强！用集成电路手工打造CPU

    在如今越来越靠程序化、流水线作业来完成生产的制造业中，想找一件手工打造的产品，真是越来越难了。

    好在当今社会中，还是有一些强人在孜孜不倦的在完成着心中的“完美DIY”梦想。因此也使我们多了一些大开眼界、崇拜和向慕的机会。

Magic-1是一个名叫Bill Buzbee的家伙手工打造的CPU，也是基于这个CPU制造的计算机的名字。“制作Magic-1的念头是在一次午餐中冒出来的”，Buzbee说。Buzbee是一位编译器作者，但他为自己不熟悉CPU的实际工作而感到郁闷，因此想到动手来亲自作一个CPU。Buzbee在大学时候没有学过任何电子类的课程，而且对于晶体管、电阻、电容等也只是一知半解。他的朋友Ken想到有一本老杂志曾经介绍过如何使用TTL集成电路来制作极其简单的CPU，并推荐他去看一看。一周后，Buzbee找到了这些文章，并全部读了一遍。然后在下一次午餐上，Buzbee对Ken说起决定自己打造一个CPU，Ken说：为什么不呢？于是，Bill Buzbee的Magic-1项目拉开了序幕——

2001年12月6日 Buzbee开始写项目日志，并为自己制定了一张艰难但还算乐观的日程表 

2001年12月18日 完成错误处理和中断机制的基本设计 

2001年12月29日 完成微代码的第一轮设计 

2002年1月6日 完成了Magic-1模拟器，可以对调用/返回指令序列进行跟踪 

2002年1月8日 模拟了Fibonacci函数，并丰富了软件接口约定 

2002年1月13日 Magic-1汇编器（qas）成形 

2002年1月18日 决定是选择大尾数法还是小尾数法表示整数的字节顺序，最终选择了大尾数法 

2002年2月28日 在模拟器中完成了页面错误机制 

2002年3月9日 决定使用普通电线来进行连线 

2002年6月3日 对指令集架构进行了意义重大的改变 

2002年6月4日 用C语言编写了Fabonacci程序并编译为Magic汇编程序 

2002年6月22日 改用分立的数据和代码地址空间 

2002年6月25日 设计用于多进程的上下文环境切换 

2002年7月12日 完成对微代码的重写工作 

2002年8月13日 放弃对rotate指令的支持 

2002年9月11日 上了Gil Smith的一堂电子电路课程 

2002年9月22日 从eBay上买了板材和外壳 

2002年的其他日子 向Ken Sumrall请教如何使用寄存器，从他那里学到了Ohm规则 

2003年3月30日 从Jhon Doran的D16/M中得到了灵感，完成了ALU/寄存器板的架构 

2003年4月13日 完成控制板的架构 

2003年4月14日 思考前面板的架构 

2003年5月3日 第一轮架构设计完毕 

2003年5月6日 将构建环境从Linux一直到Windows 

2003年5月16日 构思新的Magic-1模拟器 

2003年5月27日 在新的模拟器上成功运行了Fibonacci程序 

2003年6月3日 完成了新的汇编器功能 

2003年6月21日 Magic架构验证和测试用例达到了100%覆盖率 

2003年6月23日 Alistair Roe通过email提出了Magic-1外壳的构想 

2003年8月3日 将LCC（C编译器）一直到了Magic上 

2003年8月10日 在模拟器上成功地实现了Fibonacci程序的C语言版本 （这一天是Buzbee的生日） 

2003年8月27日 从David Conroy那里学到了信号完整性 

2003年9月18日 决定使用普通的带皮电线进行连接（奇怪，前面已经决定一次了） 

2004年1月3日 完成了全部的设计工作，开始制作 

2004年1月18日 Magic-1有了第一次心跳 

2004年1月26日 前面板完成 

2004年2月9日 内存板完成 

2004年2月20日 EPROM子板完成 

2004年2月26日 设备板完成 

2004年3月7日 微代码序列成功运转 

2004年3月9日 执行了第一条指令 

2004年3月19日 控制板完成 

2004年4月8日 尝试发布前期的工作 

2004年4月12日 ALU/寄存器板完成；同日被告知，发布尝试失败 

2004年4月13日 Magic-1成功运行了Fibonacci程序！ 

2004年4月25日 Dave Conroy的测试会话发现了不真实的内存碎片 

2004年5月3日 Magic-1能“说话”了 

2004年5月8日 运行“Sieve of Erasthones”基准 

2004年5月16日 完成了IDE接口，Alistair Roe完成了外壳设计 

2004年7月23日 发布基本架构 

2004年9月12日 用户模式程序可以工作 

2004年9月15日 运行“Dhrystone”基准 

2004年9月22日 使用copy-on-write实现了fork() 

2004年10月23日 Magic-1的Dhrystone得分达到了384（0.25MIPS） 

2004年10月31日 运行Colossal Cave Adventure 

2005年4月9日 Alistair Roe设计的外壳到货 

2005年5月13日 Magic-1的硬件设计完毕

镂空的顶板，可以看到内部的照明蓝光，非常绚丽

学过数字逻辑和数字电路的朋友一定知道，通过使用TTL门电路，的确是能够实现一个CPU的；笔者在大学时也曾在软件上使用74系列芯片模拟过功能非常简单的CPU。然而，Buzbee朋友搞得这个家伙却是一个功能完全的CPU，我不知该如何形容它的功能，我本想说“麻雀虽小，五脏俱全”，但是……

这款“家酿”CPU可以支持完整的硬件地址转换、内存影射IO和DMA，并且支持多进程，主频“高达”3MHz；该CPU采用8位地址总线，每个进程拥有128K地址空间，其中包括32个2K的数据页和32个2K的代码页，这些地址影射到22位的物理地址空间中，如果算上外部设备的地址空间就是23位物理地址空间。

怎么样？够强的吧？这还不算什么，这个Buzbee还用这个CPU组装了一台微型计算机，名字就叫Magic-1，这台计算机包括两个串口和一块20M的1.3吋硬盘和另一块30M硬盘。最让人“乍舌”的事，这位朋友还将这台计算机做为一个Web服务器，同时支持Telnet会话（虽然只支持一个会话）。哦，还有，为了让这个系统能够跑起来，Buzbee还为它准备了一个C编译器！
ALU/寄存器板的元件面

ALU/寄存器板的连线面

控制板的元件面

设备板的元件面，中间有一块锂电池

看看背面连线的局部图