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          從0開始,耗時(shí)兩年,19歲小伙自制一塊32位Risc-V處理器,可玩「貪吃蛇」

          共 3391字,需瀏覽 7分鐘

           ·

          2021-06-02 23:13


          本文經(jīng)機(jī)器之心

          授權(quán)轉(zhuǎn)載,禁止二次轉(zhuǎn)載

          編輯:杜偉


          從設(shè)計(jì) CPU、制作原型機(jī)、最終成品到軟件編程,19 歲極客小伙用了整整兩年的時(shí)間。


          RISC-V 是一個(gè)基于精簡(jiǎn)指令集(RISC)原則的開源指令集架構(gòu)(ISA),它是對(duì)應(yīng)開源軟件運(yùn)動(dòng)的一種「開源硬件」。該項(xiàng)目于 2010 年始于加州大學(xué)伯克利分校,項(xiàng)目貢獻(xiàn)者是該大學(xué)以外的志愿者和行業(yè)工作者。

          RISC-V 指令集的設(shè)計(jì)考慮了小型、快速、低功耗的現(xiàn)實(shí)情況來實(shí)做,但并沒有對(duì)特定的微架構(gòu)做過度的設(shè)計(jì)。與大多數(shù)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(shè)計(jì)、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 Szkandera自己設(shè)計(jì)和制造出了 32 位功能性 RISC-V CPU,并構(gòu)建了與其他自制計(jì)算機(jī)不同的個(gè)人計(jì)算機(jī)「菠蘿一號(hào)(Pineapple ONE)」。從設(shè)計(jì)、調(diào)試和安裝 CPU 和所有硬件,F(xiàn)ilip 整整花了兩年時(shí)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(huì)議自 2017 年舉辦以來最年輕的演示者。

          創(chuàng)建者 Filip Szkandera。

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



          32 位 RISC-V CPU 的規(guī)格如下:

          • 最大時(shí)鐘速度:500kHz

          • 程序內(nèi)存:512kB

          • 內(nèi)存 512kB

          • 閃存 512kB

          • VGA 輸出:200×150px(黑白)

          • 2 個(gè) 8 位輸入端口

          • 2 個(gè) 8 位輸出端口


          目前,「菠蘿一號(hào)」計(jì)算機(jī)支持的命令包括:HELLO、HI、PEEK
          、POKE
          、SYSTEM INFORMATION、CLEAR 等。


          此外雖然 CPU 的運(yùn)行速度僅有 500kHz,但玩?zhèn)€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(shè)計(jì) CPU、制作原型機(jī)、輸入 / 輸出端口、最終成品到軟件編程的技術(shù)細(xì)節(jié)(下文以第一人稱敘述)。

          設(shè)計(jì)自己的 RISC-V CPU

          此前,我在 Youtube 上發(fā)現(xiàn)了電子愛好者 Ben Eater 自制 CPU(構(gòu)建著名的 8 位計(jì)算機(jī)和經(jīng)典的 6502 微處理器)的相關(guān)教程,所以非常著迷,也就有了自制 CPU 的想法。然而,我覺得對(duì)于 CPU 基礎(chǔ)知識(shí)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(gòu)建了 32 位 RISC-V CPU。

          之后,我便開始在一個(gè)名為「Logisim-Evolution」的項(xiàng)目中制造自己的 RISC-V CPU。我給自己設(shè)定的目標(biāo)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(chǔ) RISC-V CPU 必須包含擴(kuò)展「整數(shù)(I)」且至少為 32 位。此外,我還需要安裝一個(gè) VGA(視頻圖形陣列)輸出卡。

          我花了整整 6 個(gè)月的時(shí)間在 Logisim 項(xiàng)目上,終于得到一個(gè)可運(yùn)行的程序模擬。下一步繪制所有模塊的原理圖、從 JLCPCB 網(wǎng)站上購買所有的 PCB(印制電路板)并重新設(shè)計(jì)。由于這是我首次購買 PCB,擔(dān)心搞砸一切,于是決定在設(shè)計(jì)過程中分模塊處理,一次選購幾個(gè),以免自己應(yīng)接不暇。

          Logisim-Evolution 項(xiàng)目中的模擬原理圖如下:


