大多数硬件爱好者入门 custom CPU 设计时，会选择直接购买现成的 FPGA 开发板，在现成平台上编写 Verilog 代码 Petr Mikheev 选择了另一条路：先买一把烙铁，从电子设计开始。他的目标是构建一台能够启动 Linux、连接显示器和键盘、运行 Quake II 的自定义计算机。两年后，他做到了。
从零开始的硬件冒险
项目始于几乎为零的电子设计经验。Petr 在 KiCad 中完成了整个 PCB 设计，将文件发往中国工厂制造，随后在家自行焊接全部元件。这种「从沙子到游戏」的完整流程，意味着每一颗电容、每一根走线都必须亲自考量。
第一代原型使用 Intel MAX 10 系列 FPGA（10M50SAE144），搭配单片 DDR1 内存。FPGA 芯片只有单个 PLL，这对于需要多组时钟的系统来说是致命的缺陷：视频接口需要 pixel_clock 和 bit_clock，USB 需要 48MHz，内存控制器需要两组 90° 相移时钟，CPU 时钟尚未确定。为解决这一问题，板上配备了两颗 Si5351A 芯片 ——I2C 可编程时钟发生器，可以按需产生任意频率的时钟信号。
硬件布局的关键决策是将 FPGA 和 RAM 放置在 PCB 两侧，以缩短信号走线长度。这一技巧借鉴自 WangXuan95 的开源 DDR1 控制器项目，尽管 Petr 最终重写了大部分代码，但这个思路大幅降低了信号完整性问题的复杂度。
SoC 架构：从 AXI4 到 TileLink
硬件之外的另一条战线是 SoC 设计。初期版本使用 AXI4 总线连接各外设，随后迁移到 TileLink 协议栈。CPU 核心从 VexRiscv 升级到更高性能的 VexiiRiscv，这是一款面向 RISC-V 架构的乱序执行处理器核。
移植过程并非一帆风顺。最具挑战性的 bug 之一是 gcc 编译时触发的死锁问题。Petr 花了三个月时间追踪这个问题，最终将整个系统缩减到 40MB 的 initrd 镜像，创建了一个不含外设的精简测试平台，并在 Verilator 仿真环境中复现了该缺陷。问题定位后，发现是 VexiiRiscv 核心中的一个真实 bug，修复仅需一行代码 —— 提交给维护者后，三十分钟内得到修复。
另一个持久战是 USB OHCI 实现的调试。来自 SpinalHDL 仓库的 OHCI 代码始终无法正常工作，最终发现是内存控制器中对齐访问处理不当导致的。这一问题在纯软件仿真中难以暴露，必须在实际硬件上反复测试才能定位。
软件栈：没有依赖的纯粹代码
对于在工作中常年与各种框架周旋的工程师来说，从零编写 BIOS 是一种「解毒」。Petr 的 BIOS 从头编写，除了集成的 Dhrystone 基准测试外，不依赖任何外部库。功能包括系统初始化、内存测试、RISC-V SBI 标准接口实现、命令行界面、EXT2 文件系统支持，以及 Linux 启动加载程序。
Linux 部分同样体现了深度定制思路：自定义外设驱动、自定义 X11 视频驱动（包含窗口移动的硬件加速），甚至还有完整的 TTY 实现 —— 接收 ncurses 生成的 ANSI 转义序列，将其转换为视频控制器的文本模式输出。这些工作如果使用现成的 SoC builder 工具如 LiteX 可以大幅简化，但随之失去的，是整个过程中积累的深度理解。
视频输出与分辨率瓶颈
第二代硬件在 1280x720 分辨率下出现了恼人的绿色伪影。问题根源很可能是 I/O 端口在 742MHz 数据率下驱动能力不足，亦或电源噪声干扰了高速信号。降低分辨率后问题消失，但这也意味着在现有硬件上无法达到 Full HD 的游戏体验。
电源稳定性是另一个隐患。热插拔 USB 键盘经常导致整个开发板重启，这表明 USB 电源设计存在缺陷。后续版本中需要加入更好的电源隔离和缓启动电路。
Quake II 移植：工程化的最后一步
将 Quake II 移植到这台自研计算机上，是整个项目的集大成者。游戏引擎需要稳定的帧缓冲、合理的 GPU 类渲染管线、同步的时钟输入，以及足够的内存带宽。60MHz 运行的单核心 VexiiRiscv 编译一个简单的「Hello World」需要约十秒 —— 这个性能指标并不亮眼，但足以运行近三十年前的游戏。
最终，Quake II 成功在这块 DIY FPGA 开发板上运行。完整的代码、原理图和 Gerber 文件已在 GitHub 上开源。
可复用的工程参数
对于计划进行类似 DIY FPGA 游戏移植的开发者，以下参数可作为初始参考：FPGA 选择逻辑单元数大于 25K 的型号，以确保能够容纳 CPU 核心、内存控制器和视频输出模块；DDR 内存至少 32MB 以满足游戏引擎的纹理和场景数据需求；时钟发生器建议至少配置两组独立可编程源，分别供给 CPU 和视频路径；视频输出设计时优先选择支持 DDR 模式的 I/O 引脚，并在 PCB 布局中严格控制阻抗匹配；若计划运行 Linux，CPU 频率建议不低于 50MHz，并预留至少 64MB 系统内存。
这个项目的意义不在于实用价值 ——FPGA 上的 CPU 永远比不过真正的芯片 —— 而在于过程本身。从原理图到操作系统，从空白芯片到可玩游戏的完整链路，是对现代计算底层机制的彻底实践。当你在自研硬件上看到 Quake II 启动画面时，那十秒钟的等待便值得了。
资料来源：Petr Mikheev 的技术博客详细记录了完整开发历程，GitHub 仓库提供全部源代码与硬件设计文件。