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店铺： 兰兴达图书专营店

出版社： 人民邮电

ISBN：YL19874

商品编码：28103392112

YL19874

9787115480521 9787115364692

手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇

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。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。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。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。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。

图书目录

一部分  CPU与RISC-V综述

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

1.1.1  ISA——CPU的灵魂 4

1.1.2  CISC与RISC 5

1.1.3  32位与64位架构 6

1.1.4  ISA众生相 6

1.1.5  CPU的领域之分 10

1.2　ISA请扛起这口锅——为什么国产CPU尚未足够成功 12

1.2.1  MIPS系——龙芯和君正 12

1.2.2  x86系——北大众志、兆芯和海光 13

1.2.3  Power系——中晟宏芯 13

1.2.4  Alpha系——申威 14

1.2.5  ARM系——飞腾、华为海思、展讯和华芯通 14

1.2.6  背锅侠ISA 15

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　*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*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

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

2.1.1  无病一身轻——架构的篇幅 30

2.1.2  能屈能伸——模块化的指令集 32

2.1.3  浓缩的都是精华——指令的数量 32

2.2　RISC-V指令集架构简介 33

2.2.1  模块化的指令子集 33

2.2.2  可配置的通用寄存器组 34

2.2.3  规整的指令编码 34

2.2.4  简洁的存储器访问指令 34

2.2.5  *效的分支跳转指令 35

2.2.6  简洁的子程序调用 36

2.2.7  无条件码执行 37

2.2.8  无分支延迟槽 37

2.2.9  零开销硬件循环 38

2.2.10  简洁的运算指令 38

2.2.11  优雅的压缩指令子集 39

2.2.12  特权模式 40

2.2.13  CSR寄存器 40

2.2.14  中断和异常 40

2.2.15  矢量指令子集 40

2.2.16  自定制指令扩展 41

2.2.17  总结与比较 41

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

2.4.1  平民英雄——OpenRISC 44

2.4.2  豪门显贵——SPARC 44

2.4.3  名校优生——RISC-V 45

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

3.1.1  Rocket Core（开源） 47

3.1.2  BOOM Core（开源） 49

3.1.3  Freedom SoC（开源） 50

3.1.4  LowRISC SoC（开源） 50

3.1.5  PULPino Core and SoC（开源） 50

3.1.6  PicoRV32 Core（开源） 51

3.1.7  SCR1 Core（开源） 51

3.1.8  ORCA Core（开源） 51

3.1.9  Andes Core（商业IP） 52

3.1.10  Microsemi Core（商业IP） 52

3.1.11  Codasip Core（商业IP） 53

3.1.12  蜂鸟E200 Core与SoC（开源） 53

3.2　总结 53

4章  开源RISC-V——蜂鸟E200系列低功耗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

二部分  手把手教你使用Verilog设计CPU

 

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

5.1.1  架构和微架构 66

5.1.2  CPU、处理器、Core和处理器核 66

5.1.3  处理器设计和验证的特点 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

5.3.1  使用标准DFF模块例化生成寄存器 68

5.3.2  推荐使用assign语法替代if-else和case语法 70

5.3.3  其他若干注意事项 71

5.3.4  小结 72

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

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

6.1.1  从经典的五级流水线说起 79

6.1.2  可否不要流水线——流水线和状态机的关系 81

6.1.3  深处种菱浅种稻，不深不浅种荷花——流水线的深度 81

6.1.4  向上生长——越来越深的流水线 82

6.1.5  向下生长——越来越浅的流水线 83

6.1.6  总结 83

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

6.4.1  流水线中的资源冲突 84

6.4.2  流水线中的数据冲突 85

6.5　蜂鸟E200处理器的流水线 86

6.5.1  流水线总体结构 86

6.5.2  流水线中的冲突 87

6.6　总结 87

7章  万事开头难吗—— *切从取指令开始 88

7.1　取指概述 89

7.1.1  取指特点 89

7.1.2  如何快速取指 90

7.1.3  如何处理非对齐指令 91

7.1.4  如何处理分支指令 92

7.2　RISC-V架构特点对于取指的简化 97

7.2.1  规整的指令编码格式 97

7.2.2  指令长度指示码放于低位 97

7.2.3  简单的分支跳转指令 98

7.2.4  没有分支延迟槽指令 100

7.2.5  提供明确的静态分支预测依据 100

7.2.6  提供明确的RAS依据 101

7.3　蜂鸟E200处理器的取指实现 101

7.3.1  IFU总体设计思路 102

7.3.2  Mini-Decode 103

7.3.3  Simple-BPU分支预测 105

7.3.4  PC生成 109

7.3.5  访问ITCM和BIU 111

.................................

