自制MCU的入门教程

前言

春意已起，却乍暖还寒。
三四月的交接，是冷与暖的拥别。

说明

• 如今，以ChatGPT为代表的的人工智能驱动的语言处理系统已经火爆全网，开始渗透进日常生活；各种AI图像生成工具也大行其道，精美的生成图比肩专业的设计师。这些AI应用的广泛而快速的普及，是真的能够替代一些人的职位，导致失业。不过，AI的发展离不开底层电路的支持，尤其是CPU、GPU等这些提供算力的基本器件。而我，就是做嵌入式开发的。
• 学习单片机，需要和硬件底层打交道。长久的使用单片机，也会潜移默化的导致从底层看待这个世界。但单纯的从程序上配置寄存器来操纵单片机，或是从单片机上拉几根线来被单片机操控，总归是无法真正认识和理解单片机乃至CPU的运行机制的。
• 大学里面很多理工科都会有单片机或是CPU运行机制相关的课程，也会有数电模电这些课程，是会详细讲解单片机运行机制的，很多科班出身的人本科就能手写CPU整个流程。但是对于我这种半路出家的半吊子，只有在旧书摊上买过几本别人的二手书，总归不是完整的理解过单片机和CPU的运行机制的。但毕竟是做这份工作的，所以看到芯片近年来被制裁的那么惨，还是有一份斗志在里面的。也是想设计一款CPU，然后设计一门可编译可脚本运行的编程语言，并用此语言在此CPU上编写一份操作系统，至少要支持独立的自编译环境、支持应用安装卸载、支持界面环境、支持在其他系统开发、支持可拓展等几种基本功能。
• 虽然造轮子在一定程度上是浪费生命的，但当赋予它伟光辉的使命意义，再贴上梦想的标签，它就变得有价值了（哈哈）！不过我更深的大兴趣爱好在于AI和图像方面，嵌入式只是我工作生活和从底层认识这个世界的手段。所以这几个想法不知有没有时间实现。

简介

• CPU（Central Processing Unit）是一切计算机的基础，MCU（(Microcontroller Unit）是弱化版的CPU+外设的集成“电脑”。

• 深入理解和学习CPU的运行机制的最好办法，就是着手自己设计一款CPU。设计一款CPU，不仅要了解其硬件原理，还需要懂得编译器原理和指令集等知识，才能从零开始实现一套完整的CPU流程。

• 下面，从几个方面记录一下可以用于入门和深入理解CPU运行机制的相关资源。其他需要了解的知识请自行检索学习，比如【基本电路知识】，【电路设计】，【编程语言】，【CPU架构】,【编译器】等知识

• 以下资源大部分都是网络资源，部分为书籍资源。

• 简单过程如下：首先是原理入门，然后是用FPGA或是硬件电路板实现基本的CPU电路，或是软件模拟运行一款MCU，最后就可以手搓CPU了，并在其基础上实现指令集、编译器等，然后进一步的实现更加复杂和完善的功能。

数电仿真实现入门

logiccircuit

• CPU的核心原理是要搞懂数字电路这门课程。大学课本中的《数字电路》很难硬着头皮看完，所以一个可视化的、可仿真的软件对于学习数字电路是非常有帮助的。
  【logiccircuit 】 是一个电子电路设计软件，用于可视化建立电路设计和模拟电路运行。它是开源项目，由全球的爱好者和开发人员共同开发。
  它可以通过拖拽的方式，很轻松的实现逻辑门的组合和验证。使用它，甚至可以搭建和仿真出一个完整的CPU。
  可拖拽的部分数字逻辑门如下：
  

【一个8位二进制CPU的设计和实现】 :这是B站一位UP以此软件为基础，全流程讲解如何实现一个8位CPU的教程。
【一个8位二进制CPU的设计和实现】:这个是爱好者根据视频整理的文字版。

