從零開始耗時兩年，19歲小夥自制一塊32位Risc-V處理器可玩貪吃蛇

機器之心報道

編輯：杜偉

從設計 CPU、製作原型機、最終成品到軟體程式設計，19 歲極客小夥用了整整兩年的時間。

RISC-V 是一個基於精簡指令集（RISC）原則的開源指令集架構（ISA），它是對應開源軟體運動的一種「開源硬體」。該項目於 2010 年始於加州大學伯克利分校，項目貢獻者是該大學以外的志願者和行業工作者。

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，但並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於任何目的，允許任何人設計、製造和銷售 RISC-V 晶片和軟體。

2021 年 4 月初，一位熱衷於自制 CPU 的 19 歲極客小夥 Filip Szkander 自己設計和製造出了 32 位功能性 RISC-V CPU，並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、偵錯和安裝 CPU 和所有硬體，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 塊正方形列印電路板垂直堆疊組成，邊側高度約為 10 釐米，外加一個VGA 顯示介面卡。一共使用了230 多個積體電路，大多數是 74HCT 系列邏輯晶片。示意圖如下：

32 位 RISC-V CPU 的規格如下：

最大時鐘速度：500kHz程式記憶體：512kB記憶體 512kB快閃記憶體 512kBVGA 輸出：200×150px（黑白）2 個 8 位輸入埠2 個 8 位輸出埠

目前，「菠蘿一號」計算機支援的命令包括：HELLO、HI、PEEK <ADDRESS>、POKE <ADDRESS> <DATA>、SYSTEM INFORMATION、CLEAR 等。

此外雖然 CPU 的運行速度僅有 500kHz，但玩個貪吃蛇遊戲還是綽綽有餘的：

Filip 在一篇部落格中介紹了他從設計 CPU、製作原型機、輸入 / 輸出埠、最終成品到軟體程式設計的技術細節（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，我覺得對於 CPU 基礎知識瞭解的還不夠，因此又觀看了 Google Robotics 軟體工程師 Robert Baruch 的教程視訊，他只使用了基本邏輯元件構建了 32 位 RISC-V CPU。

之後，我便開始在一個名為「Logisim-Evolution」的項目中製造自己的 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。編譯器支援的最基礎 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（視訊圖形陣列）輸出卡。

我花了整整 6 個月的時間在 Logisim 項目上，終於得到一個可運行的程式模擬。下一步繪製所有模組的原理圖、從 JLCPCB 網站上購買所有的 PCB（印製電路板）並重新設計。由於這是我首次購買 PCB，擔心搞砸一切，於是決定在設計過程中分模組處理，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，最後只剩下幾個模組需要處理，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，修復起來也沒有那麼困難，於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連線到每個 PCB 的輸入端、同時監控輸出端並與預測端（prediction）做對比，從而對這些 PCB 進行測試。設定好之後，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，模組也已經間隔地安裝在了木頭上，並使用 3D 列印墊片（spacer）來固定。接著上傳了一個測試程式並開始測試。

原型機示意圖如下：

Arduino 平臺僅用來偵錯，沒有在最終成品中使用。

儘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 / 輸出埠

我構建的 RISC-V CPU 擁有兩個 8 位輸入埠和兩個 8 位輸出埠，你可以通過 RJ50 連線器在前板上訪問。此外，頂部模組上有一個 7 段式顯示器（7-segment display），它與一個可以通過程式訪問的寄存器相連。

至於與 VGA 顯示器的連線，我受 Ben Eater 的啟發構建了一個 VGA 卡。VGA 的輸出解析度是 200×150 畫素，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）將顯示儲存在 EEPROM（帶電可擦可程式設計只讀儲存器，型號 39SF010A）中的靜態影象。我在最終成品中使用到了雙埠 SRAM（靜態隨機存取儲存器）。

我還構建了一些演示用的 I/O 模組，它們在末端都有 RJ50 連線器。

PS/2 解碼器是買的現成的，我沒有時間自己製作。

最終成品

讓原型機運行不太容易，在大約 5 個月的時間後，我終於成功了。

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

此外，我還設計並使用 Prusa i3 3D 印表機列印了一個圓柱體外殼，足以容納所有的 PCB 和 I/O 連線器，這樣也可以將鍵盤和 VGA 顯示器直接連線到計算機。

最終成品，左：無圓柱體外殼，右：安裝圓柱體外殼。

最終成品的元件拆卸：

方框圖：

程式設計

最後，在經過了數百小時的設計、焊接和偵錯，我終於看到了成功的曙光。在好友 Jan Vykydal 的幫助下，我設定了一個相容 RISC-V 且運行良好的編譯器，使用 C 語言編寫了一些系統軟體和 demo 程式。這個編譯器可以生成機器程式碼，我使用一個 Python 指令碼來接收程式碼並 flash 入 CPU 記憶體。

我還創建了一個具有一些有用函數的庫，程式碼如下：

Pineshell：

利用這個庫，我創建了一個簡單的 shell 程式，這樣可以通過「與其中一個輸入埠相連的 PS/2 鍵盤」來實現與該程式的互動。我使用帶有模組的 PS/2 鍵盤將輸入訊號解碼為 8 位。

大功告成！