手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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胡振波 著

图书标签:

• RISC-V
• CPU设计
• 处理器
• 计算机组成原理
• 数字逻辑
• Verilog
• FPGA
• 硬件设计
• 嵌入式系统
• 动手实践

出版社： 人民邮电出版社

ISBN：9787115480521

版次：1

商品编码：12360850

品牌：异步图书

包装：平装

开本：16开

出版时间：2018-05-01

用纸：胶版纸

产品特色

编辑推荐

适读人群 ：本书不仅适合CPU或芯片设计相关从业者阅读使用，也适合作为大中专院校相关师生学习RISC-V处理器设计（使用Verilog语言）和CPU设计的指导用书。

系统介绍RISC-V指令集架构。

结合实际RISC-V开源实例进行教学。

深入剖析RISC-V处理器的微架构以及代码实现。

使读者能够快速掌握并轻松使用RISC-V架构处理器。

通过学习实例蜂鸟E200的Verilog代码，您将能成为一名合格的数字IC设计工程师。通过学习本书推荐的完整开源SoC平台，您也可以快速搭建FPGA原型平台，运行完整的软件实例。

内容简介

本书是一本介绍通用CPU设计的入门书，以通俗的语言系统介绍了CPU和RISC-V架构，力求为读者揭开CPU设计的神秘面纱，打开计算机体系结构的大门。

本书共分为四部分。第一部分是CPU与RISC-V的综述，帮助初学者对CPU和RISC-V快速地建立起认识。第二部分讲解如何使用Verilog设计CPU，使读者掌握处理器核的设计精髓。第三部分主要介绍蜂鸟E203配套的SoC和软件平台，使读者实现蜂鸟E203 RISC-V处理器在FPGA原型平台上的运行。第四部分是附录，介绍了RISC-V指令集架构，辅以作者加入的背景知识解读和注解，以便于读者理解。

本书不仅适合CPU或芯片设计相关从业者阅读使用，也适合作为大中专院校相关师生学习RISC-V处理器设计（使用Verilog语言）和CPU设计的指导用书。

作者简介

胡振波，上海交通大学电子工程系本科、微电子学院硕士。拥有业界多年ASIC和CPU设计与验证经验，先后在Marvell任职ARM架构CPU设计高级工程师、在Synopsys任职研发经理、在比特大陆任职IC设计总监、在武汉聚芯微电子任职架构师，现致力于推动RISC-V架构在国内的传播和发展。

目录

第 一部分 CPU与RISC-V综述
第 1章 一文读懂CPU之三生三世 2
1.1　眼看他起高楼，眼看他宴宾客，眼看他楼塌了——CPU众生相 3
1.3　人生已是如此艰难，你又何必拆穿——CPU从业者的无奈 17
1.4　无敌是多么寂寞——ARM统治着的世界 18
1.4.1 独乐乐与众乐乐——ARM公司的盈利模式 18
1.4.2 小个子有大力量——无处不在的Cortex-M系列 21
1.4.3 移动王者——Cortex-A系列在手持设备领域的巨大成功 23
1.4.4 进击的巨人——ARM进军PC与服务器领域的雄心 25
1.5　东边日出西边雨，道是无晴却有晴——RISC-V登场 25
1.6　原来你是这样的“薯片”——ARM的免费计划 28
1.7　旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家——你也可以设计自己的处理器 28

第 2章 大道至简——RISC-V架构之魂 29
2.1　简单就是美——RISC-V架构的设计哲学 30
2.2　RISC-V指令集架构简介 33
2.3　RISC-V软件工具链 42
2.4　RISC-V和其他开放架构有何不同 44