自己设计制作CPU与单片机

内容简介

《自己设计制作CPU与单片机》是一本为有志于计算机CPU设计的人员所写的书，不论你是狂热的友，还是精明的计算机专业工作者。
　　《自己设计制作CPU与单片机》以作者几十年学习设计制作CPU与通用单片机的经历，来告诉你如何从无到有地设计属于你自己的CPU和可以运行用户程序的单片机。书中以作者的十几个CPU设计工程为主线，展示了精简指令系统RISC和复杂指令系统CISC计算机CPU的设计方法。既有硬件编程，又有原理图设计，适合软硬件人员学习计算机核心技术之用。
　　《自己设计制作CPU与单片机通过实例告诉读者，如何创造性地进行计算机产品CPU的立意和设计，介绍了人机交互和操作系统内核的设计方法。这是一本对要全面掌握计算机技术的人员而言必读的CPU设计制作之书。

图书目录

前 言

上篇　CPU设计制作入门

第１章　自己就能设计制造CPU

1.1　自己设计制作CPU有啥意义

1.2　我设计制作CPU的经历　

1.3　电子电路设计制作的新变化

1.4　自己设计CPU的条件

1.5　创新CPU设计的意义

第2章　进入硬件设计的天地

2.1　搭建自己的制造工厂

2.2　设计制造CPU需要热身

2.3　硬件设计语言Verilog HDL

2.4　Verilog HDL语句和模块

2.5　Verilog HDL其他常用语句

第3章　自己创造CPU的方法

3.1　深刻理解CPU的结构

3.2　自创CPU的一般步骤

3.3　如何设计自己的指令系统

3.4　指令分析的一般性总结　

3.5　让CPU运行程序　

第4章　一个简单CPU的设计

4.1　创建一个CPU设计工程

4.2　剖析这个CPU设计程序

4.3　CPU行为的描述方法

4.4　如何让CPU运行软件程序　

4.5　CPU设计工程小结

第5章　自制通用CPU与单片机

5.1　实体结构与器件应用

5.2　通用CPU指令系统设计

5.3　用汇编程序检验CPU设计

5.4　外设与CPU接口设计

5.5　设备驱动程序设计　

5.6　时钟设计　

5.7　开发板连接程序设计

5.8　FPGA引脚连接

5.9　操作系统内核设计　

5.10　烧制CPU制作单片机

。。。。

内容概要： 这套书籍旨在引导读者深入理解中央处理器（CPU）的设计原理与实现，特别是以RISC-V指令集架构为基础，并结合实际的单片机设计制作经验，为读者提供一条从理论到实践的完整学习路径。书中将循序渐进地讲解CPU的核心概念、设计流程以及在单片机硬件上的实现细节，让读者能够亲手构建出属于自己的处理器。 第一册：《包邮 手把手教你设计CPU—RISC-V处理器篇》 一、RISC-V指令集架构概览与核心概念 RISC-V的背景与优势： 介绍RISC-V指令集架构的起源、发展历程以及其开源、模块化、可扩展等核心优势。对比RISC-V与其他主流指令集（如x86、ARM）的差异，阐述RISC-V在学术研究、嵌入式系统、高性能计算等领域的应用前景。 基本指令集（RV32I/RV64I）： 详细解析RISC-V最基础的整数指令集，包括指令格式、寻址模式、常用指令（如算术、逻辑、跳转、加载/存储指令）的含义、功能及其编码方式。通过实例演示，让读者理解指令是如何与数据进行交互的。 扩展指令集（M, A, F, D, C等）： 讲解RISC-V的各种可选扩展指令集，如乘除法（M）、原子操作（A）、单精度浮点（F）、双精度浮点（D）、压缩指令（C）等。分析这些扩展指令集如何增强处理器的功能和性能，以及在不同应用场景下的选择策略。 寄存器文件： 阐述CPU内部寄存器（通用寄存器、程序计数器PC、状态寄存器等）的作用、组织方式以及读写操作。理解寄存器是CPU进行数据处理和指令执行的关键存储单元。 流水线（Pipeline）基础： 介绍CPU指令执行的流水线模型，包括取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、访存（MEM）、写回（WB）五个基本阶段。讲解流水线如何提高指令吞吐率，并初步探讨流水线中的冲突（ Hazards）及其基本解决方法。 