手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇 自制cpu自主设计书籍 RISC-V架构开发教程 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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出版社： 人民邮电出版社

ISBN：9787115480521

商品编码：28111063587

商品基本信息,请以下列介绍为准
商品名称：	手把手教你设计CPU-RISC-V处理器篇
作者：	胡振波
市场价：	99.00元
ISBN号：	9787115480521
出版社：	人民邮电出版社
商品类型：	图书

其他参考信息（以实物为准）
装帧：平装	开本：	语种：中文
印刷时间：2018-06-01	版次：1	页数：

编辑推荐

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。

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 1.1.1  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 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 2.1.1  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  高效的分支跳转指令    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 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 3.1.1  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 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 第6章  流水线不是流水账——蜂鸟E200流水线介绍    78 第7章  万事开头难吗—— 一切从取指令开始    88 第8章  一鼓作气，执行力是关键——执行    117 第9章  善始者实繁，克终者盖寡——交付    161 第 10章  让子弹飞一会儿——写回    170 第 11章  哈弗还是比亚迪——存储器架构    178 第 12章  黑盒子的窗口——总线接口单元BIU    203 第 13章  不得不说的故事——中断和异常    217 第 14章  最不起眼的，其实是最难的——调试机制    246 第 15章  动如脱兔，静若处子——低功耗的诀窍    260 第 16章  工欲善其事，必先利其器——RISC-V可扩展协处理器    276   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 第 18章  套上壳子上路——实现SoC和FPGA原型    302 第 19章  画龙点睛——运行和调试软件示例    321 第 20章  是骡子是马？拉出来遛遛——运行跑分程序    332   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

作者简介

 

