你所不知道的经典科技发展史: 以前CPU是如何设计出来的

你所不知道的经典科技发展史: 以前CPU是如何设计出来的

从无到有（make something from scratch）一直是工程师的浪漫，例如自行调配出作业系统、自己写系统核心等（如Linux）。然而在家从无到有打造出「一颗」CPU 就没听过了吧？最近有一位YouTuber 就在免焊万用电路板（俗称面包板）上，以跳线实做出自己设计的CPU。

Paulo Constantino自制的CPU

CPU（中央处理器），这么一小颗神奇的高科技黑方块，是现代电脑的核心元件，大多数电脑装置都是64 位元CPU，技术层次之深、设计之复杂，要从无到有重新设计、打造出全新的CPU 谈何容易？1970 年代个人电脑刚萌芽时期的Intel 8008、Zilog Z80 等8 位元处理器相对单纯原始，应该比较容易做得到吧？尽管如此，从无到有开发出一个新的8 位元CPU 也不是容易事。

不是AMD、Intel、ARM等大公司，自己打造CPU有可能吗？YouTuber 保罗君士坦丁（Paulo Constantino ）就向大家证明了这并非办不到的事。他在自己的 Github 进行名为Dreamcatcher的完全自行开发电脑计划──把电脑里每个必要元件都重新设计、手工做出来。

对未受过训练的人来说，君士坦丁的CPU 作品看起来就像板子上一团又一团的电线。他的作品基于74HC 系列的CMOS 积体电路，插在面包板上用电线跳接起来，他花了两天时间画电路图、一个星期时间实际制作。目前还很简陋，编写程式需要用DIP 开关进行，根据影片，目前只运作过简单程式：从0 记数到255（用一排8 个LED 灯以二进位表示）、演奏音阶、演奏走音的玛莉兄弟主题曲。

简陋归简陋，不过影片拍摄的时候是8 位元，现在已经进化到16 位元，一共拥有256 道指令的指令集（instructions），现在还做好了简单的BIOS（基本输入输出系统），当然又是另外一团电线乱乱的面包板。谢天谢地，终于可以输出画面到萤幕上了，君士坦丁的下一个目标就是再做好连接键盘的功能，这样写程式就方便多了，最终目标又能运作MS-DOS 或Minix 系统。

Paulo Constantino「写」程式的方法

这样用面包版绕线做CPU 原型简直就像愚公移山，不过今日咱们认为PCB 印刷电路板印制、硬体描述语言（Verilog VHDL）、FPGA（可程式化的积体电路）技术是理所当然，而1980年以前，还没有这些技术，CPU 原型就是如此打造。一位矢志从无到有重造轮子的自造者，自然要用古法来制作CPU 原型啰。

更多手工自制CPU

EASY-4

看过君士坦丁的作品，咱们可能以为全世界就只他一个疯子，其实不然，这种手作CPU的非商业专案以前就有了，例如说一位日本老前辈在1975年时自制16位元CPU作品「EASY-4」就是其一，而且现在还在继续改良。

Magic-1 CPU

看腻了一团又一团电线后，让咱们来瞧瞧Homebrewcpu 自制的16位元迷你电脑Magic-1，这个CPU体面多了，有个漂亮的外壳，设计也是采用74系列的积体电路，比起起步没多久的Dreamcatcher，Magic-1更神了，它靠作者一人独自开发了十年，最后完成完整电脑，系统时脉虽然只有4.09 Mhz，但执行的系统可是多人多工的Minix 2 ，不只会从0数到255，还是一台连上网路的server，其上运作了网页伺服器提供这个网页，还可用以下这个命令登入：

telnet magic-1.org 51515

账号是「guest」、密码为「magic」，假如你会Unix 指令，可以好好探索一番，里面也有经典程式如Eliza、Conway's Life 或Hunt the Wumpus。如果你不嫌弃这台机器的龟速，上面也有C 语言的编译器可供开发程式。

更进一步，用积体电路在面包版上绕绕线做CPU不算什么，更有趣的，是完全用电晶体做自己的CPU。巨无霸处理器──詹姆士纽曼（James Newman）的 Megaprocessor专案就是这种计划，该计划目标打造巨大的「微」处理机，足足有一个房间那么大。

它是一「颗」16 位元的CPU，内含4 万个电晶体，光是一个8 位元加法器的元件就有一个大人脚板那么大，运作时脉达20Khz。这个大家伙看起来就好像1950 年代的大型电脑还魂，也像一些老派科幻电影里才会出现的电脑。

为何要重新发明

类似的计划，在YouTube 搜寻homebrew CPU 可以找到各式各样作品。然而说回来，这样依古法重造不是很浪费时间跟聪明才智吗？这些人疯了吗？其实不然，比如说现代大大小小电机设备的基础──马达（电动机）咱们已司空见惯了，但还记得国小高年级时，自然科学的课程要求每个小朋友用漆包线、铁钉、磁铁手工打造电动机吗？其实大家小时候做的事情跟19 世纪马达的发明人做的事情没两样。

现代美术的核心已是以电脑绘图为主，然而美术基础教育仍是从铅笔、炭笔素描与水彩静物和户外写生开始，为什么学科要这样安排，是因为透过手作创造早期经典，能最佳掌握一门学问的核心原理，例如说《大人的科学》杂志也是在做类似的事。

今日的CPU 已发展到内含数十亿电晶体，一个高阶语言程式原码用编译器生成可执行机器码后，CPU 实际执行时的运作细节每每不完全为咱们掌握，就像黑盒子，甚至CPU 有可怕的设计漏洞咱们也浑然不知使用许多年。

对资讯科学的教育而言，搞懂CPU 的运作机制有其必要，以前述Megaprocessor 专案来说，其实就是英国电算科技历史中心（Centre for Computing History）的展品，由于全面使用电晶体实做，所以可把微处理机放大到每个单元──运算／逻辑单元（ALU）、通用暂存器、特殊暂存器、状态机、IO 输出入等，能分门别类呈现在眼前，辅以满满的LED灯显示，得以即时观测CPU 如何执行程式，而不用跟哆啦A 梦借缩小灯钻到市售CPU 里。

Megaprocessor 是非常有教育意义的一台机器，那Magic-1、Dreamcatcher 等较小型土法炼钢做出的CPU 呢？探究他们的开发者，不全然只是业余嗜好，许多是软体工程师、资讯科学系所的大学生，为了设计好的编译器或纯粹想搞懂CPU 运作原理而实际打造。

当咱们在说「为什么咱们做不出自己的引擎？」「为什么咱们做不出自己的CPU？」抱怨基础科技力低落时，是不是应该要自省：咱们是不是问得多、做得少，做得不够深入呢？以后看过教科书的理论，不妨亲手做看看，先不管啥崇高的理念，Just for fun！