Proteus等电路仿真软件

• 一些专业的电路EDA软件带有电路仿真功能，有丰富的器件，完善的器件特性，能够较好的实现电路的搭建，甚至能直接转为PCB用于绘制，比如【Proteus】
• Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
• 在它上面完全可以搭建并仿真完整的CPU电路（当然，毕竟是软件，还是有资源限制的），然后生成PCB用于布线打板，生成实物。
• 比如【基于proteus的CPU控制器设计（微程序版）】及【基于proteus的一个硬布线CPU】等

《我的世界》

• 之前很火的，在《我的世界》这个游戏中，从底层搭建出一个红石驱动CPU，还能在搭建的屏幕上玩游戏。
• 感兴趣的可以自行了解，不做推荐。

虚拟机

• 比如【C语言实现一个RISC-V虚拟机】，使用C语言实现的一个RISC-V虚拟机，可以在单片机上跑别的类型的单片机。

FPGA仿真或是电路搭建仿真

仿真的目的是转为实物，以下是转为实物的方法。

FPGA编写实现

• FPGA（Field－Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列：它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

• 在FPGA上，可以重复烧写不同的数字逻辑门电路，所以理论上，能够在FPGA上仿真整个CPU，外加部分数字外设。

• FPGA主流的编程语言：Verilog HDL、VHDL、SystemVerilog， 推荐使用Verilog HDL语言。

• Verilog HDL（简称 Verilog ）是一种硬件描述语言，用于数字电路的系统设计。可对算法级、门级、开关级等多种抽象设计层次进行建模。 Verilog 继承了 C 语言的多种操作符和结构，与另一种硬件描述语言 VHDL 相比，语法不是很严格，代码更加简洁，更容易上手。Verilog 不仅定义了语法，还对语法结构都定义了清晰的仿真语义。因此，Verilog 编写的数字模型就能够使用 Verilog 仿真器进行验证。

• FPGA也是可以通过软件模拟仿真运行的。但是还是推荐硬件测试环境。

• 硬件可以使用开发板。比如Sipeed科技推出的【Tang】系列FPGA开发板，或是资源更丰富的ZYNQ7010/7020系列开发板。前者价格低，后者性能更丰富，是FPGA+ARM架构，可同时运行FPGA+Linux。

• Sipeed科技推出的 【Tang】系列FPGA开发板，使用国产厂商 【高云】的系列FPGA芯片，有较高的性价比。推荐使用 【Tang Primer 20K】开发板，资源比较丰富，能够实现较复杂的设计，厂家自带一个MCU内核（不开源）。而且Sipeed提供了一些入门教程和例程，适合快速入门【Tang Primer 20K 教程】

• 高云提供了一款RISC-V的IP核，可以直接调用，在FPGA上跑这款单片机核，不开源：
  

• 虽然IP核不开源，但是可以在很多地方找到开源的FPGA的编写MCU的代码和教程，比如在 Gitee的 【其他开源 -> RISC-V】栏中，有很多用FPGA实现的处理器核，可以用于深入学习和理解如何在FPGA上实现完整的MCU。

• 比如 【tinyriscv】项目，配套有【从零开始写RISC-V处理器】教程，经过简单的移植和适配，就能在 20K上跑起来。

• 不过，FPGA毕竟是可编程的，其实现的逻辑思维很大还停留在程序层面，比如基本的门电路，只需要几个代码就能实现，而不是硬件的理解（比如与门就是 &）。而且也不是很酷。但此类资源较多，比如【CPU自制入门】这类的书籍基本都是基于FPGA实现的。

• 但是，FPGA仿真这一步，是设计和制造一块CPU芯片的很重要的步骤，所以它在CPU设计领域很重要。但是一般的玩家根本不需要考虑到CPU的实际生产步骤，所以它显得不是那么重要，所以有想深入钻研的，一定要掌握好FPGA。

