復古電腦博物館：以 FPGA 技術重現世界電腦文明

重建過去，理解現在，啟發未來。

從早期電子計算機、個人電腦、商業大型主機，到工業控制系統、軍事電腦、航空航太導航設備，以及陪伴無數人成長的電視遊樂器，電腦的發展史不只是科技進步的紀錄，更是人類文明的重要篇章。

然而，隨著時間流逝，許多曾經改變世界的電腦正在逐漸消失。

RetroFPGA Computer Museum（復古電腦博物館） 正是為了保存這些珍貴的運算技術與工程知識而誕生。

我們希望透過 FPGA（Field-Programmable Gate Array，現場可程式化邏輯閘陣列）技術，重新建構歷史電腦的數位電路，使它們不再只是博物館玻璃櫃裡的展示品，而是能夠再次啟動、執行程式，讓人們親手操作的電腦系統。

這不只是一項復古電腦計畫。

這是一項橫跨歷史、電子工程、電腦科學與數位文化保存的長期工程。

一、為什麼需要一座 FPGA 電腦博物館？

當歷史電腦逐漸成為無法取得的文物

電腦科技發展至今，已經歷數十年的快速變遷。

早期的電子計算機與微處理器系統，如今可能已經超過半個世紀。許多當年廣泛使用的電腦，現在卻越來越難以取得。

即使幸運找到保存完整的設備，也可能面臨以下問題：

  • 電解電容老化、電路板腐蝕與電子零件損壞。
  • 磁帶、磁碟與其他儲存媒體逐漸失去可靠性。
  • 專用積體電路停產，缺乏替代零件。
  • 原始設計圖、技術手冊與軟體文件散佚。
  • 維修成本高昂，甚至缺乏具備相關經驗的工程師。
  • 保存良好的古董電腦價格持續上升，難以供一般人取得。

對於某些工業、軍事與航太電腦而言，情況更加困難。

這些設備可能原本就只生產少量，專門供應政府、研究機構、軍方或太空計畫使用，從未進入一般消費市場。

部分設備甚至早已拆解、報廢，或僅存少數歷史實物。

當最後一台能正常運作的電腦停止運轉時，我們失去的不只是機器本身，也可能失去親自觀察其運算原理的機會。

FPGA 提供另一條保存道路

FPGA 是一種可以重新配置內部數位邏輯的半導體元件。

與一般透過軟體模擬 CPU 的方式不同，FPGA 可以使用硬體描述語言，重新建構處理器的暫存器、算術邏輯單元、控制電路、記憶體介面與其他數位硬體。

因此，我們可以讓歷史電腦的邏輯架構在現代半導體上重新運作。

這並不表示 FPGA 可以完全取代原始硬體。

原始電腦的材料、製程、實體結構與歷史價值，仍然需要妥善保存。

但 FPGA 可以提供另一種重要的保存方式：

保存電腦的運作原理，而不只是保存電腦的外殼。

二、跨越五個時代的電腦文明

RetroFPGA Computer Museum 將世界電腦發展史劃分為五個主要時代。

這些時代不是嚴格的技術界線，而是為了幫助參觀者理解不同年代的運算架構、硬體設計與技術演進。

ERA I — 電腦先驅時代（1940–1976）

Computing Pioneers

這是現代電子運算技術逐漸成形的年代。

從早期電子計算機、邏輯電路、記憶體技術，到第一代微處理器，人類逐步建立了現代電腦的基本架構。

本展區將研究：

  • 早期電子計算機的運作原理
  • 數位邏輯與基本 CPU 架構
  • Intel 4004、8008、8080
  • Altair 8800
  • SAP-1 教學電腦
  • 早期科學與研究用電腦

