從零開始，耗時兩年，19歲小伙自制32位Risc-V處理器，可玩貪吃蛇

作者：機器之心 2021-05-27 16:53:09

一位熱衷于自制 CPU 的 19 歲極客小伙 Filip Szkander 自己設計和制造出了 32 位功能性 RISC-V CPU，并構建了與其他自制計算機不同的個人計算機「菠蘿一號（Pineapple ONE）」。

RISC-V 是一個基于精簡指令集（RISC）原則的開源指令集架構（ISA），它是對應開源軟件運動的一種「開源硬件」。該項目于 2010 年始于加州大學伯克利分校，項目貢獻者是該大學以外的志愿者和行業工作者。

RISC-V 指令集的設計考慮了小型、快速、低功耗的現實情況來實做，但并沒有對特定的微架構做過度的設計。與大多數指令集相比，RISC-V 指令集可以自由地用于任何目的，允許任何人設計、制造和銷售 RISC-V 芯片和軟件。

2021 年 4 月初，一位熱衷于自制 CPU 的 19 歲極客小伙 Filip Szkander 自己設計和制造出了 32 位功能性 RISC-V CPU，并構建了與其他自制計算機不同的個人計算機「菠蘿一號（Pineapple ONE）」。從設計、調試和安裝 CPU 和所有硬件，Filip 整整花了兩年時間。Filip 還受邀在東京舉辦的 RISC-V Days Tokyo 2021 Spring 上做了演示，他也成為了該會議自 2017 年舉辦以來最年輕的演示者。

創建者 Filip Szkander。

整體來看，「菠蘿一號」是由8 塊正方形打印電路板垂直堆疊組成，邊側高度約為 10 厘米，外加一個VGA 顯示接口卡。一共使用了230 多個集成電路，大多數是 74HCT 系列邏輯芯片。示意圖如下：

32 位 RISC-V CPU 的規格如下：

最大時鐘速度：500kHz
程序內存：512kB
內存 512kB
閃存 512kB
VGA 輸出：200×150px（黑白）
2 個 8 位輸入端口
2 個 8 位輸出端口

目前，「菠蘿一號」計算機支持的命令包括：HELLO、HI、PEEK 、POKE 、SYSTEM INFORMATION、CLEAR 等。

‍此外雖然 CPU 的運行速度僅有 500kHz，但玩個貪吃蛇游戲還是綽綽有余的：

Filip 在一篇博客中介紹了他從設計 CPU、制作原型機、輸入 / 輸出端口、最終成品到軟件編程的技術細節（下文以第一人稱敘述）。

設計自己的 RISC-V CPU

此前，我在 Youtube 上發現了電子愛好者 Ben Eater 自制 CPU（構建著名的 8 位計算機和經典的 6502 微處理器）的相關教程，所以非常著迷，也就有了自制 CPU 的想法。然而，我覺得對于 CPU 基礎知識了解的還不夠，因此又觀看了 Google Robotics 軟件工程師 Robert Baruch 的教程視頻，他只使用了基本邏輯元件構建了 32 位 RISC-V CPU。

之后，我便開始在一個名為「Logisim-Evolution」的項目中制造自己的 RISC-V CPU。我給自己設定的目標是不使用任何微控制器或 FPGA，只使用基本的分立邏輯元件。編譯器支持的最基礎 RISC-V CPU 必須包含擴展「整數（I）」且至少為 32 位。此外，我還需要安裝一個 VGA（視頻圖形陣列）輸出卡。

我花了整整 6 個月的時間在 Logisim 項目上，終于得到一個可運行的程序模擬。下一步繪制所有模塊的原理圖、從 JLCPCB 網站上購買所有的 PCB（印制電路板）并重新設計。由于這是我首次購買 PCB，擔心搞砸一切，于是決定在設計過程中分模塊處理，一次選購幾個，以免自己應接不暇。

Logisim-Evolution 項目中的模擬原理圖如下：

經過了兩輪設計，最后只剩下幾個模塊需要處理，其中一個是直接生成器（immediate generator）。當我絞盡腦汁想將它從模擬轉化為合適的原理圖時，發現自己犯了一個致命錯誤：完全不清楚模擬是如何運行的。幸運的是，修復起來也沒有那么困難，于是對已經制作完成的 PCB 做了改進。

原型機

接下來，我將開源電子原型平臺 Arduino連接到每個 PCB 的輸入端、同時監控輸出端并與預測端（prediction）做對比，從而對這些 PCB 進行測試。設置好之后，一切就可以自動運行了。每次測試都至少持續數個小時。

當我準備好將所有 PCB 整合到一塊時，模塊也已經間隔地安裝在了木頭上，并使用 3D 打印墊片（spacer）來固定。接著上傳了一個測試程序并開始測試。

原型機示意圖如下：

Arduino 平臺僅用來調試，沒有在最終成品中使用。

盡管我單獨測試了每個 PCB，但首次嘗試還是失敗了，這不足為奇。我又不得不花費大量時間來找失敗的原因，找出了一些錯誤，如很難發現的時序問題。

輸入 / 輸出端口

我構建的 RISC-V CPU 擁有兩個 8 位輸入端口和兩個 8 位輸出端口，你可以通過 RJ50 連接器在前板上訪問。此外，頂部模塊上有一個 7 段式顯示器（7-segment display），它與一個可以通過程序訪問的寄存器相連。

至于與 VGA 顯示器的連接，我受 Ben Eater 的啟發構建了一個 VGA 卡。VGA 的輸出分辨率是 200×150 像素，黑白顯示。雖然我想實現彩色顯示，但需要使用大型 V-RAM，太貴了，也就放棄了。

下板（board）將顯示存儲在 EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲器，型號 39SF010A）中的靜態圖像。我在最終成品中使用到了雙端口 SRAM（靜態隨機存取存儲器）。

我還構建了一些演示用的 I/O 模塊，它們在末端都有 RJ50 連接器。

PS/2 解碼器是買的現成的，我沒有時間自己制作。

最終成品

讓原型機運行不太容易，在大約 5 個月的時間后，我終于成功了。

我又重新設計了所有的 PCB，修復錯誤，并將這些 PCB 以塔狀結構堆疊，所以每個模塊僅用針座（pinheader）相連接。重新設計 PCB 大約花了 3 個月的時間，然后對最終的 PCB 進行有序排列。

此外，我還設計并使用 Prusa i3 3D 打印機打印了一個圓柱體外殼，足以容納所有的 PCB 和 I/O 連接器，這樣也可以將鍵盤和 VGA 顯示器直接連接到計算機。

最終成品，左：無圓柱體外殼，右：安裝圓柱體外殼。

最終成品的組件拆卸：

方框圖：

編程

最后，在經過了數百小時的設計、焊接和調試，我終于看到了成功的曙光。在好友 Jan Vykydal 的幫助下，我設置了一個兼容 RISC-V 且運行良好的編譯器，使用 C 語言編寫了一些系統軟件和 demo 程序。這個編譯器可以生成機器代碼，我使用一個 Python 腳本來接收代碼并 flash 入 CPU 內存。