第3章 乱花渐欲迷人眼——盘点RISC-V商业版本与开源版本 46
3.1　各商业版本与开源版本综述 47
3.2　总结 53
第4章 开源RISC-V——蜂鸟E200系列超低功耗Core与SoC 54
4.1　与众不同的蜂鸟E200处理器 55
4.2　蜂鸟E200简介——蜂鸟虽小，五脏俱全 56
4.3　蜂鸟E200型号系列 57
4.4　蜂鸟E200性能指标 58
4.5　蜂鸟E200配套SoC 59
4.6　蜂鸟E200配置选项 60
第二部分 手把手教你使用Verilog设计CPU
第5章 先见森林，后观树木——蜂鸟E200设计总览和顶层介绍 65
5.1　处理器硬件设计概述 66
5.2　蜂鸟E200处理器核设计哲学 67
5.3　蜂鸟E200处理器核RTL代码风格介绍 68
5.4　蜂鸟E200模块层次划分 72
5.5　蜂鸟E200处理器核源代码 73
5.6　蜂鸟E200处理器核配置选项 73
5.7　蜂鸟E200处理器核支持的RISC-V指令子集 74
5.8　蜂鸟E200处理器流水线结构 74
5.9　蜂鸟E200处理器核顶层接口介绍 74
5.10　总结 77

第6章 流水线不是流水账——蜂鸟E200流水线介绍 78
6.1　处理器流水线概述 79
6.2　处理器流水线中的乱序 83
6.3　处理器流水线中的反压 84
6.4　处理器流水线中的冲突 84
6.5　蜂鸟E200处理器的流水线 86
6.6　总结 87

第7章 万事开头难吗—— 一切从取指令开始 88
7.1　取指概述 89
7.2　RISC-V架构特点对于取指的简化 97
7.3　蜂鸟E200处理器的取指实现 101
7.4　总结 116

第8章 一鼓作气，执行力是关键——执行 117
8.1　执行概述 118
8.2　RISC-V架构特点对于执行的简化 121
8.3　蜂鸟E200处理器的执行实现 123

第9章 善始者实繁，克终者盖寡——交付 161
9.1　处理器交付、取消、冲刷 162
9.2　RISC-V架构特点对于交付的简化 164
9.3　蜂鸟E200处理器交付硬件实现 164

第 10章 让子弹飞一会儿——写回 170
10.1　处理器的写回 171
10.2　蜂鸟E200处理器的写回硬件实现 171

第 11章 哈弗还是比亚迪——存储器架构 178
11.1　存储器架构概述 179
11.2　RISC-V架构特点对于存储器访问指令的简化 183
11.3　RISC-V架构的存储器相关指令 184
11.4　蜂鸟E200处理器存储器子系统硬件实现 185

第 12章 黑盒子的窗口——总线接口单元BIU 203

12.1　片上总线协议概述 204
12.2　自定义总线协议ICB 206
12.3　ICB总线的硬件实现 210
12.4　蜂鸟E200处理器核BIU 212
12.5　蜂鸟E200处理器SoC总线 214
12.6　总结 216

第 13章 不得不说的故事——中断和异常 217

13.1　中断和异常概述 218
13.2　RISC-V架构异常处理机制 221
13.3　RISC-V架构中断定义 226
13.4　RISC-V架构异常相关CSR寄存器 232
13.5　蜂鸟E200异常处理的硬件实现 232

第 14章 最不起眼的，其实是最难的——调试机制 246

14.1　调试机制概述 247
14.2　RISC-V架构的调试机制 249
14.3　蜂鸟E200调试机制的硬件实现 251

第 15章 动如脱兔，静若处子——低功耗的诀窍 260

15.1　处理器低功耗技术概述 261
15.2　RISC-V架构的低功耗机制 265
15.3　蜂鸟E200低功耗机制的硬件实现 265
15.4　总结 275

第 16章 工欲善其事，必先利其器——RISC-V可扩展协处理器 276

16.1　专用领域架构DSA 277
16.2　RISC-V架构的可扩展性 278
16.3　蜂鸟E200的协处理器接口EAI 279
16.4　蜂鸟E200的协处理器参考示例 286

第三部分 使用Verilog进行仿真和在FPGA SoC原型上运行软件

第 17章 冒个烟先——运行Verilog仿真测试 292

17.1　E200开源项目的代码层次结构 293
17.2　E200开源项目的测试用例 294
17.3　E200开源项目的测试平台（TestBench） 298
17.4　在Verilog TestBench中运行测试用例 299

第 18章 套上壳子上路——实现SoC和FPGA原型 302

18.1　Freedom E310 SoC简介 303
18.2　HBird-E200-SoC简介 304
18.3　HBird-E200-SoC FPGA原型平台 311
18.4　蜂鸟E200专用FPGA开发板 320

第 19章 画龙点睛——运行和调试软件示例 321

19.1　Freedom-E-SDK平台简介 322
19.2　SIRV-E-SDK平台简介 323
19.3　使用SIRV-E-SDK运行示例程序 325
19.4　使用GDB和OpenOCD调试示例程序 328
19.5　Windows图形化IDE开发工具 331

