电子说
因为我有相关经验,解释一下令人惊叹的地方。
焊接挑战:
其实对于熟练焊工,焊点不良率控制在1ppm以下倒不是那么令人惊讶(对于一千个焊点的产品,1ppm的焊点缺陷意味着产品缺陷率为千分之一),如果采用有铅焊锡,并不是很难。当然,用无铅焊锡(环保要求,现在正式工厂不让用有铅焊锡)难度会比有铅很高很多。但是个人制作,不需要用无铅焊锡,所以难度大大下降。
对于错件,原因有两个,图纸错误,插件错误。前者可以靠仿真解决,电路图对了,那么插件图也就可以正确。后者靠细心同检查了,也能解决。
最容易错的不是错件,而是错线。
因为从视频中走线看,UP主不用线束,而是散线,所以很难画走线图。
用线束容易有干扰,除非用屏蔽线。我在90年代做高灵敏度磁头放大器、高灵敏度电唱头放大器的时候,曾经面临严峻的信号串扰的挑战。
所以,在各种原型的制作中,有时候为了降低干扰,要求走线很短很紧凑,确实不好用线束。
但是,不用线束不好画走线图,没有走线图的画,这么多焊线太容易眼花导致出错了。
当然,我们可以彩线来防止错线的。彩线种类太多,除了各种单色线(红橙黄绿青蓝色黑白),还有组合花色线(红绿花、黑白花、红白花、绿白花、橙白花。。。。)可以很好的解决这个问题。
这种彩线某宝上可以很方便的购买,一排排的彩排线,不是很贵。
更不可思议的是,从视频中看,该UP主主要用单色线。
其实该UP是有买彩排线,但是从视频中看,该UP主仅仅是当顺序接线用,而不是当乱序接线用。
其实彩排线如果作为顺序线用,相比单色排线优势不大,其优势主要是在乱序接线中。
UP主不知是没有经验,还是自信,居然在乱序接线中用的单色线,而不是用彩线。
干扰挑战:
1、这东西如果想像ENIAC那样工作的话,必须模块化设计,另外,必须解决信号窜扰的问题。
ENICA是用电子管做的,早年的电子管信号的上升沿跟下降沿都很缓慢,并且工作频率仅仅大概是5K左右,串扰不是很严重。
而现在的三极管开关性能远远强于以前的电子管,上升沿跟下降沿都很陡峭,会有严重的高次谐波成分。
如果用现在的三极管,为了让上升沿下降沿变得缓慢,需要用电容滤波。
未见措施:
该UP主只提到了电阻、二极管、三极管
视频中导线仅仅是裸线而不是屏蔽线,更要命的是这些线都离得很近。
大家别看到有别的设备线离得很近就照抄照搬。
如果是加了驱动的输出信号,因为源阻抗低,对于数字电路来说,并不容易到干扰。
注意,必须是双向低阻,推挽电路(比如CMOS)必须上拉或者下拉,共源电路漏极开路或者共射电路集电极开路接上拉电阻的不行,除非上拉电阻很小(很小的上拉电阻又会造成很大的电流)
但是如果是输入信号,因为阻抗高,哪怕是数字电路,当其他信号快速变化时,假如电平上升或者下降的速度过快,该输入端会收到其他信号上升沿同下降沿的信号,从而产生毛刺。
这些信号毛刺通过电容、施密特电路等等措施处理掉之后,不会影响后面的逻辑。
元件太少:
但是,UP完全没提到施密特电路同电容。实际上从UP说的元件数量,其集成度也不支持做那么多施密特电路。
地弹挑战
很明显,该UP主用的电路不是现在流行的差分电路,而是单端信号电路。(不学电子很多年了,忘了怎么叫了,大家明白意思就行了)
现在大家都用差分电路,所以这个问题可能已经很难碰到了。
单端信号电路有个重大的问题很难解决,该UP主居然提都没提。
这个问题就是地弹问题(rebound,我不知中文怎么讲,我学电子的时候,国内没这个概念。这个概念是90年代跟老外学的。地弹这是我自己的翻译)。
地弹原理:
在非射频电路中,需要形成回路才能形成电流。在单端信号中,从信号线流出去,从地线流回来。
主要,地线可不是大家画原理图中理想的地线。原理图中的地线是没有电抗的(包括电阻、电感)的,实际的地线是有电抗的。信号“流出”的时候,经过地线会产生压降。
本来这不是问题,信号“流出”的时候,也会在信号线上产生压降。数字电路容限大,给数字电路设置合适的阈值就行了,不会是问题。
但是,对于单端信号来说,地线是公用的,这就要了命了,多个信号都会地线上产生压降,这个压降等于瞬时电流x电抗。
对于输入端来说,输入的信号是输出的信号叠加上地线的电压。因为信号众多,信号输入端产生复杂的叠加,产生干扰。
因为集肤效应,导体电感等等因素,频率越高,电抗越大,所以地弹越严重,干扰越严重。
所以,这个也会在输入信号中形成毛刺。并且这个毛刺没经验的人很难发觉(因为你测试的时候,你测到信号是基于参考点的,测到什么信号,取决于你的参考点)
有两种方法可以改善这个问题。
1、合适的防止退耦电容来短路信号回路、
2、大面积敷铜来降低电抗(所谓接地层).