二、CPU微架构设计与实现 数据通路（Datapath）设计： 详细讲解CPU的数据通路，即指令执行过程中数据流动的硬件路径。包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器堆、多路选择器（MUX）、加法器等关键逻辑模块的设计与连接。通过图示和逻辑框图，清晰展示指令在数据通路中的传输和处理过程。 控制单元（Control Unit）设计： 讲解控制单元的作用，它负责根据指令和CPU状态生成各种控制信号，指挥数据通路正确工作。重点介绍硬连线控制和微程序控制两种设计方法，以及如何根据指令译码生成相应的控制信号。 单周期CPU设计： 以最简单的单周期CPU模型为例，整合数据通路和控制单元，讲解指令在一个时钟周期内如何完成执行。分析单周期设计的优缺点，为后续更复杂的CPU设计奠定基础。 多周期CPU设计： 介绍将指令执行过程分解为多个时钟周期的多周期CPU设计。分析多周期CPU如何通过优化硬件资源利用率来提高性能，以及如何管理指令执行过程中不同阶段的状态。 超纯量（Superscalar）与乱序执行（Out-of-Order Execution）简介（选讲）： 对更高级的CPU微架构技术进行初步介绍，如超纯量CPU如何同时执行多条指令，乱序执行CPU如何打破指令依赖性以提高效率。这部分旨在为读者打开更广阔的CPU设计视野。 三、Verilog/SystemVerilog语言在CPU设计中的应用 硬件描述语言（HDL）基础： 讲解Verilog或SystemVerilog语言的基本语法，包括模块（module）、端口（port）、赋值语句（assign, always）、数据类型（reg, wire, integer）、运算符等。 使用HDL描述CPU模块： 演示如何使用HDL语言分别描述CPU的各个功能模块，如ALU、寄存器文件、指令存储器、数据存储器、控制逻辑等。 组合逻辑与时序逻辑设计： 讲解如何使用HDL描述组合逻辑（如ALU的运算逻辑）和时序逻辑（如寄存器的状态更新）。 模块化设计与实例化： 强调模块化设计的思想，如何将复杂系统分解为小的、可管理的模块，并通过实例化将它们连接起来构建完整的CPU。 测试平台（Testbench）的编写： 讲解如何编写测试平台来验证CPU设计的正确性。包括激励生成、信号监控、断言检查等关键技术，确保设计的逻辑功能符合预期。 仿真与综合（Synthesis）： 介绍使用仿真工具（如ModelSim, VCS）验证HDL代码的功能，以及使用综合工具（如Synopsys, Cadence）将HDL代码转换为门级网表，为后续FPGA或ASIC实现做准备。 四、RISC-V CPU的完整设计实例 从零开始设计一个简单的RISC-V核心： 逐步引导读者完成一个简化的RISC-V（如RV32I）CPU的设计。从指令集选择、微架构规划，到HDL代码实现、仿真验证，每一步都提供详细的讲解和代码示例。 指令解码与执行流程详解： 深入剖析指令从取回到执行完成的完整流程，每一步的控制信号产生与传递，以及数据如何在寄存器、ALU、存储器之间流动。 分支预测与异常处理（简介）： 简要介绍分支预测技术如何提升性能，以及CPU如何处理异常和中断。 代码优化与性能分析： 探讨在设计过程中如何进行代码优化，以及如何利用仿真工具对CPU性能进行初步分析。 --- 第二册：《自己设计制作CPU与单片机》 一、单片机系统架构与核心组件 单片机（Microcontroller Unit, MCU）概述： 介绍单片机的定义、特点、工作原理以及其在嵌入式系统中的重要作用。与通用CPU的区别与联系。 CPU核心（处理器）： 讲解单片机内部的CPU部分，通常采用精简指令集（RISC）或复杂指令集（CISC）架构。重点关注指令执行、寄存器组、时钟管理等。 存储器系统： 程序存储器（ROM/Flash）： 讲解存储程序指令的部分，其容量、读写特性以及在单片机中的作用。 数据存储器（RAM）： 讲解存储程序运行时变量、堆栈等数据的部分，其速度、容量和读写特性。 外部存储器接口（可选）： 介绍如何通过接口连接外部RAM或Flash，扩展单片机的存储能力。 