自制MCU的入門教程

前言

春意已起，卻乍暖還寒。
三四月的交接，是冷與暖的擁別。

說明

• 如今，以ChatGPT爲代表的的人工智能驅動的語言處理系統已經火爆全網，開始滲透進日常生活；各種AI圖像生成工具也大行其道，精美的生成圖比肩專業的設計師。這些AI應用的廣泛而快速的普及，是真的能夠替代一些人的職位，導致失業。不過，AI的發展離不開底層電路的支持，尤其是CPU、GPU等這些提供算力的基本器件。而我，就是做嵌入式開發的。
• 學習單片機，需要和硬件底層打交道。長久的使用單片機，也會潛移默化的導致從底層看待這個世界。但單純的從程序上配置寄存器來操縱單片機，或是從單片機上拉幾根線來被單片機操控，總歸是無法真正認識和理解單片機乃至CPU的運行機制的。
• 大學裏面很多理工科都會有單片機或是CPU運行機制相關的課程，也會有數電模電這些課程，是會詳細講解單片機運行機制的，很多科班出身的人本科就能手寫CPU整個流程。但是對於我這種半路出家的半吊子，只有在舊書攤上買過幾本別人的二手書，總歸不是完整的理解過單片機和CPU的運行機制的。但畢竟是做這份工作的，所以看到芯片近年來被制裁的那麼慘，還是有一份鬥志在裏面的。也是想設計一款CPU，然後設計一門可編譯可腳本運行的編程語言，並用此語言在此CPU上編寫一份操作系統，至少要支持獨立的自編譯環境、支持應用安裝卸載、支持界面環境、支持在其他系統開發、支持可拓展等幾種基本功能。
• 雖然造輪子在一定程度上是浪費生命的，但當賦予它偉光輝的使命意義，再貼上夢想的標籤，它就變得有價值了（哈哈）！不過我更深的大興趣愛好在於AI和圖像方面，嵌入式只是我工作生活和從底層認識這個世界的手段。所以這幾個想法不知有沒有時間實現。

簡介

• CPU（Central Processing Unit）是一切計算機的基礎，MCU（(Microcontroller Unit）是弱化版的CPU+外設的集成“電腦”。

• 深入理解和學習CPU的運行機制的最好辦法，就是着手自己設計一款CPU。設計一款CPU，不僅要了解其硬件原理，還需要懂得編譯器原理和指令集等知識，才能從零開始實現一套完整的CPU流程。

• 下面，從幾個方面記錄一下可以用於入門和深入理解CPU運行機制的相關資源。其他需要了解的知識請自行檢索學習，比如【基本電路知識】，【電路設計】，【編程語言】，【CPU架構】,【編譯器】等知識

• 以下資源大部分都是網絡資源，部分爲書籍資源。

• 簡單過程如下：首先是原理入門，然後是用FPGA或是硬件電路板實現基本的CPU電路，或是軟件模擬運行一款MCU，最後就可以手搓CPU了，並在其基礎上實現指令集、編譯器等，然後進一步的實現更加複雜和完善的功能。

數電仿真實現入門

logiccircuit

• CPU的核心原理是要搞懂數字電路這門課程。大學課本中的《數字電路》很難硬着頭皮看完，所以一個可視化的、可仿真的軟件對於學習數字電路是非常有幫助的。
  【logiccircuit 】 是一個電子電路設計軟件，用於可視化建立電路設計和模擬電路運行。它是開源項目，由全球的愛好者和開發人員共同開發。
  它可以通過拖拽的方式，很輕鬆的實現邏輯門的組合和驗證。使用它，甚至可以搭建和仿真出一個完整的CPU。
  可拖拽的部分數字邏輯門如下：
  

【一個8位二進制CPU的設計和實現】 :這是B站一位UP以此軟件爲基礎，全流程講解如何實現一個8位CPU的教程。
【一個8位二進制CPU的設計和實現】:這個是愛好者根據視頻整理的文字版。