硬件搭建实现

• FPGA实现MCU属于较深等级的实现，因为FPGA代码虽然简单，但要想堆叠出完善的硬件逻辑，还是需要花费一番功夫的，而且搭建出的东西宏观上也只是程序的表现，与实际硬件还是有些区别的。对于不需要考虑自己流片的入门者来说，搭建实物还是很酷的。
• 实际上，很多入门者都用硬件电路搭建CPU(一般都是MCU)。这些入门者不乏很多初中甚至小学的人才！（比如B站就有几个小学生自制CPU的视频，没有观看过，此处不做评价）。其他的很多都是用基本的门电路芯片，搭建出基本的MCU核心电路，有些还在其上面实现了复杂代码运行（需要实现适配的编译器），还有些跑出了较为复杂的界面环境：
  
  其中的第二个【74门电路自制8位CPU(原创)】，有着较为完善的C语言编译器和操作系统以及CPU指令集，还提供了开源文件：
  
• 当然，上面都是用现成的门电路芯片拼装组合的，还可以从底层直接二极管三极管等分立元器件搭建电路，但是比较复杂和耗时，不如用完整的门电路来实现，只需要考虑芯片的电压、功率等参数即可组装实现。
• 硬件搭建推荐先用上述的一些仿真环境进行仿真验证，再进行硬件的实物实现，节省时间和金钱。当然，很多网购平台也会有一些商家提供设计好的成套硬件电路，购买来焊接学习即可。

指令集

• 上述的一些教程中含有指令集的介绍和实现，这也是实现一个CPU必不可少的步骤，因为CPU运行的最终目的，就是要实现能够执行不同的指令。
• 指令集是适用于操作底层硬件的代码，属于数据二进制的语言化的代码。因为底层硬件都是0和1组成的数字门，而操控它们只需要基本的二进制。但为了方便操作，不用去写繁杂的二进制数据，于是将他们按照运行逻辑进行分类，整合成了各种指令。而将指令转为二进制机器码的过程就需要编译器的存在了。
• 我们常用的汇编语言，就属于指令集操作语言，也因此，不同的CPU架构会有不同的汇编语言，甚至不同的单片机的汇编语言都不同。
• 当然，这一部分也可以单独学习【从零开始制作自己的指令集架构】

编译器

• 不论哪种语言，最终转换为机器码来运行前，都需要编译器。将指令集转为机器码的过程也需要编译器的存在。
• 汇编的编译器较为简单，就是将指令集转为二进制机器码；而高级语言的编译器，则有更加丰富和完善的编译条件，但为了方便兼容不同的CPU，一般都先编译为对应CPU架构下的指令集语言，再由指令集编译为二进制机器码。编译出更加优秀完善和简短的指令集意味着编译器更加优秀。
• 这一部分的资源感兴趣的可以自行了解学习。

总结

以上是对于探索CPU运行流程并自己手动实现CPU的一些资料。大多数都是实现的8位甚至更低bit位的MCU。但目前来说，基本原理都是一致的，对于入门了解和个人设计，完全足够；更高位的CPU，需要团队配合才能实现，靠个人是很难实现的。
实际上，要想实现一个8位甚至更低位的完整的、带编译器甚至带操作系统的CPU，都不是一件简单的事，需要大量的知识积累和时间花费。虽然道阻且长，行则将至，但是也要考虑个人的人生长度，切莫随意造轮子，浪费没有收获的时间。

目前我也算是刚入门，也没有足够的时间去实现，对于设计一款CPU，设计一款编程语言，在CPU上用编程语言实现一款操作系统，这几个系列想法，虽然现在能力上可以开始准备了，但也不知能不能实现。

• 本文水平有限，内容很多词语由于知识水平问题不严谨或很离谱，但主要作为记录作用，希望以后的自己和路过的大神对必要的错误提出批评与指点，对可笑的错误请指出来，我会改正的。

• 另外，转载使用请注明作者和出处，不要删除文档中的关于作者的注释。

随梦，随心，随愿，恒执念，为梦执战，执战苍天！ ------------------执念执战