输入/输出（I/O）接口： 通用I/O口（GPIO）： 讲解如何配置GPIO口作为输入或输出，进行数字信号的读写，实现对外设的控制和数据采集。 特殊功能I/O： 介绍如ADC（模数转换）、DAC（数模转换）、PWM（脉冲宽度调制）、定时器/计数器等，以及它们在实际应用中的作用。 通信接口： 串行通信接口： UART/USART（通用异步收发器）、SPI（串行外设接口）、I2C（集成电路总线）等，讲解其工作原理、通信协议以及在设备间通信中的应用。 并行通信接口： 讲解并行传输的特点和应用场景。 中断系统： 讲解中断的概念、中断向量表、中断服务程序（ISR）的工作流程，以及中断如何实现事件驱动的响应机制，提高系统效率。 时钟与复位电路： 讲解单片机内部时钟源（晶振、PLL等）的作用，以及复位信号如何使单片机恢复到初始状态。 二、FPGA在CPU及单片机设计中的应用 FPGA（Field Programmable Gate Array）简介： 介绍FPGA的硬件结构（查找表LUT、触发器FF、布线资源等）以及其可编程性，使其成为原型开发和定制硬件的理想平台。 FPGA开发流程： 讲解从HDL设计、仿真、综合、实现（布局布线）到下载到FPGA芯片的完整流程。 将CPU设计移植到FPGA： 演示如何将第一册中设计的RISC-V CPU核心（或其他自定义CPU）移植到FPGA平台上进行硬件实现。 利用FPGA构建单片机系统： 讲解如何将CPU核心与各种外设模块（如RAM控制器、GPIO、UART、定时器等）集成到FPGA中，构建一个完整的、定制化的单片机系统。 IP核（Intellectual Property Core）的使用： 介绍如何利用现成的IP核（如RAM控制器、SDRAM控制器、各种通信接口IP）来快速构建复杂的单片机系统，而不必从零开始设计所有模块。 软核（Soft Core）与硬核（Hard Core）： 区分在FPGA上实现的软核CPU（如NIOS II, MicroBlaze）和通过FPGA内部硬IP实现的硬核CPU，以及它们各自的优缺点。 三、实际制作与硬件调试 硬件平台选择： 介绍常见的FPGA开发板（如Xilinx, Intel/Altera等系列）及其特点，以及根据项目需求选择合适的开发板。 系统集成与板级设计（基础）： 讲解如何将CPU核心、存储器、I/O接口等模块在FPGA内部进行逻辑连接，以及如何在PCB板上实现必要的外围电路（如电源、时钟、复位、调试接口等）。 调试技术与工具： 逻辑分析仪（Logic Analyzer）： 讲解如何使用逻辑分析仪观察FPGA内部信号，实时监测CPU和外设的工作状态，辅助调试。 JTAG/SWD调试接口： 介绍JTAG（Joint Test Action Group）或SWD（Serial Wire Debug）等调试接口，如何通过它们与CPU进行在线调试，设置断点、查看寄存器值、单步执行等。 仿真与硬件调试的结合： 强调仿真验证和实际硬件调试相互补充的重要性。 固件开发与烧录： 讲解如何为设计的单片机编写嵌入式程序（固件），以及如何将固件烧录到单片机（或FPGA中的存储器）中运行。 项目实践案例： 提供一些实际的单片机设计与制作案例，如简单的LED控制器、数据采集系统、通信模块等，带领读者动手实践。 四、嵌入式系统开发与高级主题（选讲） 实时操作系统（RTOS）基础： 简要介绍RTOS的概念，如任务调度、同步与通信机制，以及RTOS在复杂嵌入式系统中的作用。 低功耗设计： 讲解在单片机设计中实现低功耗的技术，如时钟门控、电源管理、睡眠模式等。 性能优化与功耗优化： 结合前面章节的内容，从硬件和软件层面探讨如何进一步优化CPU和单片机的性能和功耗。 外设驱动程序开发： 讲解如何为FPGA或ASIC实现的单片机编写驱动程序，以方便上层应用软件调用。 总而言之，这套书籍将为读者提供一个扎实的CPU设计理论基础，并结合实际的单片机制作经验，让读者能够真正地“从零开始”，一步步构建出自己动手设计的处理器和嵌入式系统。书中强调实践性，通过大量的实例和代码演示，帮助读者将抽象的理论知识转化为具体的硬件实现。

