强！用集成电路手工打造CPU

AWEN2000 · 发表于 2006-10-17 22:36:30

在如今越来越靠程序化、流水线作业来完成生产的制造业中，想找一件手工打造的产品，真是越来越难了。

好在当今社会中，还是有一些强人在孜孜不倦的在完成着心中的“完美DIY”梦想。因此也使我们多了一些大开眼界、崇拜和向慕的机会。

Magic-1是一个名叫Bill Buzbee的家伙手工打造的CPU，也是基于这个CPU制造的计算机的名字。“制作Magic-1的念头是在一次午餐中冒出来的”，Buzbee说。Buzbee是一位编译器作者，但他为自己不熟悉CPU的实际工作而感到郁闷，因此想到动手来亲自作一个CPU。Buzbee在大学时候没有学过任何电子类的课程，而且对于晶体管、电阻、电容等也只是一知半解。他的朋友Ken想到有一本老杂志曾经介绍过如何使用TTL集成电路来制作极其简单的CPU，并推荐他去看一看。一周后，Buzbee找到了这些文章，并全部读了一遍。然后在下一次午餐上，Buzbee对Ken说起决定自己打造一个CPU，Ken说：为什么不呢？于是，Bill Buzbee的Magic-1项目拉开了序幕——

2001年12月6日 Buzbee开始写项目日志，并为自己制定了一张艰难但还算乐观的日程表

2001年12月18日完成错误处理和中断机制的基本设计

2001年12月29日完成微代码的第一轮设计

2002年1月6日完成了Magic-1模拟器，可以对调用/返回指令序列进行跟踪

2002年1月8日模拟了Fibonacci函数，并丰富了软件接口约定

2002年1月13日 Magic-1汇编器（qas）成形

2002年1月18日决定是选择大尾数法还是小尾数法表示整数的字节顺序，最终选择了大尾数法

2002年2月28日在模拟器中完成了页面错误机制

2002年3月9日决定使用普通电线来进行连线

2002年6月3日对指令集架构进行了意义重大的改变

2002年6月4日用C语言编写了Fabonacci程序并编译为Magic汇编程序

2002年6月22日改用分立的数据和代码地址空间

2002年6月25日设计用于多进程的上下文环境切换

2002年7月12日完成对微代码的重写工作

2002年8月13日放弃对rotate指令的支持

2002年9月11日上了Gil Smith的一堂电子电路课程

2002年9月22日从eBay上买了板材和外壳

2002年的其他日子向Ken Sumrall请教如何使用寄存器，从他那里学到了Ohm规则

2003年3月30日从Jhon Doran的D16/M中得到了灵感，完成了ALU/寄存器板的架构

2003年4月13日完成控制板的架构

2003年4月14日思考前面板的架构

2003年5月3日第一轮架构设计完毕

2003年5月6日将构建环境从Linux一直到Windows

2003年5月16日构思新的Magic-1模拟器

2003年5月27日在新的模拟器上成功运行了Fibonacci程序

2003年6月3日完成了新的汇编器功能

2003年6月21日 Magic架构验证和测试用例达到了100%覆盖率

2003年6月23日 Alistair Roe通过email提出了Magic-1外壳的构想

2003年8月3日将LCC（C编译器）一直到了Magic上