Proteus等電路仿真軟件

• 一些專業的電路EDA軟件帶有電路仿真功能，有豐富的器件，完善的器件特性，能夠較好的實現電路的搭建，甚至能直接轉爲PCB用於繪製，比如【Proteus】
• Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。
• 在它上面完全可以搭建並仿真完整的CPU電路（當然，畢竟是軟件，還是有資源限制的），然後生成PCB用於佈線打板，生成實物。
• 比如【基於proteus的CPU控制器設計（微程序版）】及【基於proteus的一個硬佈線CPU】等

《我的世界》

• 之前很火的，在《我的世界》這個遊戲中，從底層搭建出一個紅石驅動CPU，還能在搭建的屏幕上玩遊戲。
• 感興趣的可以自行了解，不做推薦。

虛擬機

• 比如【C語言實現一個RISC-V虛擬機】，使用C語言實現的一個RISC-V虛擬機，可以在單片機上跑別的類型的單片機。

FPGA仿真或是電路搭建仿真

仿真的目的是轉爲實物，以下是轉爲實物的方法。

FPGA編寫實現

• FPGA（Field－Programmable Gate Array）即現場可編程門陣列：它是作爲專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定製電路而出現的，既解決了定製電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

• 在FPGA上，可以重複燒寫不同的數字邏輯門電路，所以理論上，能夠在FPGA上仿真整個CPU，外加部分數字外設。

• FPGA主流的編程語言：Verilog HDL、VHDL、SystemVerilog， 推薦使用Verilog HDL語言。

• Verilog HDL（簡稱 Verilog ）是一種硬件描述語言，用於數字電路的系統設計。可對算法級、門級、開關級等多種抽象設計層次進行建模。 Verilog 繼承了 C 語言的多種操作符和結構，與另一種硬件描述語言 VHDL 相比，語法不是很嚴格，代碼更加簡潔，更容易上手。Verilog 不僅定義了語法，還對語法結構都定義了清晰的仿真語義。因此，Verilog 編寫的數字模型就能夠使用 Verilog 仿真器進行驗證。

• FPGA也是可以通過軟件模擬仿真運行的。但是還是推薦硬件測試環境。

• 硬件可以使用開發板。比如Sipeed科技推出的【Tang】系列FPGA開發板，或是資源更豐富的ZYNQ7010/7020系列開發板。前者價格低，後者性能更豐富，是FPGA+ARM架構，可同時運行FPGA+Linux。

• Sipeed科技推出的 【Tang】系列FPGA開發板，使用國產廠商 【高雲】的系列FPGA芯片，有較高的性價比。推薦使用 【Tang Primer 20K】開發板，資源比較豐富，能夠實現較複雜的設計，廠家自帶一個MCU內核（不開源）。而且Sipeed提供了一些入門教程和例程，適合快速入門【Tang Primer 20K 教程】

• 高雲提供了一款RISC-V的IP核，可以直接調用，在FPGA上跑這款單片機核，不開源：
  

• 雖然IP核不開源，但是可以在很多地方找到開源的FPGA的編寫MCU的代碼和教程，比如在 Gitee的 【其他開源 -> RISC-V】欄中，有很多用FPGA實現的處理器核，可以用於深入學習和理解如何在FPGA上實現完整的MCU。

• 比如 【tinyriscv】項目，配套有【從零開始寫RISC-V處理器】教程，經過簡單的移植和適配，就能在 20K上跑起來。

• 不過，FPGA畢竟是可編程的，其實現的邏輯思維很大還停留在程序層面，比如基本的門電路，只需要幾個代碼就能實現，而不是硬件的理解（比如與門就是 &）。而且也不是很酷。但此類資源較多，比如【CPU自制入門】這類的書籍基本都是基於FPGA實現的。

• 但是，FPGA仿真這一步，是設計和製造一塊CPU芯片的很重要的步驟，所以它在CPU設計領域很重要。但是一般的玩家根本不需要考慮到CPU的實際生產步驟，所以它顯得不是那麼重要，所以有想深入鑽研的，一定要掌握好FPGA。