其中，SAP-1 雖然是教學用途的簡化電腦，而非 1940 年代的歷史實機，卻非常適合作為理解 CPU 基本架構的起點。

ERA II — 8-bit 黃金時代（1977–1986）

The 8-bit Golden Age

1970 年代末期至 1980 年代中期，電腦開始走進家庭、學校與中小企業。

MOS 6502、Zilog Z80 等處理器，促成了家用電腦與早期電子娛樂產業的蓬勃發展。

代表性系統包括：

  • Apple II
  • Commodore 64
  • Sinclair ZX81、ZX Spectrum
  • BBC Micro
  • MSX
  • Nintendo Entertainment System
  • IBM PC、PC/XT
  • IBM PC/AT

這個時代也見證了 BASIC、組合語言與個人電腦軟體文化的普及。

ERA III — 16/32-bit 革命時代（1987–1994）

The 16/32-bit Revolution

隨著 CPU 運算能力與記憶體容量提升，電腦逐漸進入圖形化、多工與多媒體時代。

本展區將涵蓋：

  • Intel 80386、80486
  • Motorola 68000 系列
  • Commodore Amiga
  • Atari ST
  • Apple Macintosh
  • NEC PC-9800 系列
  • Sharp X68000
  • Nintendo Game Boy
  • Super Nintendo Entertainment System
  • Sega Mega Drive / Genesis

除了歐美系統，日本電腦產業在這個時代的技術發展，也是博物館的重要研究方向。

ERA IV — 多媒體與網際網路時代（1995–2005）

Multimedia and Internet Computing

這個時代的個人電腦，開始具備更成熟的圖形介面、網路連線、多媒體與 3D 加速能力。

代表性展品包括：

  • Intel Pentium 系列電腦
  • PowerPC 電腦
  • Windows 95／98 時代的 PC
  • Sony PlayStation
  • Nintendo 64
  • Sega Saturn、Dreamcast
  • 早期網路與嵌入式運算設備

這些系統的複雜度顯著提高，部分完整重建工作可能需要中高階 FPGA 才能完成。

ERA V — 現代與開放運算時代（2006–至今）

Modern and Open Computing

現代電腦已經進入多核心、64-bit、SoC 與異質運算的時代。

本展區將研究：

  • ARM 處理器架構
  • RISC-V 開放指令集
  • FPGA System-on-Chip
  • 現代嵌入式系統
  • 多核心與異質運算
  • 開放硬體設計

