整理 | 屠敏

　　出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

　　「都說天才和瘋子之間只有一線之隔，這話一點不假。因為你馬上要看到的這個項目，真的很難判斷它屬于哪一邊。」

　　這是一位名為Majsterkowanie i nie tylko（簡稱MINT，意為“DIY and more”） YouTuber 的自述，也是這個項目的開發(fā)者。

　　他于近日在 YouTube 上展示了一個令人瞠目結(jié)舌的項目——EPROMINT：靠著一把烙鐵、一堆老舊的存儲芯片和 8 位邏輯器件，從零打造出了一整顆處理器——是的，不是開發(fā)板，也不是微控制器，而是一顆完整的、具有指令執(zhí)行和內(nèi)存尋址能力的 CPU。

　　不僅如此，這顆自制 CPU 還成功接上了 VFD 屏幕，跑起了他親手寫的代碼，甚至可以播放低分辨率版的《黑客帝國》....

　　此外，MINT 還將整個項目的代碼在 GitHub 上開源出來：https://github.com/majsterkowanieinietylko/EPROMINT，其表示，“它花了我整整三個月的時間，無數(shù)個日夜，我手持烙鐵，敲擊鍵盤幾百個小時，只為了給自己，也給你們，開辟一條新路——一條可以走得很遠的路。”

　　瘋狂想法的誕生，源于一堆舍不得丟掉的舊芯片

　　開發(fā)這個芯片，其背后沒有一整個龐大團隊支撐，也沒有數(shù)百萬美元預(yù)算的支持，靠的只是 MINT 一個人。

　　根據(jù)MINT 在視頻中透露，之所以萌生自制處理器的想法，一切都始于一堆舊內(nèi)存芯片。

　　“我收集了很多，然后開始實驗。很快我意識到，這些看似過時的零件，其實可以拼出很酷的東西。加上一些外圍電路后，我做出了一個基于單個內(nèi)存芯片的開發(fā)板，可以執(zhí)行任意相對簡單的操作。比如控制電機轉(zhuǎn)得快一點、慢一點——這用的是所謂的 PWM，也就是通過快速切換電源開關(guān)，來調(diào)節(jié)電機的實際輸出效果；又比如在屏幕上顯示一條消息”，MINT 說道。

　　在某個實驗項目中，MINT 還基于單一內(nèi)存芯片開發(fā)了一個可編程模塊，并為其設(shè)計了簡單的編程環(huán)境。基于此，MINT 能夠更好更容易地更改程序、生成固件、寫入芯片，一套流程幾乎像在做現(xiàn)代開發(fā)。

　　正是這次體驗，讓他萌生了一個大膽的設(shè)想：如果將多個此類模塊組合，是否就能構(gòu)建出一整套運算邏輯？甚至造出一個完整的處理器？

　　作為復(fù)古電子學的愛好者，MINT決定打造一款致敬“計算機起源時代”的處理器——正是那一代的處理器，推動了計算機技術(shù)的普及。他曾親手用經(jīng)典的 Z80 處理器組裝過一臺電腦，因此對處理器架構(gòu)有著較為深入的理解。

　　在此次項目中，他選擇了一條“極簡主義”但極具挑戰(zhàn)的路線：完全摒棄現(xiàn)代集成電路，僅使用舊款內(nèi)存芯片與 8 位計算黃金時代流行的邏輯元件，嘗試以最原始的方式構(gòu)建出一顆 CPU。

　　歷時三個月，從 ALU 到完整的模塊體系

　　在設(shè)計時，MINT從最基礎(chǔ)的組件——算術(shù)邏輯單元（ALU）著手。

　　起初，他研發(fā)的第一版原型 ALU 僅支持簡單的加法運算，功能還不太穩(wěn)定，也有些簡陋。MINT 表示，“我不是在造玩具，而是要做一個完整的處理器。于是我重新設(shè)計了一個更強大的ALU”，于是，其舍棄了這一版重新進行了開發(fā)。

　　隨后，MINT重新設(shè)計了插槽式結(jié)構(gòu)的 ALU。

　　接下來的工作是重復(fù)的體力活：設(shè)計電路布局、插座焊接、走線、電容、電源、電線，一次次調(diào)試。「每一個模塊都花了我好幾天時間，但這很值得——我可以隨時修改，避免后期返工。」

　　新的版本不僅更強大，也為后續(xù)功能擴展打下了基礎(chǔ)。

　　在 ALU 的基礎(chǔ)上，MINT 又陸續(xù)實現(xiàn)了三個核心模塊：

　　內(nèi)存控制模塊：用于數(shù)據(jù)存儲和地址尋址。通過手動將 ALU 輸出寫入特定地址，并設(shè)計地址控制邏輯，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的讀寫流程。

　　IO 接口與程序存儲模塊：為處理器提供與外部交互的能力，程序指令也儲存在這一區(qū)域。處理器可執(zhí)行指令如“讀取地址 A 和 B 的值并相加，存入 C”。

　　控制模塊（指令調(diào)度中心）：負責從程序存儲器讀取指令，并協(xié)調(diào) ALU、內(nèi)存和 IO 的運行。

　　組裝完成后，這個處理器的總重超過 500 克。

　　不過，光有硬件還不夠，這里還得有定義它的指令集，也就是處理器能執(zhí)行哪些操作。

　　MINT 指出，這些指令看起來簡單，比如“把內(nèi)存地址 X 的值讀到寄存器 A”，但實現(xiàn)起來卻涉及內(nèi)存控制、地址解碼、寄存器寫入等多個步驟。