第 20章 是骡子是马？拉出来遛遛——运行跑分程序 332

20.1　跑分程序简介 333
20.2　Dhrystone简介 333
20.3　运行Dhrystone Benchmark 335
20.4　CoreMark简介 337
20.5　运行CoreMark Benchmark 338
20.6　总结与比较 340

附录部分 RISC-V架构详述附录A RISC-V架构指令集介绍 342

附录B RISC-V架构CSR寄存器介绍 374

附录C RISC-V架构的PLIC介绍 384

附录D 存储器模型背景介绍 392

附录E 存储器原子操作指令背景介绍 397

附录F RISC-V指令编码列表 400

附录G RISC-V伪指令列表 404

CPU设计：从原理到实践的深度探索 这本书将带领您深入CPU（中央处理器）设计的核心领域，为您揭示指令集架构（ISA）的设计哲学、流水线技术的精妙之处、存储器层次结构的优化策略，以及现代处理器所必须面对的并发与并行挑战。这不是一本关于特定指令集（如RISC-V）的入门指南，而是旨在为您构建一个扎实、全面的CPU设计知识体系，让您能够理解不同架构设计的优劣，并具备独立思考和创新设计的能力。 第一部分：指令集架构（ISA）——处理器的灵魂 我们将从最基础的指令集架构（ISA）讲起。ISA是硬件和软件之间的接口，它定义了处理器能够理解和执行的指令集合、寄存器类型、寻址模式以及内存访问方式。理解ISA的设计至关重要，因为它直接影响到处理器的性能、功耗、指令集大小以及软件开发的便利性。 RISC与CISC的演进与权衡：我们将深入剖析精简指令集计算（RISC）和复杂指令集计算（CISC）这两种主流ISA设计理念的哲学差异、历史渊源和各自的优缺点。RISC架构以其指令简单、执行速度快、易于流水线化而闻名，而CISC架构则力图通过复杂的指令一步到位完成任务。我们将分析它们在实际应用中的表现，并探讨混合架构的出现及其意义。 指令集设计的核心要素： 指令格式：我们会探讨不同指令格式的设计，包括定长指令和变长指令的优劣，以及如何通过指令格式的设计来提高译码效率和代码密度。 寻址模式：寄存器直接寻址、立即数寻址、基址加偏移量寻址、PC相对寻址等多种寻址模式将被详细讲解，分析它们在不同场景下的适用性以及对指令执行效率的影响。 寄存器文件设计：我们将讨论通用寄存器数量、特殊用途寄存器（如程序计数器、栈指针、状态寄存器）的设计原则，以及寄存器窗口和寄存器重命名等技术如何提升性能。 操作类型：数据传输指令、算术逻辑运算指令、控制流指令（跳转、分支、调用）等各类指令的功能和实现细节将被逐一分析。 数据类型与字长：整数、浮点数、向量等数据类型的表示方式，以及处理器字长（8位、16位、32位、64位）的选择对性能和内存占用的影响。 ISA的扩展与演进：我们将探讨如何为ISA增加新的指令，以支持特定的应用领域，例如SIMD（单指令多数据流）指令集用于向量处理，或者加密指令集用于提升安全性能。同时，也会讨论ISA向前兼容和向后兼容的挑战。 第二部分：处理器微架构——实现指令的艺术 ISA定义了“做什么”，而微架构则决定了“怎么做”。微架构是ISA的具体实现，它涉及到如何组织和控制处理器的各个功能单元，以最高效地执行指令。 核心处理器结构： 取指（Fetch）：讲解指令存储器的访问、指令预取（prefetching）技术，以及如何利用分支预测（branch prediction）来减少取指的等待时间。 译码（Decode）：分析指令的解析过程，包括操作码（opcode）、操作数（operand）的提取，以及指令的类型和执行所需的资源。 执行（Execute）：深入讲解算术逻辑单元（ALU）、浮点单元（FPU）等执行单元的设计，以及如何通过多功能执行单元提高利用率。 访存（Memory Access）：详细阐述加载（load）和存储（store）指令如何与缓存（cache）和主存进行交互，以及内存访问指令的延迟和吞吐量问题。 写回（Writeback）：分析执行结果如何写回到寄存器文件或内存中。 流水线技术（Pipelining）：这是现代CPU性能的关键。我们将从基础的五级流水线（取指、译码、执行、访存、写回）入手，详细讲解流水线的原理、潜在的冲突（结构冲突、数据冲突、控制冲突）以及解决这些冲突的技术，如： 流水线调度：如何调整指令的执行顺序以避免冲突。 数据转发（Forwarding/Bypassing）：将一个指令的执行结果在尚未写回寄存器时，直接转发给后续需要该结果的指令。 流水线暂停（Stalling）：当数据或控制冲突无法通过转发解决时，暂停流水线以等待所需数据或指令。 