對於複雜度極高的現代處理器，我們將優先研究具有教育與技術保存價值的核心架構、子系統與可驗證的硬體設計，而不以完整複製所有商用處理器為必要目標。

三、不只西方電腦：保存東西方共同創造的運算歷史

電腦發展史並不屬於單一國家，也不是只有美國與歐洲的科技故事。

日本、臺灣、中國、前蘇聯，以及世界其他地區，都曾經在電腦、半導體、電子工業與資訊技術發展中扮演重要角色。

RetroFPGA Computer Museum 希望建立一座真正具有全球視野的電腦博物館。

我們不只研究 Apple、IBM、Commodore 與 Sinclair，也希望保存 NEC、富士通、夏普等日本電腦，以及其他地區具有代表性的歷史運算系統。

我們將依照八大領域建立展品目錄。

1. 教育與科學電腦

研究早期電子計算機、教學 CPU、科學研究設備與實驗室電腦。

2. 家用與個人電腦

保存各國家用電腦、個人電腦，以及早期程式設計文化。

3. 商業與企業電腦

研究大型主機、小型電腦、商業資料處理設備與終端機。

4. 工業電腦

重建歷史工業控制器、自動化設備、製程控制與工業嵌入式運算架構。

5. 航空與航太電腦

研究飛機航電系統、導航電腦、飛行控制架構與航空運算技術。

6. 軍事與國防電腦

保存具有公開歷史資料的軍事電腦架構、早期指揮控制系統及相關數位運算技術。

此類展品以合法公開的歷史與工程資料為基礎，並明確區分已驗證的重建與研究性模型。

7. 太空船與太空探索電腦

研究載人太空船、衛星、登月設備與太空探測器所使用的運算架構。

8. 電視遊樂器與電子娛樂

保存家用遊戲主機、掌上型遊樂器、街機與專用圖形、音效處理器。

從遊戲到登月，從家庭到工廠，每一種電腦都代表人類面對不同問題時所創造的工程解答。

四、特別展覽：Apollo 11「小鷹號」登月導航電腦

1969 年，協助人類踏上月球的電腦

1969 年 7 月 20 日，阿波羅 11 號的登月艙「小鷹號」（Eagle）成功降落月球。

這項歷史成就背後，有一套以今日標準看來運算能力極為有限，卻具備高度可靠性與即時控制能力的電腦系統。

它就是 Apollo Guidance Computer（AGC，阿波羅導航電腦）。

AGC 是早期積體電路與即時嵌入式運算技術的重要代表。

它必須在有限的記憶體與處理能力下，協助完成導航、姿態與飛行控制等任務。

RetroFPGA Computer Museum 計畫將 AGC 列為航太與太空電腦展區的重要旗艦候選展品。

研究方向包括：

  • AGC 處理器與指令架構
  • 固定與可改寫記憶體
  • Core Rope Memory 技術
  • DSKY 顯示與鍵盤操作介面
  • Apollo 歷史飛行軟體
  • 即時任務排程
  • Apollo 11 登月過程中的 1201／1202 電腦警報
  • 主要導航與備援導航系統的設計理念

我們希望未來能透過 FPGA 重建 AGC 的數位邏輯，讓參觀者親自操作具有歷史依據的導航電腦。

這項展品目前屬於長期研究與開發規劃，並非已經完成的 FPGA 重建。

然而，它象徵著整個博物館的重要精神：

即使原始太空船早已成為歷史，我們仍然可以努力保存當年讓人類登上月球的運算知識。

五、從入門 FPGA 到中高階運算平台

RetroFPGA Computer Museum 將採用多層級 FPGA 開發策略。

我們不要求所有歷史電腦都必須放進同一顆 FPGA，也不會為了節省邏輯資源而犧牲重要的系統正確性。

主要開發平台：Digilent Basys 3

目前專案以搭載 AMD/Xilinx Artix-7 XC7A35T 的 Basys 3 為主要開發平台。

這塊開發板非常適合：

  • 數位邏輯與 CPU 教學
  • SAP-1 處理器
  • 簡單 8-bit 電腦架構
  • VGA 顯示
  • PS/2 鍵盤輸入
  • UART 程式載入
  • 硬體測試與除錯

目前的 SAP-1 與 Calculator 開發成果，也將成為博物館最早期的工程基礎。

中階 FPGA：支援更複雜的歷史電腦

當研究進入 16-bit、32-bit 與具有複雜周邊的完整電腦系統時，將評估具備更多 LUT、BRAM、DSP 與外部記憶體介面的中階 FPGA。

例如較大型的 Artix、Kintex 系列及其他廠商相近等級的產品。

高階 FPGA：重建大型與特殊用途系統

對於較複雜的歷史工作站、多媒體電腦、特殊用途處理器及大型系統，將評估高階 FPGA 平台。

高階平台的目的不是追求最高規格，而是讓原本因硬體容量不足而難以研究的系統，有機會獲得更完整的重建。

FPGA SoC：連接歷史與現代

FPGA SoC 平台則可用於研究現代嵌入式架構、混合式系統、記憶體管理與軟硬體協同設計。

Basys 3 將持續作為主要教學與核心開發平台，中高階 FPGA 則是博物館未來的擴充方向。

六、讓電腦真正重新運作，而不只是展示外觀

這座博物館最重要的特色，是讓參觀者能夠實際操作重建的電腦。

我們希望未來每一項具備足夠技術資料的展品，都能盡可能提供：

  • FPGA 硬體核心
  • CPU 與記憶體架構
  • 顯示、鍵盤與周邊介面
  • 原始或相容的軟體
  • 組合語言開發工具
  • 程式上傳與執行
  • 硬體除錯與指令追蹤
  • 自動化驗證與資源報告
  • 歷史背景與工程文件