          經(jīng)過了兩輪設(shè)計(jì),最后只剩下幾個(gè)模塊需要處理,其中一個(gè)是直接生成器(immediate generator)。當(dāng)我絞盡腦汁想將它從模擬轉(zhuǎn)化為合適的原理圖時(shí),發(fā)現(xiàn)自己犯了一個(gè)致命錯(cuò)誤:完全不清楚模擬是如何運(yùn)行的。幸運(yùn)的是,修復(fù)起來也沒有那么困難,于是對(duì)已經(jīng)制作完成的 PCB 做了改進(jìn)。

          原型機(jī)

          接下來,我將開源電子原型平臺(tái) Arduino 連接到每個(gè) PCB 的輸入端、同時(shí)監(jiān)控輸出端并與預(yù)測(cè)端(prediction)做對(duì)比,從而對(duì)這些 PCB 進(jìn)行測(cè)試。設(shè)置好之后,一切就可以自動(dòng)運(yùn)行了。每次測(cè)試都至少持續(xù)數(shù)個(gè)小時(shí)。

          當(dāng)我準(zhǔn)備好將所有 PCB 整合到一塊時(shí),模塊也已經(jīng)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(gè)測(cè)試程序并開始測(cè)試。

          原型機(jī)示意圖如下:

          Arduino 平臺(tái)僅用來調(diào)試,沒有在最終成品中使用。

          盡管我單獨(dú)測(cè)試了每個(gè) PCB,但首次嘗試還是失敗了,這不足為奇。我又不得不花費(fèi)大量時(shí)間來找失敗的原因,找出了一些錯(cuò)誤,如很難發(fā)現(xiàn)的時(shí)序問題。

          輸入 / 輸出端口

          我構(gòu)建的 RISC-V CPU 擁有兩個(gè) 8 位輸入端口和兩個(gè) 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(gè) 7 段式顯示器(7-segment display),它與一個(gè)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(fā)構(gòu)建了一個(gè) VGA 卡。VGA 的輸出分辨率是 200×150 像素,黑白顯示。雖然我想實(shí)現(xiàn)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(chǔ)在 EEPROM(帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器,型號(hào) 39SF010A)中的靜態(tài)圖像。我在最終成品中使用到了雙端口 SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)。


          我還構(gòu)建了一些演示用的 I/O 模塊,它們?cè)谀┒硕加?RJ50 連接器。

          PS/2 解碼器是買的現(xiàn)成的,我沒有時(shí)間自己制作。

          最終成品

          讓原型機(jī)運(yùn)行不太容易,在大約 5 個(gè)月的時(shí)間后,我終于成功了。

          我又重新設(shè)計(jì)了所有的 PCB,修復(fù)錯(cuò)誤,并將這些 PCB 以塔狀結(jié)構(gòu)堆疊,所以每個(gè)模塊僅用針座(pinheader)相連接。重新設(shè)計(jì) PCB 大約花了 3 個(gè)月的時(shí)間,然后對(duì)最終的 PCB 進(jìn)行有序排列。

          此外,我還設(shè)計(jì)并使用 Prusa i3 3D 打印機(jī)打印了一個(gè)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(jì)算機(jī)。

          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(jīng)過了數(shù)百小時(shí)的設(shè)計(jì)、焊接和調(diào)試,我終于看到了成功的曙光。在好友 Jan Vykydal 的幫助下,我設(shè)置了一個(gè)兼容 RISC-V 且運(yùn)行良好的編譯器,使用 C 語言編寫了一些系統(tǒng)軟件和 demo 程序。這個(gè)編譯器可以生成機(jī)器代碼,我使用一個(gè) Python 腳本來接收代碼并 flash 入 CPU 內(nèi)存。


          我還創(chuàng)建了一個(gè)具有一些有用函數(shù)的庫,代碼如下:


          Pineshell:

          利用這個(gè)庫,我創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的 shell 程序,這樣可以通過「與其中一個(gè)輸入端口相連的 PS/2 鍵盤」來實(shí)現(xiàn)與該程序的交互。我使用帶有模塊的 PS/2 鍵盤將輸入信號(hào)解碼為 8 位。


          大功告成!


          參考鏈接:
          https://riscv-association.jp/en/2021/04/filip-szkandera/
          https://hackaday.io/project/178826-pineapple-one/details
          https://www.youtube.com/watch?v=NUAVKNVrPh0&t=16s
          https://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/build-a-riscv-cpu-from-scratch



          - EOF -


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