硬件搭建實現

• FPGA實現MCU屬於較深等級的實現，因爲FPGA代碼雖然簡單，但要想堆疊出完善的硬件邏輯，還是需要花費一番功夫的，而且搭建出的東西宏觀上也只是程序的表現，與實際硬件還是有些區別的。對於不需要考慮自己流片的入門者來說，搭建實物還是很酷的。
• 實際上，很多入門者都用硬件電路搭建CPU(一般都是MCU)。這些入門者不乏很多初中甚至小學的人才！（比如B站就有幾個小學生自制CPU的視頻，沒有觀看過，此處不做評價）。其他的很多都是用基本的門電路芯片，搭建出基本的MCU核心電路，有些還在其上面實現了複雜代碼運行（需要實現適配的編譯器），還有些跑出了較爲複雜的界面環境：
  
  其中的第二個【74門電路自制8位CPU(原創)】，有着較爲完善的C語言編譯器和操作系統以及CPU指令集，還提供了開源文件：
  
• 當然，上面都是用現成的門電路芯片拼裝組合的，還可以從底層直接二極管三極管等分立元器件搭建電路，但是比較複雜和耗時，不如用完整的門電路來實現，只需要考慮芯片的電壓、功率等參數即可組裝實現。
• 硬件搭建推薦先用上述的一些仿真環境進行仿真驗證，再進行硬件的實物實現，節省時間和金錢。當然，很多網購平臺也會有一些商家提供設計好的成套硬件電路，購買來焊接學習即可。

指令集

• 上述的一些教程中含有指令集的介紹和實現，這也是實現一個CPU必不可少的步驟，因爲CPU運行的最終目的，就是要實現能夠執行不同的指令。
• 指令集是適用於操作底層硬件的代碼，屬於數據二進制的語言化的代碼。因爲底層硬件都是0和1組成的數字門，而操控它們只需要基本的二進制。但爲了方便操作，不用去寫繁雜的二進制數據，於是將他們按照運行邏輯進行分類，整合成了各種指令。而將指令轉爲二進制機器碼的過程就需要編譯器的存在了。
• 我們常用的彙編語言，就屬於指令集操作語言，也因此，不同的CPU架構會有不同的彙編語言，甚至不同的單片機的彙編語言都不同。
• 當然，這一部分也可以單獨學習【從零開始製作自己的指令集架構】

編譯器

• 不論哪種語言，最終轉換爲機器碼來運行前，都需要編譯器。將指令集轉爲機器碼的過程也需要編譯器的存在。
• 彙編的編譯器較爲簡單，就是將指令集轉爲二進制機器碼；而高級語言的編譯器，則有更加豐富和完善的編譯條件，但爲了方便兼容不同的CPU，一般都先編譯爲對應CPU架構下的指令集語言，再由指令集編譯爲二進制機器碼。編譯出更加優秀完善和簡短的指令集意味着編譯器更加優秀。
• 這一部分的資源感興趣的可以自行了解學習。

總結

以上是對於探索CPU運行流程並自己手動實現CPU的一些資料。大多數都是實現的8位甚至更低bit位的MCU。但目前來說，基本原理都是一致的，對於入門瞭解和個人設計，完全足夠；更高位的CPU，需要團隊配合才能實現，靠個人是很難實現的。
實際上，要想實現一個8位甚至更低位的完整的、帶編譯器甚至帶操作系統的CPU，都不是一件簡單的事，需要大量的知識積累和時間花費。雖然道阻且長，行則將至，但是也要考慮個人的人生長度，切莫隨意造輪子，浪費沒有收穫的時間。

目前我也算是剛入門，也沒有足夠的時間去實現，對於設計一款CPU，設計一款編程語言，在CPU上用編程語言實現一款操作系統，這幾個系列想法，雖然現在能力上可以開始準備了，但也不知能不能實現。

• 本文水平有限，內容很多詞語由於知識水平問題不嚴謹或很離譜，但主要作爲記錄作用，希望以後的自己和路過的大神對必要的錯誤提出批評與指點，對可笑的錯誤請指出來，我會改正的。

• 另外，轉載使用請註明作者和出處，不要刪除文檔中的關於作者的註釋。

隨夢，隨心，隨願，恆執念，爲夢執戰，執戰蒼天！ ------------------執念執戰