面包芯语

手搓一个16位RISC架构CPU

硬件笔记本 2024-01-02 07:55
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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

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