你所不知道的經典科技發展史：以前 CPU 如何設計出來的？

【Technews科技新報】從無到有（make something from scratch）一直是工程師的浪漫，例如自行調配出操作系統、自己寫系統核心等（如 Linux）。然而在家從無到有打造出「一顆」CPU 就沒聽過了吧？最近有一位 YouTuber 就在免焊萬用電路板（俗稱麵包板）上，以跳線實做出自己設計的 CPU。

Paulo Constantino 自製的 CPU。（Source：影片截圖）

CPU（中央處理器），這麼一小顆神奇的高科技黑方塊，是現代電腦的核心元件，大多數電腦設備都是 64 位 CPU，技術層次之深、設計之複雜，要從無到有重新設計、打造出全新的 CPU 談何容易？1970 年代個人電腦剛萌芽時期的 Intel 8008、Zilog Z80 等 8 位處理器相對單純原始，應該比較容易做得到吧？儘管如此，從無到有開發出一個新的 8 位 CPU 也不是容易事。

不是 AMD、Intel、ARM 等大公司，自己打造 CPU 有可能嗎？YouTuber 保羅·君士坦丁（Paulo Constantino ）就向大家證明了這並非辦不到的事。他在自己的Github進行名為 Dreamcatcher 的完全自行開發電腦計劃──把電腦里每個必要元件都重新設計、手工做出來。

對未受過訓練的人來說，君士坦丁的 CPU 作品看起來就像板子上一團又一團的電線。他的作品基於 74HC 系列的 CMOS 積體電路，插在麵包板上用電線跳接起來，他花了兩天時間畫電路圖、一個星期時間實際製作。目前還很簡陋，編寫程序需要用 DIP 開關進行，根據影片，目前只運作過簡單程序：從 0 記數到 255（用一排 8 個 LED 燈以二進位表示）、演奏音階、演奏走音的馬里奧兄弟主題曲。

簡陋歸簡陋，不過影片拍攝的時候是 8 位，現在已經進化到 16 位，一共擁有 256 道指令的指令集（instructions），現在還做好了簡單的 BIOS（基本輸入輸出系統），當然又是另外一團電線亂亂的麵包板。謝天謝地，終於可以輸出畫面到屏幕上了，君士坦丁的下一個目標就是再做好連接鍵盤的功能，這樣寫程序就方便多了，最終目標又能運作 MS-DOS 或 Minix 系統。

Paulo Constantino「寫」程序的方法。（Source：影片截圖）

這樣用麵包版繞線做 CPU 原型簡直就像愚公移山，不過今日我們認為 PCB 印刷電路板印製、硬體描述語言（Verilog VHDL）、FPGA（可程序化的積體電路）技術是理所當然，而 1980 年以前，還沒有這些技術，CPU 原型就是如此打造。一位矢志從無到有重造輪子的自造者，自然要用古法來製作 CPU 原型啰。

Z80 CPU 的原型。（Source：By Wikinaut (Self-photographed) [GFDLorCC BY-SA 3.0],via Wikimedia Commons）

EASY-4。（Source：影片截圖）

看過君士坦丁的作品，我們可能以為全世界就只他一個瘋子，其實不然，這種手作 CPU 的非商業項目以前就有了，例如說一位日本老前輩在 1975 年時自製 16 位 CPU 作品「EASY-4」就是其一，而且現在還在繼續改良。

Magic-1 CPU。（Source：影片截圖）

看膩了一團又一團電線後，讓我們來瞧瞧 Homebrewcpu自製的 16 位迷你電腦Magic-1，這個 CPU 體面多了，有個漂亮的外殼，設計也是採用 74 系列的積體電路，比起起步沒多久的 Dreamcatcher，Magic-1 更神了，它靠作者一人獨自開發了十年，最後完成完整電腦，系統時脈雖然只有 4.09 Mhz，但執行的系統可是多人多工的 Minix 2，不只會從 0 數到 255，還是一台連上網路的 server，其上運作了網頁伺服器提供這個網頁，還可用以下這個命令登入：

telnet magic-1.org 51515

帳號是「guest」、密碼為「magic」，假如你會 Unix 指令，可以好好探索一番，裡面也有經典程序如 Eliza、Conway』s Life 或 Hunt the Wumpus。如果你不嫌棄這台機器的龜速，上面也有 C 語言的編譯器可供開發程序。

更進一步，用積體電路在麵包版上繞繞線做 CPU 不算什麼，更有趣的，是完全用電晶體做自己的 CPU。巨無霸處理器──詹姆士·紐曼（James Newman）的 Megaprocessor 項目就是這種計劃，該計劃目標打造巨大的「微」處理機，足足有一個房間那麼大。

它是一「顆」16 位的 CPU，內含 4 萬個電晶體，光是一個 8 位加法器的元件就有一個大人腳板那麼大，運作時脈達 20Khz。這個大傢伙看起來就好像 1950 年代的大型電腦還魂，也像一些老派科幻電影里才會出現的電腦。

類似的計劃，在 YouTube 搜索 homebrew CPU 可以找到各式各樣作品。然而說回來，這樣依古法重造輪子不是很浪費時間跟聰明才智嗎？這些人瘋了嗎？其實不然，比如說現代大大小小電機設備的基礎──馬達（電動機）我們已司空見慣了，但還記得國小高年級時，自然科學的課程要求每個小朋友用漆包線、鐵釘、磁鐵手工打造電動機嗎？其實大家小時候做的事情跟 19 世紀馬達的發明人做的事情沒兩樣。

現代美術的核心已是以電腦繪圖為主，然而美術基礎教育仍是從鉛筆、炭筆素描與水彩靜物和戶外寫生開始，為什麼學科要這樣安排，是因為透過手作創造早期經典，能最佳掌握一門學問的核心原理，例如說《大人的科學》雜誌也是在做類似的事。

今日的 CPU 已發展到內含數十億電晶體，一個高端語言程序原碼用編譯器生成可執行機器碼後，CPU 實際執行時的運作細節每每不完全為我們掌握，就像黑盒子，甚至 CPU 有可怕的設計漏洞我們也渾然不知使用許多年。

對資訊科學的教育而言，搞懂 CPU 的運作機制有其必要，以前述 Megaprocessor 項目來說，其實就是英國電算科技歷史中心（Centre for Computing History）的展品，由於全面使用電晶體實做，所以可把微處理機放大到每個單元──運算／邏輯單元（ALU）、通用暫存器、特殊暫存器、狀態機、IO 輸出入等，能分門別類呈現在眼前，輔以滿滿的 LED 燈顯示，得以即時觀測 CPU 如何執行程序，而不用跟哆啦 A 夢借縮小燈鑽到市售 CPU 里。

Megaprocessor 是非常有教育意義的一台機器，Magic-1、Dreamcatcher 等較小型土法鍊鋼做出的 CPU 呢？探究他們的開發者，不全然只是業餘嗜好，許多是軟體工程師、資訊科學系所的大學生，為了設計好的編譯器或純粹想搞懂 CPU 運作原理而實際打造。

當我們在說「為什麼我們做不出自己的引擎？」「為什麼我們做不出自己的 CPU？」抱怨基礎科技力低落時，是不是應該要自省：我們是不是問得多、做得少，做得不夠深入呢？以後看過教科書的理論，不妨親手做看看，先不管啥崇高的理念，Just for fun！

（首圖來源：影片截圖）

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維基媒體協會理事、開源碼軟體創作者、音樂人，關心開放原碼軟硬體的發展，以及在創作上的應用。

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