2003年8月10日在模拟器上成功地实现了Fibonacci程序的C语言版本（这一天是Buzbee的生日）

2003年8月27日从David Conroy那里学到了信号完整性

2003年9月18日决定使用普通的带皮电线进行连接（奇怪，前面已经决定一次了）

2004年1月3日完成了全部的设计工作，开始制作

2004年1月18日 Magic-1有了第一次心跳

2004年1月26日前面板完成

2004年2月9日内存板完成

2004年2月20日 EPROM子板完成

2004年2月26日设备板完成

2004年3月7日微代码序列成功运转

2004年3月9日执行了第一条指令

2004年3月19日控制板完成

2004年4月8日尝试发布前期的工作

2004年4月12日 ALU/寄存器板完成；同日被告知，发布尝试失败

2004年4月13日 Magic-1成功运行了Fibonacci程序！

2004年4月25日 Dave Conroy的测试会话发现了不真实的内存碎片

2004年5月3日 Magic-1能“说话”了

2004年5月8日运行“Sieve of Erasthones”基准

2004年5月16日完成了IDE接口，Alistair Roe完成了外壳设计

2004年7月23日发布基本架构

2004年9月12日用户模式程序可以工作

2004年9月15日运行“Dhrystone”基准

2004年9月22日使用copy-on-write实现了fork()

2004年10月23日 Magic-1的Dhrystone得分达到了384（0.25MIPS）

2004年10月31日运行Colossal Cave Adventure

2005年4月9日 Alistair Roe设计的外壳到货

2005年5月13日 Magic-1的硬件设计完毕

学过数字逻辑和数字电路的朋友一定知道，通过使用TTL门电路，的确是能够实现一个CPU的；笔者在大学时也曾在软件上使用74系列芯片模拟过功能非常简单的CPU。然而，Buzbee朋友搞得这个家伙却是一个功能完全的CPU，我不知该如何形容它的功能，我本想说“麻雀虽小，五脏俱全”，但是……

这款“家酿”CPU可以支持完整的硬件地址转换、内存影射IO和DMA，并且支持多进程，主频“高达”3MHz；该CPU采用8位地址总线，每个进程拥有128K地址空间，其中包括32个2K的数据页和32个2K的代码页，这些地址影射到22位的物理地址空间中，如果算上外部设备的地址空间就是23位物理地址空间。

怎么样？够强的吧？这还不算什么，这个Buzbee还用这个CPU组装了一台微型计算机，名字就叫Magic-1，这台计算机包括两个串口和一块20M的1.3吋硬盘和另一块30M硬盘。最让人“乍舌”的事，这位朋友还将这台计算机做为一个Web服务器，同时支持Telnet会话（虽然只支持一个会话）。哦，还有，为了让这个系统能够跑起来，Buzbee还为它准备了一个C编译器！

ALU/寄存器板的元件面

ALU/寄存器板的连线面

watercat · 发表于 2006-10-17 22:44:26

虽然这DIY精神真的值得景仰下，但个人认为，学CPU，还是直接用FPGA模拟比较好……

PS:最近的那些两百多块钱的中高档FPGA，用来模拟标准i386是丝毫不成问题的……同时VHDL程序还可以很轻易的转化成标准的TTL电路图……真要搞DIY也没必要排斥现代科技成果么……

