手搓一個16位RISC架構(gòu)CPU

作者：時間：2025-04-07 來源：硬件筆記本

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今天給大家分享一個耗時又有趣的項目：手搓一個16位RISC架構(gòu)CPU。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/202504/469071.htm

項目的起因是，作者在學(xué)習(xí)了MITx的 "計算結(jié)構(gòu) "課程后，發(fā)現(xiàn)好像自己做一個CPU也沒那么難。

在掌握了電子學(xué)的初級知識和課程中介紹的概念之后，就開始設(shè)計想要做一個基于NMOS邏輯的RISC CPU。

課程中介紹的是Beta CPU——有一個負載存儲，32位RISC架構(gòu)。

為了節(jié)省空間、晶體管，少掉一點頭發(fā)，作者決定把自己的這個CPU減少到16位。

注：MITx的"Computation Structures"官網(wǎng)中對這門課的描述是This course introduces architecture of digital systems, emphasizing structural principles common to a wide range of technologies.

相當(dāng)于我們國內(nèi)的數(shù)字電路以及計算機組成原理的課程。

B站有UP主做搬運，有興趣的可以看一下：【MIT公開課】6.004 計算結(jié)構(gòu) · 2019年春（完結(jié)·中英字幕·機翻）[1]

課程原文鏈接：Computation Structures[2]

如果把它安裝在墻上，它將占據(jù)一整面墻。

為了讓整個計算機看起來更復(fù)古，輸入輸出部分，作者專門搬出來自己壁櫥里的一個舊的Apple II Plus來處理。

注：Apple II Plus 發(fā)布日期 1979年6月，已經(jīng)是40多年前的事了……

作者用釘板、原型板、2N7000晶體管、電阻（主要是SIP和一些分立器件）、LED、一些HP-5082顯示芯片、一些電致發(fā)光線和許多可愛的彩色跳線來構(gòu)建這么一款CPU。

作者給整個計算機起名為——Spikeputer，目標(biāo)是它能夠執(zhí)行簡單的程序，并且能夠讓計算過程可視化。

下面是作者提供的一段介紹：

Spikeputor將會是一臺功能齊全的計算機，它的CPU完全由NMOS邏輯制成，使用約5000個MOSFET（2N7000）、電阻和LED來顯示邏輯。

HP-5082-7340 Hex顯示芯片將被戰(zhàn)略性地加入來顯示主要CPU組件輸出的數(shù)字內(nèi)容，盡管如果你閱讀二進制，LED將提供同樣的信息。

利用電致發(fā)光線來可視化主要部件之間的邏輯路徑。

CPU的時鐘頻率將可以從最大速度（預(yù)測為數(shù)萬赫茲范圍）下調(diào)至單步。(補充：GHz=千兆赫）

由于制作Spikeputor的主要驅(qū)動力是讓它能夠可視化計算過程，所以速度并不是最重要的，雖然還是會采取一些步驟（例如時鐘樹）來提高計算機的整體性能。

Spikeputor CPU的設(shè)計特點和主要部件

16位的地址空間
寄存器內(nèi)存：七個16位寄存器，加上1個硬編碼為0的寄存器。
多功能ALU

加法和減法，支持負數(shù)補碼
比較（等于、小于、小于或等于）
布爾邏輯（AND, OR, XOR, Identity）
移位運算

用簡單的邏輯門實現(xiàn)的控制邏輯（沒有微代碼或ROM）
用于程序計數(shù)器、指令、常數(shù)、CPU階段和一些必要的狀態(tài)標(biāo)志的附加寄存器
單字操作碼用于寄存器之間的操作
寄存器和16位常數(shù)之間操作的雙字操作碼

ALU功能（見上文）
內(nèi)存功能：加載、相對于PC的加載和存儲
有條件（BEQ, BNE）和無條件的分支，帶分支點存儲

IRQ和RESET處理（包括自動使用寄存器R6作為異常指針）
所有I/O的直接內(nèi)存訪問（DMA）。

內(nèi)存

為了能夠執(zhí)行更多瑣碎的程序，Spikeputor CPU將與高速靜態(tài)存儲器RAM（2 x 32K AS6C62256）和ROM（2 x 32K AT27C256R）芯片連接。此外，還會創(chuàng)建一個鏡像的只寫 "屏幕存儲器"，也是由（大約5000個）晶體管制成，提供一個48乘18的可尋址LED陣列。存儲器地址將被限制在字的邊界內(nèi)。試圖尋址奇數(shù)的存儲器位置會返回相應(yīng)的偶數(shù)的16位字。由于沒有任何16K的SRAM和ROM芯片可用，我使用了32K的芯片，并會設(shè)計一個內(nèi)存系統(tǒng)，從RAM和ROM中選擇16K的庫進行讀取操作。完整的32K字（64kbytes）的RAM可以在任何時候被寫入。

輸入/輸出

I/O功能作者用1986年的Apple II Plus計算機上運行的定制軟件和硬件來實現(xiàn)。作為項目的一部分，作者還設(shè)計了一個名為BIAS（連接蘋果和Spikeputor的板卡）的自定義外設(shè)卡，以及蘋果上的軟件，來提供鍵盤輸入、屏幕輸出和長期數(shù)據(jù)存儲和檢索。I/O控制器將直接訪問Spikeputor內(nèi)存，并在所有讀寫操作中停止Spikeputor CPU。

還實現(xiàn)了16位通用輸入和輸出信號，鏡像到固定的高內(nèi)存位置。

結(jié)構(gòu)

整個Spikeputor被組裝在一系列的無焊接面包板上。每個主要部件（ALU、寄存器存儲器、控制邏輯/程序計數(shù)器/狀態(tài)寄存器和屏幕存儲器）被布置在一個10.16cm×5.08cm的釘板上。每個釘板可以包含一個9×6的陣列（54）的面包板，并根據(jù)需要為一些小的電路留出一些空間。四塊掛板中的每一塊都被安裝在墻上，在安裝的下方有空間放Apple II Plus的桌子。