《精通RISC-V：从理论到实践的深度解析》 内容简介 本书并非一本简单的教程，而是一次深入 RISC-V 架构核心的探索之旅。它旨在为读者构建一个坚实的理论基础，并在此之上，引导读者逐步实践，理解并掌握 RISC-V 处理器的设计精髓。我们将从指令集架构（ISA）的起源与演进出发，细致剖析 RISC-V 的设计理念、优势以及它为何能在当下集成电路设计领域掀起革新浪潮。 第一部分：RISC-V 架构的基石 指令集架构（ISA）的演进与RISC-V的诞生 回顾计算机体系结构发展史，了解 CISC 和 RISC 的核心区别。 探讨早期 RISC 架构的成功与局限，为理解 RISC-V 的设计提供历史视角。 深入分析 RISC-V 作为一个开放标准 ISA 的诞生背景、目标以及其所带来的颠覆性影响。我们将详细讲解 RISC-V 的模块化设计思想，理解为何它能如此灵活地适应不同应用场景。 RISC-V 的核心指令集：RV32I/RV64I 本书将以 RV32I 和 RV64I 作为切入点，这是 RISC-V 最基础、最核心的整数指令集。 我们将逐条讲解这些基础指令的格式、编码、功能以及在程序执行中的作用。例如，数据传输指令（load/store）、算术逻辑指令（add/sub/and/or/xor）、控制流指令（branch/jump）、系统调用指令等。 通过详尽的示例，我们会演示这些指令如何组合起来完成复杂的计算任务，为后续的深入学习打下坚实基础。 RISC-V 的扩展指令集：M、A、F、D、C 等 理解 RISC-V 的模块化和可扩展性是其核心优势。我们将深入探讨常见的扩展指令集，如： M 扩展： 整数乘法和除法指令，分析其实现原理和性能考量。 A 扩展： 原子操作指令，讲解其在多核处理器同步中的关键作用，以及如何实现内存的原子性访问。 F、D 扩展： 单精度和双精度浮点运算指令，介绍浮点数的表示方法、运算规则以及在科学计算和图形处理中的应用。 C 扩展： 压缩指令集，讲解其如何减小指令长度，提高代码密度和执行效率，尤其在嵌入式系统中的优势。 我们将讨论不同扩展指令集组合的应用场景，帮助读者根据实际需求选择合适的 RISC-V 配置。 RISC-V 的特权级和中断机制 深入理解 RISC-V 的多级特权机制（User Mode, Supervisor Mode, Machine Mode），以及它们在操作系统和系统软件中的分工。 详细讲解 RISC-V 的中断和异常处理流程，包括中断向量表、中断向量寄存器、中断请求和中断响应等。 通过分析不同级别的特权级如何处理中断，读者可以更深刻地理解处理器如何响应外部事件和内部错误。 第二部分：RISC-V 处理器的微架构设计 指令流水线的概念与实现 我们将从经典的五级流水线（取指、译码、执行、访存、写回）入手，详细阐述其工作原理和潜在的性能瓶颈。 深入分析流水线中的冒险（数据冒险、控制冒险、结构冒险），并讲解解决这些冒险的常用技术，如： 转发（Forwarding/Bypassing）： 如何将数据在流水线阶段之间直接传递，避免等待。 流水线暂停（Stalling/Bubbles）： 如何在无法解决冒险时插入空泡，保证处理器正确运行。 分支预测（Branch Prediction）： 如何预测分支指令的执行路径，减少控制冒险带来的延迟。我们将介绍静态预测和动态预测等技术。 通过详细的图示和代码示例，读者将能够清晰地理解流水线如何提升指令吞吐量。 RISC-V 核心指令的微架构实现 我们将选择几条典型的 RISC-V 指令，例如 Load/Store 指令、算术指令、分支指令，来详细讲解它们在流水线中的具体实现细节。 分析不同指令在执行阶段如何与 ALU（算术逻辑单元）、寄存器堆等硬件单元交互。 讲解 Load/Store 指令如何与内存接口进行交互，以及访存阶段的设计考量。 深入分析分支指令如何影响 PC（程序计数器）的更新，以及分支预测单元的工作机制。 内存管理与 Cache 设计 理解现代处理器中 Cache 的重要性，以及它如何缓解 CPU 与主内存之间的速度差异。 我们将介绍不同层级的 Cache（L1, L2, L3），以及 Cache 的基本工作原理，如： 命中与未命中（Hit/Miss）： 讲解 Cache 命中率对性能的影响。 替换策略（Replacement Policies）： 如 LRU（最近最少使用）等，以及它们的设计目标。 写策略（Write Policies）： 如写回（Write-back）和写通（Write-through），以及各自的优缺点。 我们将探讨 RISC-V 处理器中可能采用的 Cache 组织方式，如直接映射、组相联和全相联。 中断与异常处理的硬件实现 除了软件层面的讲解，我们将深入分析中断和异常在硬件层面是如何被触发、处理和响应的。 讲解中断控制器（Interrupt Controller）的设计，它如何接收、管理和路由中断信号。 分析处理器核心如何根据中断向量和特权级信息，跳转到相应的中断服务程序。 探讨异常发生时，处理器如何保存当前状态，以便在异常处理完成后恢复。 第三部分：RISC-V 的生态系统与应用 RISC-V 软件工具链 掌握 RISC-V 的软件开发环境是至关重要的。我们将介绍主要的 RISC-V 工具链，包括： GCC/LLVM 编译器： 如何针对 RISC-V 架构进行交叉编译。 GDB 调试器： 如何对 RISC-V 程序进行调试。 Binutils：Assembler, Linker 等工具的使用。 通过实际的编译和调试案例，读者将学会如何为 RISC-V 平台开发和运行程序。 操作系统在 RISC-V 上的移植与运行 我们将探讨 Linux 等主流操作系统在 RISC-V 上的移植情况，理解移植过程中需要解决的关键问题。 分析 RISC-V 架构对操作系统的特殊要求，例如内存管理单元（MMU）的配置、中断处理程序的编写等。 介绍一些常见的 RISC-V 嵌入式操作系统，以及它们在不同应用中的使用。 RISC-V 在不同领域的应用展望 RISC-V 的开放性和灵活性使其在各个领域都有广阔的应用前景。我们将讨论： 嵌入式系统： 微控制器、物联网设备等。 高性能计算： 服务器、数据中心等。 人工智能与机器学习： 加速器设计等。 安全领域： 安全芯片、可信执行环境等。 通过介绍成功的 RISC-V 应用案例，读者可以更直观地感受到 RISC-V 架构的巨大潜力。 本书的独特之处 本书并非零散的知识点堆砌，而是以系统化的方式，从理论的深度挖掘到实践的落地，层层递进。我们力求用清晰易懂的语言，辅以大量的图示和实例，将抽象的计算机体系结构概念具象化。本书将带领读者逐步建立起对 RISC-V 处理器设计从宏观到微观的全面认知，为进一步的深入研究或实际项目开发奠定坚实的基础。读者不仅能理解 RISC-V 是什么，更能理解它为什么是这样设计的，以及它如何被构建出来。