分支预测与推测执行（Speculative Execution）：在分支结果未知时，根据预测结果先执行一部分指令，并在分支结果确定后，根据实际情况选择保留或丢弃推测执行的结果。我们将深入探讨各种分支预测算法（如静态预测、动态预测、两级自适应预测）。 乱序执行（Out-of-Order Execution, OOO）：为了进一步提高指令级并行性（ILP），我们将深入研究乱序执行技术。 保留站（Reservation Stations）：存储等待执行的指令及其操作数。 重排序缓冲（Reorder Buffer, ROB）：跟踪指令的执行顺序，并确保结果按程序顺序提交（commit）。 寄存器重命名（Register Renaming）：解决由寄存器引入的数据冲突，通过引入物理寄存器来消除对逻辑寄存器的依赖。 部件调度：如何根据执行单元的可用性以及数据的就绪情况，动态地调度指令的执行。 超标量（Superscalar）与多线程（Multithreading）： 超标量设计：如何设计包含多个独立执行单元的处理器，以在每个时钟周期内并行执行多条指令。我们将讨论宽度（width）的概念，即处理器在一个周期内能派发（issue）和执行多少条指令。 多线程技术： 细粒度多线程（Fine-grained Multithreading）：在每个时钟周期轮换执行来自不同线程的指令，以掩盖长延迟操作。 粗粒度多线程（Coarse-grained Multithreading）：当一个线程遇到长延迟操作时，切换到另一个线程执行。 对称多线程（Simultaneous Multithreading, SMT）：一个核心同时执行来自多个线程的指令，共享执行单元，最大化资源利用率。我们将深入探讨SMT在现代处理器中的实现和优势。 第三部分：存储器系统——数据的生命线 处理器需要快速访问数据，而存储器系统的设计直接影响到CPU的整体性能。 存储器层次结构：我们将详细讲解由寄存器、多级缓存（L1、L2、L3）、主内存（RAM）和磁盘组成的存储器层次结构。 缓存（Cache）原理： 局部性原理：时间局部性与空间局部性。 缓存映射：直接映射、全关联映射、组相联映射。 写策略：写回（write-back）与写通（write-through）。 替换策略：LRU（最近最少使用）、FIFO（先进先出）、随机替换等。 写分配与非写分配。 多级缓存的一致性问题（Cache Coherence）：MESI协议（Modified, Exclusive, Shared, Invalid）等。 虚拟内存（Virtual Memory）：页表（page table）、TLB（Translation Lookaside Buffer）等机制如何实现地址转换，以及其对性能的影响。 内存控制器设计：如何高效地管理对DRAM的访问，包括行激活、列访问、预充电等操作。 I/O系统：处理器如何与外部设备进行通信，DMA（Direct Memory Access）等技术的作用。 第四部分：并发与并行——多核时代的挑战 随着摩尔定律的放缓，多核处理器已成为主流。理解并发与并行是现代CPU设计不可或缺的一部分。 指令级并行（Instruction-Level Parallelism, ILP）：前面已经深入讨论过流水线、乱序执行、超标量等技术，它们都旨在挖掘单个核心内的指令级并行性。 线程级并行（Thread-Level Parallelism, TLP）： 多核处理器架构：共享缓存、私有缓存、缓存一致性协议（如MESI、MOESI）在多核环境下的扩展。 核心间通信与同步：锁（locks）、信号量（semaphores）、屏障（barriers）等同步原语的设计和实现。 任务并行与数据并行。 异构计算：CPU与GPU、DSP等专用处理器的协同工作，如何设计指令集和接口以支持异构计算。 第五部分：先进技术与未来展望 低功耗设计：电源门控（power gating）、时钟门控（clock gating）、动态电压频率调整（DVFS）等技术。 性能分析与功耗估算：使用性能计数器（performance counters）、模拟器（simulators）等工具对处理器设计进行评估。 新兴的指令集架构：探讨RISC-V等开放指令集在嵌入式、高性能计算等领域的应用潜力。 未来的CPU设计趋势：例如，神经形态计算、量子计算接口等。 本书的目标是提供一个系统性的、深入的CPU设计学习路径。通过理论讲解、案例分析和概念推演，帮助读者建立起CPU设计这一复杂领域中的坚实知识基础，并培养出解决实际设计问题的能力。本书将侧重于理解“为什么”和“如何”，而非简单地罗列各种技术细节，力求让读者在掌握原理的同时，也能触及到设计的艺术。