fetish · 发表于 2006-10-17 22:46:34

现在的FPGA是够便宜的了，可EEPROM一点都不便宜。18V02什么价钱？

avr-qq · 发表于 2006-10-17 22:49:42

哈，什么时候有空，搞几个真空管来试试看。

hackerboygn · 发表于 2006-10-17 22:53:35

他还开了个单线程的Telnet，我上去过，还有点小游戏，比较有意思~~~

zhanying · 发表于 2006-10-17 23:17:24

真空管搞的话你一开机恐怕要跳闸的！

oberst · 发表于 2006-10-17 23:47:07

佩服老外的专业精神,也羡慕老外有那么多的空闲时间可以做自己喜欢的事情

armok · 发表于 2006-10-18 00:22:22

留意一下这张图：

使用的就是我们邮购部供应的 wire-wrapping 线。不过我们目前只是建议会员用作焊线，它的真正用途叫“柯机线”(即OK线)。

那位在使用这种方法连线？长时间工作可靠吗？

Tomcat · 发表于 2006-10-18 00:27:38

景仰！这个也是兄弟我上大学时候的理想！当时想用74系列搭个4位的CPU，只是当时囊中羞涩买不起那么多74。

用74搭一个和用FPGA做一个那感觉是完全不一样的，只有酷爱DIY的兄弟才会理解，就像爬山和坐缆车上山的区别。

dellric · 发表于 2006-10-18 00:29:00

佩服啊，老外真是够厉害，这种执着的精神让我们佩服得五体投地。我在2003年的时候也做个一个CPU，名字是RIVER-C0,不过是用在地形跟踪上的。CPU的性能比这个老外的好多了可以运行到160MIPS，48位的ALU，累加器64位，总线采用24位。工艺是1.8um，发热量巨大，可以用来煎鸡蛋。支持4条流水线，支持3层神经网络节点硬件运算，不是冯诺依曼也不是哈佛结构，是我们自己的CPU，不过现在看来更像DSP。

-----此内容被dellric于2006-10-18,00:34:32编辑过

hackerboygn · 发表于 2006-10-18 00:31:14

那么多的线够打双袜子了，哈哈哈哈~~

M128 · 发表于 2006-10-18 00:34:51

俺也想用 Xilinx 的 XC3S1000 实现M8的功能，不知有没有毅力做下来。

fetish · 发表于 2006-10-18 00:44:31

这叫绕接，非常可靠，可靠性高于焊接，接触电阻远远低于焊接。美国60~70年代军用计算机绝大多数是采用这种连接方法。但是对绕线柱的尺寸和绕接线的硬度都有要求，这个肯定不是所谓的OK线，是单股硬线。

网上有AVR的Cores，到opencores.org看看。

supersai · 发表于 2006-10-18 01:28:27

这种接线的方法我在早期日本产(可能是50-60年代)的功放机里见过,当时折这些线的时侯费了很大劲,绕的很紧.是不是OK线就不知道,线径有1MM,线的材质是多股线然后不知道镀了什么东西像锡但又不是.我在阿莫那买的OK线是单股硬线.

armok · 发表于 2006-10-18 07:02:51

【13楼】 fetish : 应该就是OK线，就是我们邮购部供应的那种。是单股硬线。

迟些采购一些工具试一下效果。

另：我也是在日本旧功放里看到这种绕线方法。一般是用于大功率并且发热量大的场合，应该比焊锡可靠得多。

shihaidong · 发表于 2006-10-18 07:48:56

有与这种OK线配合的面包(实验)板码?

yyccaa · 发表于 2006-10-18 10:43:02

具体怎么用？似乎还要什么绕线柱、绕线枪之类的。是不是绕好后有塑料套管的？

gaocn · 发表于 2006-10-18 15:42:21

断通测试仪的模板连线就是用这种方法，需要绕线枪，上千元一把。

jzyy · 发表于 2006-10-18 18:20:07

armok · 发表于 2006-10-18 18:32:25

谢谢【19楼】 jzyy 金忠阳的资料，真的非常有用，解决了我一直以来的一些疑问。

liulwn · 发表于 2006-10-18 19:08:40

以前在日本产的录像机里见过这种接线方法，一直不明白为什么不焊接，要用绕线法来接，原来还有这么多学问。

morris · 发表于 2006-10-18 19:14:25

上傳個80年代未期做的古董 :)

手工的繞線筆，當時大約一佰元一枝。

從來不用擔心繞線的可靠性。

avrDIY_44 · 发表于 2006-10-18 22:24:55

以前在电话交换机房做过，这种绕线器我有一套。

fetish · 发表于 2006-10-18 23:19:27

但是绕线还是基本上被淘汰了，原因很简单，太占用人力，成本太高。

morris · 发表于 2006-10-19 01:54:01

線繞是十分容易方便的事情，被淘汰的原因除了人力、成本外，相信主要是由於器件的密度增大，100mil 的間距不再是主流。

另外就是速度問題。當時的板子繞得好像老外那CPU般齊整，頂多跑到20MHz的時鐘，也不穩定。於是嘗試繞得如上圖般亂七八糟，期望減低串音，提高執行速度，試了很久，還是失敗。最後用6層PCB，跑33MHz一點問題也沒有。