　　于是，他給每條指令分配了一個操作碼（opcode），控制模塊就根據(jù)這個碼來決定電路該怎么工作。整個流程復(fù)雜但清晰。

　　此外，MINT 表示，「ALU 也不只支持加減，甚至可以做乘法、除法、對數(shù)、三角函數(shù)等。這是我刻意擴展的功能——畢竟 Z80 沒有這些。我一邊測試一邊優(yōu)化，有時會刪掉原本的設(shè)計，加入更好的思路。」

　　最終經(jīng)過設(shè)計，MINT 為處理器手寫了超過 1800 行匯編代碼，總計約為 120KB，覆蓋從數(shù)學函數(shù)到邏輯位運算等豐富功能。

　　當然，這個過程中也有不少 bug。有些 bug 的解決方式甚至有點像“電子版現(xiàn)代藝術(shù)”。為了調(diào)試這些程序，MINT 還打印了整套紙質(zhì)文檔。紙質(zhì)的優(yōu)點是可隨時翻閱、便于標注、無需依賴設(shè)備，非常適合在復(fù)雜系統(tǒng)調(diào)試中使用。

　　中斷系統(tǒng)、函數(shù)調(diào)用與堆棧支持：一步步接近“真實CPU”

　　到了這一步，CPU 已經(jīng)基本成型。接下來，MINT 著手寫了以第一個正式程序用以測試——讓處理器不斷閃爍一個LED，并在接收到中斷時點亮另一個LED。

　　這就引出了另一個關(guān)鍵話題——中斷機制。

　　處理器通常一條一條地順序執(zhí)行指令，但有時候我們希望它能對某些外部事件（比如按鈕按下）立刻響應(yīng)。這就需要中斷。

　　在架構(gòu)設(shè)計方面，EPROMINT 實現(xiàn)了完整的中斷處理邏輯。當外部事件觸發(fā)中斷時，處理器會將當前的程序計數(shù)器（PC）壓入堆棧，跳轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序；執(zhí)行完畢后，再從堆棧中恢復(fù) PC，繼續(xù)原本的程序流程。這一機制使得它能夠即時響應(yīng)按鈕等外部輸入，具備了現(xiàn)代處理器的基本交互能力。

　　除了基礎(chǔ)指令，MINT 還為處理器編寫了一系列復(fù)雜程序。例如，將數(shù)字結(jié)果顯示在 LCD 屏幕上，或?qū)?shù)字轉(zhuǎn)換為 ASCII 字符串，再輸出到高分辨率的 VFD 顯示屏。這一過程涉及手動實現(xiàn)除法運算、堆棧操作以及字符編碼轉(zhuǎn)換，全部以匯編語言完成。

　　在一次測試中，他甚至挑戰(zhàn)處理 256 位長度的大整數(shù)。實驗中，他讓處理器嘗試對一個由 Chat 工具生成的 100 位十進制數(shù)執(zhí)行除法計算，結(jié)果系統(tǒng)崩潰。為了查明問題，他利用掉電不丟失數(shù)據(jù)的 RAM 保存下內(nèi)存內(nèi)容，逐條追蹤、排查邏輯，最終找出故障根源。

　　更令人驚訝的是，EPROMINT 這個項目不僅能跑代碼，還能播放視頻。

　　MINT 手動實現(xiàn)了一個用于精確控制幀率的除法循環(huán)，使其能穩(wěn)定輸出 24 幀/秒的視頻信號。在接入高分辨率 VFD 顯示屏后，他還播放了一段《黑客帝國》的片段——雖然是極簡像素風，但效果完整，令人震撼。

開源與后續(xù)計劃：為它寫一個 C 編譯器

　　EPROMINT 目前已完全開源。所有電路圖、固件、設(shè)計文檔和指令集說明均可在 GitHub（https://github.com/majsterkowanieinietylko/EPROMINT）和 Google Drive（https://drive.google.com/drive/folders/11-RFmGcRUevfkHXVt-ET09YOgsZoN3Ui）上獲取。

　　MINT 表示，下一階段計劃為其開發(fā)一個 C 語言編譯器，讓更多人能夠用高級語言為這顆自制處理器編寫程序。

　　他希望通過這一項目，讓人們重新理解處理器的本質(zhì)。我們每天使用的手機、電腦、智能設(shè)備，其實都是在運行類似的底層邏輯。只不過，在當代技術(shù)高度集成的背景下，這些復(fù)雜性被完美隱藏了。

　　“這個項目讓我重新敬畏這些基本構(gòu)件的力量，也希望能讓更多人看到：不用現(xiàn)代 IC，不用現(xiàn)成平臺，只要理解和努力，計算機依然可以被從零‘拼’出來。”

　　EPROMINT 發(fā)布后，立即引發(fā)社區(qū)熱議。不少網(wǎng)友評論道：

　　“太棒了！終于不用 Arduino 或樹莓派，這一切完全建立在老式芯片之上。”

　　“這才是 DIY 精神的極致。”

　　也有人打趣說：“我們需要這個人去負責 Intel 的 18A 工藝。”

　　不可否認，EPROMINT 并不以實用性取勝，它的運行速度、集成度甚至功耗表現(xiàn)都無法與現(xiàn)代芯片相提并論。但正是這樣一個由舊零件拼接而成、用匯編驅(qū)動計算的“復(fù)古處理器”，卻以一種極具個人風格的方式，重新演示了“計算”這一概念的本質(zhì)。

　　而這場實驗的發(fā)起者，只是一個手持電烙鐵、熱愛動手的普通創(chuàng)作者。不得不說，高手，往往就在民間。

　　參考：

　　https://www.youtube.com/watch?v=xBB1nAUvuqU

　　https://www.tomshardware.com/pc-components/cpus/passionate-enthusiast-builds-a-fully-functional-processor-out-of-old-memory-chips-hand-solders-every-wire-writes-1800-lines-of-assembler-code-and-makes-it-play-the-matrix-on-a-vfd-display-comments-3883038