如何製作一台計算機？

01-01

題主是大一CS專業的一個學生，突然產生一個想法，能不能用一年的時間做一台計算機？
查閱了一些資料，首先看到有人用邏輯電路在Minecraft里製作了一個小型計算機…於是我大大降低了做一個計算機的預期難度。
但是看了一些計算機的歷史，卻發現無論是帕斯卡、萊布尼茨的機械式計算機，還是有人用晶體管和導線搭建的CPU 2-3MHz的計算機，都有著極高的複雜度…
那麼三個人在一年內做出一台計算機有沒有可能？做出可以用機器語言編程序的機器有多難？
註：並不打算使用諸如單片機晶元的任何技術黑匣子…

首先，題主要明確你要做的計算機包含哪些東西？看題主的意思似乎是只有一個CPU，實際上計算機還包括內存、外存、輸入輸出設備這些，不知道題主是否考慮過這些硬體的設計。

如果只設計CPU，那麼應該說，不太困難。

但如果題主是大一新生，那麼我覺得可能需要學習一些基礎課才行。

首先要學習的是電路基礎，包括模電（模擬電子技術）和數電（數字電路），其中模電如果時間有限可以不學，但數電是必須要學的。

學會了數電，就可以設計出寄存器、加法器了，並且應該掌握了門電路的使用，有了這些，如果動手能力足夠強，使用74xx系列的晶元設計一個簡易的計算器已經並不困難了，類似的實驗很多本科生都做過，我也做過。

第二步：題主要學習的是計算機介面技術，以及彙編語言，懂得如何把數字信號輸入輸出（通過PC調試器或者別的東西）。

第三步：學習計算機組成原理、編譯原理等內容，搞清楚微指令的概念，剩下的工作就是設計一套合適的指令集和微指令，把各種門電路結合到一起就可以了。

當然，還有一些周邊的東西也需要學，不過這些東西也可以用現成的，比如時鐘信號怎麼處理等等（模電會有介紹），自己買一個做好的時鐘也是可以的。

設計一個CPU，並不是一個特別高深的東西，一個合格的計算機專業的本科生，基本上都能學習到設計CPU的基礎知識。設計CPU的困難點在於：它太複雜了，你畫一個電路圖，上面如果有10個門，那麼很簡單，有100個，就有點麻煩了，如果有1000個、10000個呢？

這東西跟編程是一個道理，寫出1000行的程序的難度，和寫100行的難度是不一樣的，一個人獨立寫10000行，就算很厲害了，這都是一個道理。

就是你需要有一個整體感，能對整個框架和細節都了解清楚。

設計一個加法器、乘法器、寄存器，都不困難，但如果把幾個、十幾個加法器、乘法器、寄存器都組合到一塊，就困難了。

真實的CPU在設計上，還有一個困難就是高頻下工作的問題，但如果CPU的主頻在10Mhz以下（如果晶元不好就按1MHz來設計），那麼就暫時不會遇到這種問題。

另外，我見過有本科生設計出來過CPU，指令集是模仿8086的，能運行彙編指令，百度以下應該有類似的新聞，可能還不止一個。

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我記得我上大學那會就聽說有人用TTL電路做了一個模擬CPU，可惜鏈接沒有找到，找到一個老外的：耐心很重要看國外牛人自己動手在家裡搭建CPU_愛活網 Evolife.cn

只要有耐心，我認為計算機本科階段的知識是足夠的。

另外，與CPU相關的還有中斷控制器、內存控制器，這些東西也是要考慮的，以及I/O匯流排等等，這需要對計算機硬體有足夠的了解。

另外，我不推薦用FPGA，用FPGA最簡答，但沒什麼成就感，要知道從一個加法器做起還是蠻有成就感的。

可以參考一下這個項目： Homebrew CPU Home Page

[知乎起手式]

竟然沒有人提 From Nand to Tetris（Coursera - Free Online Courses From Top Universities）這門課？這門課 PART I 的目標是從 NAND Gate 出發，最後搭出一個運行在模擬器上的計算機並且用 ASM 編程。PART II 的目標是在 PART I 的基礎上造一個高級語言的編譯器然後再用它來寫一個俄羅斯方塊。看起來很好玩啊有沒有！

因為這門課涉獵廣泛所以可以預見深度必然不足，所以在玩這門課的同時也不要把計算機組成、計算機體系結構這些很重要的課落下了。三個人一年能不能做到這個很難說，但是「多快好省」是幻覺這個錯不了。

如果覺得老師上課講得不好（可是我一直都覺得蛤工大已經很高上大了誒），可以參考下：

清華、北大的公開課
UCB 的 CS61C（Machine Structures）
CMU 的 15-213（Introduction to Computer Systems）
CMU 的 18-447（Introduction to Computer Architecture）
Coursera 上面 Princeton 的 Computer Architecture

google CMU ECE 18447, 所有slides, labs網上都能搜到，youtube有所有lectures的視頻，需要組成原理和數電知識做先修。整個labs你能堅持下來，可以搞出簡單cpu了。然後用verilog在fpga上實現，自己加些io。part time一年搞定應該沒啥問題

不難。

CPU方面可以看一下我們大二上學期的計算機組成原理課程要求。

用Verilog做出來一個單周期CPU意味著你得重修。從門電路畫圖搭起單周期CPU？那個不過僅僅是第三次作業罷了。

做出來一個支持10條指令的流水線CPU也意味著你這門課程才僅僅是及格而已。

下面附上課程要求一張。圖中不包括P1、P2、P3,簡單的說一下，P1包括從門電路開始搭建加法器、ALU、GPR寄存器等，P2較水，學習彙編語言的使用，P3則是用P1的部件搭建一個支持10條指令的單周期CPU。

你數電模電好好學的話做個小 CPU 出來應該問題不大。。。至少能做個 ALU 出來是肯定的。。。

先看一下《編碼的奧秘》之類的書籍，大概了解一下指令是怎麼控制硬體的，估算一下難度，然後就是數字電路等。建議使用74系列，純晶體管的話工程太龐大了。

指令集可以參考現有的計算機或單片機的指令集，軟體方面，可以自己寫一個簡單的彙編器，高級語言編譯器的話可以移植現有的，比如TCC，LCC。

說實話，我也有這方面的想法，但我打算只做CPU。

個人認為三年時間足夠。

建議讀完這本書，先對計算機有個基本的了解

用fpga現成的多的去了。

推薦你一本書&

這本書大概講的就是如何使用FPGA設計一個CPU，並且製作出實物來(從原理圖設計到PCB製作都有講)不過精髓大概是在前面講用Verilog代碼編寫CPU的這部分。

計算系統要素 the elements of computer systems

我不認為Verilog或者類似的語言反應了製作計算機的真實難度，也不認為和計算機有什麼關係。如果可以，學習下圖靈機吧。