评分☆☆☆☆☆

我近期阅读了《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》，这本书的特点在于其极强的实操指导性。它不像一些理论书籍那样，只是简单地陈述概念，而是真的将读者带入了CPU设计的“实战”场景。例如，在介绍指令集的编码格式时，作者不仅解释了不同指令类型的格式差异，还给出了如何根据这些格式来设计译码逻辑的思路。我特别留意了书中关于“寄存器堆”的设计章节，作者详细讲解了寄存器堆的功能、结构以及如何通过寄存器选择和读写信号来实现数据的存取。书中还涉及了一些重要的工程实践，比如如何使用Verilog等硬件描述语言来具体实现CPU的各个模块，虽然书中可能没有提供完整的代码，但其给出的设计思路和关键代码片段，对于初学者来说已经足够指导他们开始自己的实践了。这本书让我觉得，CPU设计不再是遥不可及的理论，而是可以通过系统学习和动手实践来掌握的一项技能。它给了我很大的信心去尝试自己设计一个简单的CPU。

评分☆☆☆☆☆

刚收到《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》，迫不及待地翻看了起来，整体感觉非常扎实。书中的内容逻辑性很强，从宏观的CPU架构概述，到微观的指令集设计、数据通路、控制单元的实现，都做到了条理清晰，环环相扣。我尤其欣赏作者在讲解RISC-V指令集时，并没有直接罗列指令，而是先从计算机如何执行指令这个根本问题出发，解释了指令集的出现是为了简化硬件设计，提高效率。然后，再逐一介绍不同类型的指令（如算术逻辑指令、访存指令、控制转移指令等）是如何与CPU内部的各个部件（寄存器堆、ALU、存储器接口等）协同工作的。书中对于指令集中的各个字段（操作码、寄存器地址、立即数等）的含义和作用的阐述也十分到位，让我能清晰地理解每一条指令在CPU内部是如何被解码和执行的。而且，作者似乎很注重理论与实践的结合，书中提及了一些在实际设计中会遇到的考量，比如时序约束、功耗优化等，虽然没有深入展开，但这些“点拨”对于一个有志于深入研究CPU设计的读者来说，无疑是宝贵的启示。这本书就像一张详细的蓝图，它不仅仅展示了CPU的“样子”，更描绘了CPU“如何工作”的内在机制，让我对CPU的理解上升了一个全新的维度。

评分☆☆☆☆☆

《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》的出版，对于我来说，简直是一场及时雨。我一直对计算机底层原理充满好奇，尤其对CPU的设计过程非常感兴趣，但市面上很多相关的书籍要么过于理论化，要么缺乏系统性，让我觉得难以入手。这本书则完全不同，它就像一位经验丰富的老教授，用生动、形象的语言，将一个复杂而庞大的CPU设计过程，拆解成一个个易于理解的模块。我特别喜欢书中关于“数据通路”的讲解，作者非常细致地描绘了数据在CPU内部是如何流动，寄存器、ALU、存储器等部件是如何通过总线连接起来，共同完成指令的执行。图文并茂的插图，将抽象的数据流具象化，让我能够轻松地掌握数据通路的设计要点。此外，书中对“控制单元”的设计也进行了深入的剖析，解释了指令译码、微操作生成、时序控制等关键环节，让我明白了CPU的“大脑”是如何指挥各个部件协同工作的。这本书的价值不仅仅在于它介绍了RISC-V指令集，更在于它教会了我设计CPU的“方法论”，让我明白了一个完整的CPU是如何从无到有，一步步被构思和实现的。