armok · 发表于 2006-10-19 02:39:52

绕线只能用人工方法，不能用现代的焊接机器方法。所以效率太低。

不过大电流高要求的场合，它还是有地位的，不能说是被淘汰。

迟些我们邮购部将供应价格合理的绕线设备。

watercat · 发表于 2006-10-19 06:14:13

……大约啥时候？

armok · 发表于 2006-10-21 17:27:02

已经采购到了。

电动的非常贵，要3500元并且要订货。

手工的不错，是美国最出名的品牌“OK”牌。(这种线也叫OK线)。台湾制造的。

首批优惠价是135元，我们会尽快将这个产品做出系统内。

olin · 发表于 2006-10-21 18:16:23

看过电信淘汰的绕线器（俗称打线抢），就是一个小电转，转头时空心的。国产的，应该价格不贵。搬家时丢了，不然就上个图了

radiochina · 发表于 2006-10-21 19:57:13

盼星星盼月亮，盼得深山出太阳。阿莫终于有了手工绕线器了。一但亮相，偶首先要一个。

armok · 发表于 2006-10-21 20:34:07

【31楼】 olin ,

手工的更简单，如果要按材料成本算，估计2元就做出来了。

（不过，劳力士表的成本如果只按材料计算，国产的做出来估计也不会超过20元　:)

abcdezh · 发表于 2007-12-25 10:44:55

wscsyyych · 发表于 2010-4-13 19:53:16

非常好的帖子，先标记一下！

zqd311107 · 发表于 2010-4-13 21:34:24

欢迎访问我的豆丁网主页

zhg_wx · 发表于 2010-4-14 00:02:09

敬佩

babywolf · 发表于 2010-4-14 01:08:41

楼主的名字跟我一个老师很像，他一般喜欢叫Arwen

linghu2 · 发表于 2011-5-2 01:32:38

真厉害,佩服

hu7215 · 发表于 2011-5-2 09:01:04

景仰

CC_sama · 发表于 2011-5-2 17:24:46

很羡慕这种自由追求的生活
他不用挣钱养家吗

aliu · 发表于 2011-5-3 15:30:55

回复【27楼】armok 阿莫
绕线只能用人工方法，不能用现代的焊接机器方法。所以效率太低。
不过大电流高要求的场合，它还是有地位的，不能说是被淘汰。
迟些我们邮购部将供应价格合理的绕线设备。
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现在在一些ICT上依旧使用这种绕线的方法，

有的时候接触点没有办法使用设备焊接，如果用人工焊接，很慢！

那个绕线是使用一个工具，吧线套进去，一转工具，就绕好了！

在一些大功率的设备上，焊锡能承受的温度是230以下，使用用焊锡焊接不可行了，

一般使用是这样的绕线，或者用螺丝打住，还有的是直接用硬钎料焊住

imjacob · 发表于 2011-5-3 18:54:49

真是强

不进则退 · 发表于 2014-1-21 13:28:05

学习了。

Rayne_Hwang · 发表于 2014-1-22 18:48:45

“然后在下一次午餐上，Buzbee对Ken说起决定自己打造一个CPU，Ken说：为什么不呢？于是，Bill Buzbee的Magic-1项目拉开了序幕”
中国人和美国人的区别就是，如果美国人说要做一个cpu，他的朋友会说为什么不呢，而如果一个中国人说要做一个cpu，他的朋友会说你脑子坏掉了吧。

奮闘ing · 发表于 2014-1-22 22:19:34

敢于尝试，好样的！我在想，我的梦呢？

laokeiwang · 发表于 2014-1-22 23:29:09

只有这样才能做出近似无厘头的东西来，创造往往就是在这样的人中产生的，国内的环境以及教育体制告诉我们，在国内很难这么样去折腾，说实话，喜欢折腾的人，是有能力的人，我很佩服那些喜欢折腾的人，说不定哪天一个不经意的DIY就创造了一个新的实用的产品

强！用集成电路手工打造CPU

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