透過 Linux 主機與 FPGA 開發板，使用者將能選擇展品、載入對應硬體配置，並執行相容程式。

不同歷史電腦可以使用獨立的 FPGA Bitstream，不必全部同時佔用硬體資源。

同一套 CPU 上的不同軟體，則可以在適當的系統架構下透過 UART 或其他介面載入。

我們也會明確區分：

原始硬體、週期精確重建、功能相容實作、教育性簡化模型，以及尚在研究中的實驗架構。

讓參觀者知道每一項展品究竟重建了多少歷史原貌。

七、開放原始碼、工程教育與長期保存

RetroFPGA Computer Museum 不只是收藏計畫，也是一項持續發展的開放工程教育專案。

整個計畫將結合：

  • Verilog／SystemVerilog
  • FPGA 數位系統設計
  • CPU 微架構
  • Assembly Language
  • 記憶體與匯流排技術
  • Linux 開發工具
  • 硬體模擬與自動化驗證
  • 歷史電腦文件研究
  • 開放硬體與數位文化保存

我們希望在授權與法律允許的範圍內，公開原始碼、教學文件、測試工具與相關工程成果。

讓學生、工程師、研究者與電腦歷史愛好者，都能從這些重建工作中學習。

不只是知道一台電腦曾經存在，更能理解它的設計者如何在當年的技術限制下，完成令人驚嘆的工程成就。

八、未來開發藍圖

RetroFPGA Computer Museum 將採取循序漸進的開發方式。

第一階段：建立博物館工程基礎

規劃展品目錄、硬體平台標準、專案架構與技術文件。

第二階段：教育型 CPU 展區

以現有 SAP-1 專案為基礎，逐步擴展至其他教學處理器。

第三階段：程式載入與除錯工具

開發 Linux 端 FPGA 配置、UART 程式載入、記憶體驗證與遠端除錯功能。

第四階段：經典微處理器展區

逐步研究 MOS 6502、Zilog Z80、Motorola 68000 與 Intel 經典 CPU 架構。

第五階段：完整歷史電腦重建

擴展至家用、商業、工業與電子娛樂系統。

第六階段：航太與特殊用途電腦

研究 Apollo Guidance Computer，以及其他具有公開技術資料的科學、航太、太空船與軍事運算系統。

第七階段：中高階 FPGA 平台擴充

為需要更大邏輯容量、記憶體與周邊資源的展品，建立更完整的硬體環境。

這是一項長期計畫。各展品的開發進度，將取決於歷史資料的完整性、工程可行性、硬體資源與驗證成果。

九、我們希望留給未來什麼？

電腦的歷史，是人類不斷突破限制的歷史。

從只能執行少數指令的早期處理器，到能夠協助太空人登上月球的導航電腦；從家庭客廳裡的 8-bit 電腦，到今日支撐全球資訊網路的龐大運算系統。

每一代電腦，都承載著當時工程師的智慧、創造力與想像力。

然而，科技的進步不應意味著過去必須被遺忘。

當原始硬體逐漸老化、停產與消失，我們仍然可以透過新的工程技術，保存那些曾經改變世界的設計理念。

RetroFPGA Computer Museum 希望讓電腦歷史不再只是書本上的文字、照片中的機器，或博物館裡無法啟動的文物。

我們希望讓這些系統再次運作。

讓下一代的學生能夠親自觀察 CPU 如何執行指令。

讓工程師能夠研究不同年代的硬體設計。

讓歷史愛好者能夠重新體驗曾經推動世界前進的電腦技術。

更重要的是，讓那些曾經凝聚無數工程師心血的知識，不會隨著最後一塊電路板的損壞而消失。

RetroFPGA Computer Museum

一塊 FPGA，一台電腦，一個時代。

我們不只是重建舊電腦。

我們正在保存人類運算文明的記憶。

Rebuilding the world’s computing heritage — one FPGA exhibit at a time.

以 FPGA 重現世界電腦文明，為未來世代保存珍貴的工程知識。