评分☆☆☆☆☆

这次入手了《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》，这本书给我带来了非常直观的感受。首先，它的排版和印刷质量就相当不错，纸张厚实，文字清晰，图片也很精美，翻阅起来是一种享受。我个人比较注重学习过程的细节，这本书在这方面做得很好。它没有上来就抛出大量晦涩的概念，而是循序渐进，从最基础的原理讲起，一点一点地构建起完整的CPU设计图景。我特别喜欢它在讲解某些核心概念时，会穿插一些实际的例子或者类比，这大大降低了理解难度，让我这个初学者也能很快跟上节奏。比如，在介绍指令流水线的时候，作者并不是简单地给出示意图，而是花了大量的篇幅去解释每一级流水线的作用，以及数据冒险、控制冒险这些常见问题是如何产生的，并提供了相应的解决方案。这种“刨根问底”式的讲解方式，让我感觉自己不仅仅是在看书，更像是在和一位经验丰富的老师面对面交流，老师会耐心地解答我可能遇到的每一个疑惑，引导我一步步深入。即使是一些看似简单的逻辑门电路，作者也给出了详尽的解释，让我明白它们是如何组合才能实现更复杂的功能。这种严谨的态度贯穿全书，让我觉得这本书的价值远不止于理论知识的传递，更在于培养了我的工程思维和解决问题的能力。

评分☆☆☆☆☆

拿到《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》这本书，我首先被它朴实而专业的封面所吸引。翻开后，内容更是令我惊喜。这本书在讲解CPU设计时，非常注重逻辑上的连贯性和递进性。它从最基本的数字逻辑基础开始，逐步深入到指令集架构，再到具体的处理器设计。我印象深刻的是，作者在讲解“指令执行周期”时，将一个指令的完成过程拆解成了取指令、指令译码、执行、访存、写回这几个阶段，并详细说明了每个阶段的数据流和控制信号的变化。这种分步讲解的方式，让我能够清晰地理解CPU是如何一步步地处理一条指令的。书中对于RISC-V指令集特点的介绍，也做得非常到位，比如它强调的精简指令集、寄存器-寄存器操作等，以及这些特点是如何为硬件设计带来便利的。我特别喜欢书中对“中断和异常处理”机制的讲解，这部分内容通常是CPU设计中比较复杂和容易被忽略的部分，但这本书却给予了足够的重视，并进行了深入浅出的阐述，这让我对CPU的鲁棒性有了更深的认识。整体而言，这是一本非常适合作为CPU设计入门的优秀教材。

评分☆☆☆☆☆

书挺好的，价格也不错

评分☆☆☆☆☆

京东购物方便，送货及时。

评分☆☆☆☆☆

下午看了下内容，太失望了！很多需要讲清楚的地方都一带而过，不需要说的大话和套话倒是很多！讲述的思路和方法，也不是很清晰，看着很迷惑。书里代码有很多的变量缩写，但是全书都没有对缩写规则做出明确交代。乍一看，代码可读性太差！我觉得这本书对理解RISC-V架构作用不大。总体上，没有<自己动手写CPU> 雷思磊 这本书讲的清楚！个人看法，不喜勿喷！

评分☆☆☆☆☆

预定了好长时间，终于买到了

评分☆☆☆☆☆

每个都要写满10个字好麻烦！

评分☆☆☆☆☆

yyhh贴膜魔腾的确良把他图书熟不不要发货的

评分☆☆☆☆☆

潮流新书，学习一下，还是很不错的

评分☆☆☆☆☆

介绍通用CPU设计的入门书，以通俗的语言系统介绍了CPU和RISC-V架构

评分☆☆☆☆☆

内容还可以。