评分☆☆☆☆☆

刚拿到这套书，被书名吸引了，尤其是“包邮”这个字眼，虽然和内容没直接关系，但感觉很接地气，让人有种亲近感。我一直对计算机底层原理充满好奇，尤其是CPU是如何工作的，一直停留在高层概念，总觉得缺少了点什么。这套书承诺“手把手教你设计CPU”，听起来就让人跃跃欲试。我特别期待的是，它能够从最基础的逻辑门开始，一步步拆解CPU的复杂结构，让我明白指令是怎么被执行的，寄存器、ALU、控制单元这些核心部件是如何协同工作的。毕竟，很多资料要么过于晦涩难懂，要么就只是泛泛而谈，缺乏深入的实践指导。我希望这套书能给我带来那种“豁然开朗”的感觉，能够真正理解CPU的设计哲学，并且能够用自己的双手去实现一个简单的CPU。

评分☆☆☆☆☆

这套书给我最大的惊喜在于它能够将理论与实践结合得如此紧密。我一直觉得学习硬件设计，尤其是CPU设计，如果仅仅停留在理论层面，是很难真正掌握的。这本书不仅仅讲解了RISC-V架构的原理，还通过“自己设计制作CPU与单片机”的部分，引导读者进行实际的操作。我迫不及待地想看看书中是如何一步步指导我们从零开始构建一个CPU的。是不是有具体的电路图，讲解具体的硬件实现细节，甚至可能会涉及到一些常用EDA工具的使用方法？我希望它能提供清晰的步骤，即使是初学者也能按照指导完成一个属于自己的CPU。这样的学习方式，比单纯地阅读教材要有效得多，能够大大加深我对CPU设计的理解和掌握程度。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我被这本书中“RISC-V处理器篇”这个关键词深深吸引。RISC-V作为一种开源指令集架构，近年来发展势头迅猛，受到越来越多工程师和学者的关注。我一直想深入了解RISC-V的优势以及它的设计理念，尤其想知道它与传统的x86架构在设计思路上有什么不同。这本书既然以RISC-V为切入点，想必会对这个架构进行详细的解读，比如它的指令集特性、模块化设计等。我特别期待书中能够讲解如何基于RISC-V进行CPU的设计，而不是仅仅停留在概念介绍。例如，书中是否会提供一套完整的RISC-V CPU的设计流程，包括前端、后端的设计，以及流水线、分支预测等关键技术的实现？这样的内容对我来说非常有价值。

评分☆☆☆☆☆

我一直对“单片机”这个词有种特别的情感，它代表着一种将复杂功能集成到微小芯片中的智慧。而这本书将“自己设计制作CPU”和“单片机”放在一起，让我看到了将CPU设计理论付诸实践的可能。我好奇书中是如何将CPU设计与单片机制作联系起来的。是不是会提供一些基于CPU核心的单片机设计案例？比如，如何构建一个简单的带内存、I/O接口的单片机系统？我特别期待书中能够指导读者完成一个能够运行简单程序的单片机，这样才能真正体会到设计的成就感。同时，我也希望这本书在讲解单片机制作时，能够包含一些硬件焊接、调试等方面的实用技巧，让学习过程更加完整。

评分☆☆☆☆☆

这本书最打动我的地方在于它对“手把手教你设计CPU”的承诺，这暗示着一种深入浅出的教学方式。我一直觉得CPU的设计是一个非常复杂的工程，涉及大量的细节和专业知识。然而，市面上很多关于CPU设计的书籍要么过于学术化，充当着教科书的角色，让人望而却步；要么就是过于简化，流于表面，无法真正理解其精髓。我期待这套书能够打破这种困境，它能够以一种循序渐进、由浅入深的方式，引导读者一步步掌握CPU设计的核心概念和技术。例如，我希望能看到书中对每个设计环节都进行详细的讲解，配以图示和具体的代码示例，让读者能够清晰地理解每一步的操作和背后的原理。