评分☆☆☆☆☆

翻开这本书，首先感受到的是一股扑面而来的工程气息，它不是那种晦涩难懂的学术论文，而是一本真正为动手实践者准备的工具书。作者在讲解每一个设计决策时，都会给出充分的理由和权衡，这让读者在学习如何“做”的同时，也明白了“为什么这么做”。书中对于各种设计工具的使用和流程的介绍也非常详尽，对于很多初次接触硬件描述语言（HDL）的读者来说，这些内容无疑是及时雨。我特别喜欢作者在书中穿插的那些“陷阱”提醒和“调试技巧”，这些经验之谈往往是教科书里找不到的，但却是实际项目中至关重要的宝贵财富。通过跟随书中的步骤，我不仅学会了如何设计一个处理器，更重要的是，培养了对数字逻辑设计更深层次的敬畏和理解。这本书的价值在于，它将一个宏大的目标——设计一个CPU，分解成了无数个可执行的小任务，让整个学习过程变得不再那么令人望而生畏。

评分☆☆☆☆☆

从一个已经有一些数字电路基础的爱好者的视角来看，这本书的深度和广度都达到了一个很高的水准。它巧妙地平衡了理论的严谨性和实践的可操作性，使得读者在构建自己处理器的同时，也能对背后的计算机科学理论有一个更扎实的掌握。作者对RISC-V指令集的解读非常到位，他没有简单地罗列指令，而是深入剖析了指令设计背后的哲学思想，这对于理解现代精简指令集架构的优势至关重要。在流水线设计、异常处理等高级主题上，书中的阐述也显得游刃有余，既保证了讲解的深度，又避免了过度深奥而使读者望而却步。这本书的排版和插图也值得称赞，复杂的时序图和数据通路图清晰易懂，极大地减轻了阅读理解的负担。可以说，这本书为我搭建起了一座从理论概念到实际硬件之间的坚实桥梁，让我真正体会到了“我设计，我掌控”的成就感。

评分☆☆☆☆☆

老实说，市面上关于处理器设计的书籍很多，但真正能做到“手把手”的却凤毛麟角，而这本则真正做到了这一点。它的叙事方式非常亲切，仿佛作者就坐在你身边，耐心地为你解释每一个寄存器和每一个控制信号的作用。我最欣赏的是书中对错误处理和验证环节的重视，很多初学者往往只关注“设计”的实现，却忽略了“验证”的艰巨性，这本书在这方面投入了大量的篇幅，教会我们如何系统地测试和调试自己的设计，这对于提高最终产品的可靠性至关重要。阅读过程中，我发现自己对时序逻辑的理解达到了一个全新的高度，特别是那些关于冒险和竞争条件的处理，书中的示例非常具有启发性。它真正做到了将复杂的设计流程“去神秘化”，让一个原本看起来遥不可及的工程目标，变得清晰可见、可以达成。

评分☆☆☆☆☆

对于希望通过实践项目来学习体系结构的人来说，这本书简直是一份宝藏。它不仅提供了理论框架，更提供了完整的实践路线图。我特别关注的是书中对于模块化设计的强调，作者教会我们如何将复杂的CPU拆分成ALU、寄存器堆、控制单元等独立的部分进行设计和测试，这种自顶向下的设计方法论，对于任何复杂的电子系统开发都是通用的黄金法则。书中的案例代码（假设有的话）组织得非常有条理，注释详尽，使得读者在移植或扩展功能时能有据可依。最让人感到振奋的是，通过跟随本书的步骤，最终能够点亮一个属于自己的、能够执行基本程序的处理器核心，这种成就感是纯理论学习无法比拟的。这本书的独特价值在于，它提供了一种深入内核的视角，让你从一个“使用者”彻底蜕变为一个“创造者”。

评分☆☆☆☆☆

这本关于自制CPU设计的书籍，从读者的角度来看，真是一本极具实践价值的入门指南。它没有停留在理论的海洋里打转，而是直接将读者拉入动手实践的快车道。书中的讲解清晰明了，每一步骤都像是手把手带着你操作，即便是对硬件设计不甚熟悉的读者，也能循着作者的思路，一步步构建起对CPU内部工作原理的深刻理解。尤其值得称赞的是，它没有回避那些初学者容易感到困惑的细节，而是将它们拆解得非常细致，让复杂的逻辑变得触手可及。阅读过程中，我能明显感觉到作者的用心，他不仅仅是在传授知识，更是在培养一种解决问题的思维方式，这对于想要深入研究计算机体系结构的人来说，是无价之宝。这本书的布局逻辑性很强，从基础概念的建立，到模块的逐步实现，再到最终系统的集成，整个过程设计得非常流畅，让人在学习新知识的同时，还能不断回顾和巩固已学内容，这种螺旋上升的学习路径极大地提高了学习效率。