全世界性能最差的CPU：时钟频率1Hz

Switch Science网站上，一款号称“世界顶级低性能计算机”的“1位CPU组装套件”从12日开始发售。售价为2500日元（约合117人民币），但目前已经售空。由 NAOTO 制作。

虽然世界上最快的CPU纷纷推出，采用Core Ultra和第五代Xeon等尖端工艺，但这款产品却是一款逆时针的产品……或者更确切地说，是一种终极的堕落产品。通用寄存器是惊人的1位x 1，地址空间是2位，地址总线宽度是1位，ROM容量只有4位，程序计数器也是1位。

有两种指令集：“ADD”和“JMP”，唯一的算术运算是1位加法（XOR）。时钟频率约为1Hz。你能做的就是“L闪烁（LED闪烁）”、“LED开”和“LED关”。就这样。

自然就不能使用键盘、鼠标、显示器等，通过板上的拨码开关进行操作，结果只显示在LED上。例如，如果要创建一个不断向A寄存器加1的程序，只需将DIP开关设置为“OFF/ON/ON/OFF”并将其用作助记符即可。

我买了一个，并做了一个体验。

虽然该套件需要焊接，但由于零件不多，因此组装起来很容易。基本上，您可以一边看完成的照片一边进行操作，但要小心 LED 等偏光部件。

所使用的元件包括2输入与非门“74HC00”、6电路施密特触发器反相器“74HC14”、2电路触发器“74HC74”以及双4输入多路复用器“74HC153”。组件可以是用于供电的USB Type-C连接器。

有说明说，为了避免焊接时的热量损坏LED，请浮动安装LED，因此请在适当的位置弯曲引线并在固定它们的同时进行焊接。

这些微控制器套件通常是 4 位或 8 位，可用于编写简单的游戏。然而，这台机器是一台被宣称为“世界顶级低性能计算机”的“1位机”。所以这个游戏有点难（笑）。

对于某个CPU应该调用多少位有多种思考方式，但是在这个套件中，通用寄存器（A寄存器）是1位x 1，地址总线宽度决定了可以处理的内存容量也是 1 位，并且随着处理的进行而加载目标，推进地址的程序计数器也是 1 位。

输出是一个LED，显示A寄存器的二进制信息，并且由于有两种方式：开或关，所以这也是1位。

1位的地址总线宽度意味着只有两个地址，0和1，也就是说只能写入两行程序。由于有两个地址，因此 1 位程序计数器就足够了，这是一个令人惊奇（但自然）的规范。

另一方面，一个地址（字）的大小为1位，不能同时表示操作码（指令）和后面的操作数（数字或地址），因此保留2位。

导致这款CPU性能低下的另一个因素是它的时钟频率为1Hz。由于它是“1Hz”而不是 1GHz 或 1MHz，因此该周期每秒进行一次。就连被誉为计算机鼻祖的“ENIAC”，据说也能在200μs内完成1次加法运算，光是这套套件的速度就快了5000倍。

让我们开始编程吧！

现在，这台机器是用机器语言编程的，但只有两条指令：“ADD（加法）”和“JMP（跳转）”。在每个之后，写入 ADD 命令要添加的数字（0 或 1），或者 JMP 写入要跳转到的地址（0 或 1）。

使用DIP开关设置指令和数据，这成为程序。ADD 指令在机器语言中为 0（关闭），JMP 指令在机器语言中为 1（打开）。该DIP开关是一个ROM，并且由于有四个开关，因此“ROM容量= 4位”。

由于指令很少，数据也只是一位二进制数，所以只能做“一位二进制数相加”和“Lticker”（LED闪烁），如说明书上所说。

一位二进制数的加法是使用助记符（一种更易于人类阅读的机器语言形式）完成的。

ADD A, 1

JMP 1

（第一行是“地址0”，第二行是“地址1”）。此时拨码开关设置为OFF/ON/ON/ON。当您按下复位按钮并执行时，关闭的 A 寄存器 LED（红色）将在下一个时钟点亮。这意味着“0+1=1”已经计算出来了。“JMP 1”表示停留在地址1，表示处理结束。

接下来，L Chika 助记——

ADD A, 1

JMP 0

所以 DIP 开关是关/开/开/关。由于地址0处加1，寄存器A的LED点亮。下面的地址1表示“返回地址0”，因此A寄存器加1。这是一个二进制数，表示“1+1=10”，但由于要相加的部分只能处理 1 位，因此进位被忽略并变为 0。然后又加1，于是就变成了L勾。

这个“忽略进位的一位二进制数相加”就变成了“0+0=0”、“0+1=1”、“1+0=1”、“1+1=0”，逻辑门“异或” （异或）本身。如果您实际查看电路图，您会发现它由使用四个与非门的异或门组成。

因此，简单来说，这款CPU可以称为“获得异或的设备”（或者不带进位功能的半加器）。

74HC74芯片是一个D型触发器，有两个电路，每个电路用来保存A寄存器和程序计数器的值。这也可以从电路图中读出。

顺便说一句，这个CPU似乎被设计为自动返回到地址0并循环，除非您在地址1（第2行）处指定停止（JMP 1）。该程序 -

ADD A, 1

ADD A, 1

（关/开/关/开），A寄存器中加1的速度是之前L代码程序的两倍，因此A寄存器中的LED也继续以两倍的速度闪烁。

说到单板计算机，流行的Raspberry Pi 5最新版本才刚刚开始，而该套件的规格无法与此类计算机相比。我这次买它是为了玩笑，但当我第一次打开它并开始工作时，我仍然印象深刻。

除了指令太少之外，该套件还缺少标志寄存器和堆栈指针这些基本的 CPU 功能。考虑到这一点，出于学习机器语言的目的，例如我之前尝试过的4位微机套件“ORANGE-4”（Picosoft）可能是合适的。

也就是说，这可能是我们第一次也是最后一次看到具有锐利 1 位设计的 CPU 套件，所以我认为在感受计算机起源的同时使用它很有趣，我很感兴趣我觉得CPU（微型计算机）的原理和逻辑电路是一个很好的项目。这是一个简单的设计，所以我认为研究和尝试理解电路图很有趣。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第3743期内容，欢迎关注。

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