是否可以用晶体管(常规的)构建自己的CPU?
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2021-01-20 10:26 更新 错位时空 •  865
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当然可以,因为这项技术已经完成,它就是:MOnSter 6502

一个分离集成电路项目,使经典MOS 6502微处理器的晶体管规模完整、工作。

6502是著名的处理器,位于诸如Apple [],Commodore PET,Atari 400和800家用视频游戏机,BBC Micro和Tamagotchi数字宠物等有影响力的计算机系统的核心。 在Commodore 64,Atari 2600和原始的Nintendo Entertainment System中发现了它的微小变化

这是一块四层电路板,尺寸为12×15英寸,厚度为0.1英寸,两侧都有表面安装元件。

板上总共有4769个组件。6502的“功能”部分共有3218个晶体管和1019电阻。 除这些之外,还散布着LED、指示各种控制线、寄存器和状态位的值,以及其他晶体管和驱动这些LED所需的电阻(不计入“功能”总数中)。

从板的第二版开始,设计统计数据如下: 与原始6502中的晶体管1:1对应的组件: 有源晶体管总数:4237 3218增强模式N沟道MOSFET 2588分立 630位于164个四极管阵列芯片上(未使用这656个晶体管中的26个) 1019电阻器(原始的6502使用耗尽模式MOSFET代替电阻器) 998仅在MOnSter 6502中存在的附加部件: 313个LED(视频中显示的第一个修订板只有167个LED) 270个额外的MOSFET用于驱动LED 20个滤波电容器 32个总线电容器 2个零欧姆跳线,用于网络连接 8个限流电阻 314个LED电阻 36个用于ESD保护的二极管 2个5 V电源插孔:主位置和备用位置 1个用于40针“ ICR”带状电缆的矩形连接器 零件总数:4769

MOnSter 6502迈向2020年初全面上市! 第一个全尺寸原型机在2016年的Bay Area Maker Faire上公开展示。

它不能以原始6502芯片的全速运行,比较慢 由于设计的电容更大,因此MOnSter 6502的运行速度约为原始速度的1/20。 最大可靠时钟速率约为50 kHz。时钟速度的主要限制是我们正在使用的MOSFET的栅极电容,该电容比原始6502裸片上的MOSFET电容大得多。

但是,值得注意的是不可以将其直接连接到Apple []并运行Oregon Trail。你可能会想到将MOnSter 6502的插入在线仿真器(ICE)在线复制(ICR)电缆直接插入Apple []内的插座,但这实际上不起作用。 Apple []设计依靠许多巧妙的技巧,这些技巧可以从主时钟信号中得出视频生成和外围设备控制的时序。如果您需要以较低的速度运行,所有这些都会失败。

有一些方法可以克服这些限制。例如,Replica I计算机(Apple I克隆)使用Parallax Propeller芯片来仿真系统时钟和某些与时间有关的外部处理。 该RetroShield 6502是一个实现Apple []兼容软件,可以使用硬件6502处理器的另一个例子。即将推出的SmartyKit Apple I副本专门设计用于以较低的时钟速度运行。

那怎么办呢?在可以以相对较低的时钟速率运行的任何电路中,它都可以充当6502集成电路的在线硬件仿真器。 我们目前正在定制的6502开发板上运行它,并且执行与运行BASIC相似的操作,就像在Apple []上一样。我们还将其插入了可以以可变时钟速度运行的一些人的自制6502计算机(包括Cactus和RetroShield 6502)的CPU插槽中。

并不是最严格意义的“离散6502”,这实际上取决于大家的需求。 MOnSter 6502使用原始的动态NMOS逻辑设计,在单个晶体管级别实现。 动态NMOS需要大量用于切换电流的“传输门”晶体管。由于各种技术原因,只有4端MOSFET才能构成有效的NMOS传输门。

由于这些晶体管确实共享一个引脚,因此MOnSter 6502中存在(严格地说)集成电路。 但是,由于该电路中没有(例如)任何逻辑门芯片,因此可以令人信服地认为这是一种分立晶体管设计。

电路板边缘周围的40个方形焊盘对应于原始6502集成电路的40个引脚。 它们的设计还看起来像是IC裸片上的引线键合焊盘,在这种情况下,IC将物理连接到(例如)40引脚DIP封装内部。 这些焊盘是MOnSter 6502上的功能触点;您可以将它们与鳄鱼夹挂钩,以探查或与任何销钉通信。

它在5 V时的功耗大约为2 A,或总计10W。LED是功耗的重要组成部分。

如果用通孔零件而不是表面安装零件制成,则MOnSter 6502的尺寸是约19平方英尺(1.7平方米)。

iPad Air 2中 的Apple A8X包含约30亿个晶体管。(这也相当于现代台式计算机CPU中的晶体管数量。) 在MOnSter 6502的规模上,这大约需要885,000平方英尺(超过20英亩或8公顷),面积约为940英尺(286 m)平方。

当然,相信未来会越来越好

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2021-01-20 11:30 更新 张宇哲 •  2152