯欧司朗携手，通过Belago红外LED实现精准扫地机器人避障；得益于Belago出色的红外补光功能，使扫地机器人能够大大提升其识别物体的能力，实现精准避障；Belago点阵照明器采用迷你封装，兼容标准无铅回流工艺，适用于各种3D传感平台，包括移动设备、物联网设备和机器人。全球领先的光学解决方案供应商艾迈斯欧司朗（瑞士证券交易所股票代码：AMS）近日宣布，与国内领先的多行业三维视觉方案提供商超节点创新科技（Supernode）双方联合推出采用艾迈斯欧司朗先进Belago红
    艾迈斯欧司朗 2024-12-20 18:55 80浏览
  • 探索光耦：高速光耦在电机驱动领域的创新应用实践
    随着工业自动化和智能化的发展，电机控制系统正向更高精度、更快响应和更高稳定性的方向发展。高速光耦作为一种电气隔离与信号传输的核心器件，在现代电机控制中扮演着至关重要的角色。本文将详细介绍高速光耦在电机控制中的应用优势及其在实际工控系统中的重要性。高速光耦的基本原理及优势高速光耦是一种光电耦合器件，通过光信号传递电信号，实现输入输出端的电气隔离。这种隔离可以有效保护电路免受高压、电流浪涌等干扰。相比传统的光耦，高速光耦具备更快的响应速度，通常可以达到几百纳秒到几微秒级别的传输延迟。电气隔离：高速光
    晶台光耦 2024-12-20 10:18 144浏览
  • 《高速PCB设计经验规则应用实践》+新手的进阶最佳帮手
            不卖关子先说感受，真本书真是相见恨晚啊。字面意思，见到太晚了，我刚毕业或者刚做电子行业就应该接触到这本书的。我自己跌跌撞撞那么多年走了多少弯路，掉过多少坑，都是血泪史啊，要是提前能看到这本书很多弯路很多坑都是可以避免的，可惜这本书是今年出的，羡慕现在的年轻人能有这么丰富完善的资料可以学习，想当年我纯靠百度和论坛搜索、求助啊，连个正经师傅都没有，从软件安装到一步一布操作纯靠自己瞎摸索，然后就是搜索各种教程视频，说出来都是泪啊。  &
    DrouSherry 2024-12-19 20:00 110浏览
我要评论
0
点击右上角，分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