在该三极管CPU视频发布之后一个月,另外有个UP主上传了一个用门电路手搓CPU的视频中,我看到相关的UP采用了这种方法来处理
在本三极管CPU的视频中,我看不到相关措施。
频率挑战:
因为该CPU有如此长的线,信号在这些线上传输会产生复杂的延时、干扰,所以频率不能过高。
做个参照,
@温戈
回答(见文末链接)中提到的ENICA,我记得是5KHz。
该CPU虽然尺寸明显更小,但是设计,工艺明显更差,我觉得很难超过ENICA的工作频率。
再找另外一个参照Intel 4004,这是是英特尔制造的一款微处理器,片内集成了2250个晶体管,晶体管之间的距离是10微米,能够处理4bit的数据,每秒运算6万次,频率为108KHZ,前端总线为0.74MHz(4bit)。4004的最高频率有740kHz,能执行4位运算,支持8位指令集及12位地址集
有人回答说说该CPU的工作频率是“100KHz左右“,我是不太信的。
在视频中这种工艺、设计的水平下,我非常惊讶达到这种频率。
原UP主在另外一个视频中说频率是13KHz,更合乎逻辑。
内存挑战:
手搓CPU,我直觉上最多用8KB(64Kbit)的HM6264(如下图) 8K*8bit,
芯片图来自文献2, 但原文献所说2V电压不对,100ns,50/100uA, 55mA 4.5V 至 5.5V,通过使用两个芯片使能输入(/CE1、CE2)和低电平有效输出使能 (/OE),
这种RAM不像后来的FP DRAM(Fast Page RRAM)同EDO DRAM(ExtendedDateOut DRAM),是没有地址锁存功能,所以不分行地址、列地址,容量每扩大一倍,就要多一条地址线。
但是很多回答引用的文章说该UP主直接上了512KB的HM628512,当然,这个问题不是很大,多出来的A线直接短接置0或者置1都行。
注意,HM628512的数据位宽是8位的512KB SRAM,该UP主视频写的是64KB.
注意,我们说的英特尔4004、8008等等早期低集成度的CPU是不带内存控制器的。
4位 Intel 4004 微处理器仅仅是 4 芯片组的一部分,这个被称为 Intel MCS-4 的 4 芯片组包括微处理器、ROM、RAM 和用于 I/O 扩展的移位寄存器
代码挑战:
注意,很多答主引用的文章HM628512是ROM,我没看懂。这个ROM做什么用?
ROM要求掉电后数据依然存在,HM628512掉电后数据就没了,这点我没看懂。
从手扣代码的视频来看,代码部分像是用一大堆的拨动开关实现的,
规模挑战:
4004的CPU是2250个晶体管,4位机。
最早的8位微处理器8008是3500 个晶体管,8008可以支援到16KB的内存。
对应的 CTC 8 位板级处理器,内置约 100 个 SSI (Small-scale-integration小规模集成电路)和 MSI(Middle-scale-integration中规模集成电路) TTL 芯片
本三极管CPU做的是8位机,1000多个三极管、2000多个二极管,电阻数量2000多,直觉上感觉元器件数量不够。
不过,很多门电路如果用三极管实现,可以简单化,比如一个与非门,可以直接用两个二极管加一个三极管做共射电路实现。但是,会产生我前面提到的问题。
而从原视频中看相关工艺,又似乎并未尝试去解决这些问题。
不知道熟悉电路的
@朱玉龙
大神,
@invalid s
有啥感想。
我的隐忧:
从工艺的角度看,用门电路手搓CPU我倒还是相信,我早年接触的IBM XT的主板上也全是74系列门电路来实现内存控制,IO转换,工艺上没有太大的问题。
并且,那个手搓门电路CPU的UP主还把各种设计文件开源了。
用三极管手搓CPU,也不是不可能,只是我觉得工艺上要非常小心。
看了三极管CPU的视频同大家回答中转载的介绍,因为没有看到其设计文件,总是难以置信。
这感觉就像看到有人手搓迷你版的运载火箭一样。
运载火箭都变成迷你版了,当然也不是不能手搓。但是看到这个迷你版的运载火箭,用的是便宜的水洗煤,这个我就惊讶了。
所以,我一直想排除一种可能:
该三极管CPU最终制作失败了,作者被折腾得精疲力竭,但是又不想白忙,毕竟亚历山大大帝当年也是一剑劈开了Gordian knot。传说:戈尔迪乌斯国王打了一个十分难解的结,即戈尔迪之结(Gordian knot),并称谁能解开便会成为亚洲的统治者,结果亚历山大大帝大刀一挥挥剑将结斩断。
于是:
1、因为纯粹驱动LED对逻辑的准确性没有太严格要求,错了对显示结果的影响也不明显,所以改成了一排排LED的驱动电路,然后用单片机实现了相关功能。
2、因为做流水灯不需CPU,可以用双稳态加延时等等很多方法实现,原作者最后仅仅做了流水灯的一套实现电路
然后作者拍了视频上传说是CPU成功了。
后话:
原UP主花了两年时间做这个奇迹工程,其心血同汗水值得尊重。并且,他在板上安置了大量LED(发光二极管)看起来也像是为了方便查找问题(其实,这种情况下,用发光二极管取代普通二极管是一种很好的调试方法)。
如果该CPU确实其实没有正常运行,我希望它能够早日正常运行。
如果该CPU确实运行正常了,我希望看到更多设计详情以满(da)足(xiao)好(yi)奇(wen)心。
作者:老年DLCZMU
来源:知乎
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审核编辑 黄宇
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