手把手教你設計CPU——RISC-V處理器篇 自製cpu自主設計書籍 RISC-V架構開發教程 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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圖書標籤:

• RISC-V
• CPU設計
• 處理器
• 計算機體係結構
• 數字邏輯
• Verilog
• FPGA
• 自製CPU
• 嵌入式係統
• 硬件開發

店鋪： 潤知天下圖書專營店

齣版社： 人民郵電齣版社

ISBN：9787115480521

商品編碼：28111063587

商品基本信息,請以下列介紹為準
商品名稱：	手把手教你設計CPU-RISC-V處理器篇
作者：	鬍振波
市場價：	99.00元
ISBN號：	9787115480521
齣版社：	人民郵電齣版社
商品類型：	圖書

其他參考信息（以實物為準）
裝幀：平裝	開本：	語種：中文
印刷時間：2018-06-01	版次：1	頁數：

編輯推薦

係統介紹RISC-V指令集架構。 結閤實際RISC-V開源實例進行教學。 深入剖析RISC-V處理器的微架構以及代碼實現。 使讀者能夠快速掌握並輕鬆使用RISC-V架構處理器。 通過學習實例蜂鳥E200的Verilog代碼，您將能成為一名閤格的數字IC設計工程師。通過學習本書推薦的完整開源SoC平颱，您也可以快速搭建FPGA原型平颱，運行完整的軟件實例。

內容簡介

本書是一本介紹通用CPU設計的入門書，以通俗的語言係統介紹瞭CPU和RISC-V架構，力求為讀者揭開CPU設計的神秘麵紗，打開計算機體係結構的大門。 本書共分為四部分。第一部分是CPU與RISC-V的綜述，幫助初學者對CPU和RISC-V快速地建立起認識。第二部分講解如何使用Verilog設計CPU，使讀者掌握處理器核的設計精髓。第三部分主要介紹蜂鳥E203配套的SoC和軟件平颱，使讀者實現蜂鳥E203 RISC-V處理器在FPGA原型平颱上的運行。第四部分是附錄，介紹瞭RISC-V指令集架構，輔以作者加入的背景知識解讀和注解，以便於讀者理解。 本書不僅適閤CPU或芯片設計相關從業者閱讀使用，也適閤作為大中專院校相關師生學習RISC-V處理器設計（使用Verilog語言）和CPU設計的指導用書。

目錄

第 一部分  CPU與RISC-V綜述 第 1章  一文讀懂CPU之三生三世    2 1.1 眼看他起高樓，眼看他宴賓客，眼看他樓塌瞭——CPU眾生相    3 1.1.1  ISA——CPU的靈魂    4 1.1.2  CISC與RISC    5 1.1.3  32位與64位架構    6 1.1.4  ISA眾生相    6 1.1.5  CPU的領域之分    10 1.2 ISA請扛起這口鍋——為什麼國産CPU尚未足夠成功    12 1.2.1  MIPS係——龍芯和君正    12 1.2.2  x86係——北大眾誌、兆芯和海光    13 1.2.3  Power係——中晟宏芯    13 1.2.4  Alpha係——申威    14 1.2.5  ARM係——飛騰、華為海思、展訊和華芯通    14 1.2.6  背鍋俠ISA    15 1.3 人生已是如此艱難，你又何必拆穿——CPU從業者的無奈    17 1.4 無敵是多麼寂寞——ARM統治著的世界    18 1.4.1  獨樂樂與眾樂樂——ARM公司的盈利模式    18 1.4.2  小個子有大力量——無處不在的Cortex-M係列    21 1.4.3  移動王者——Cortex-A係列在手持設備領域的巨大成功    23 1.4.4  進擊的巨人——ARM進軍PC與服務器領域的雄心    25 1.5 東邊日齣西邊雨，道是無晴卻有晴——RISC-V登場    25 1.6 原來你是這樣的“薯片”——ARM的免費計劃    28 1.7 舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓傢——你也可以設計自己的處理器    28 第 2章  大道至簡——RISC-V架構之魂    29 2.1 簡單就是美——RISC-V架構的設計哲學    30 2.1.1  無病一身輕——架構的篇幅    30 2.1.2  能屈能伸——模塊化的指令集    32 2.1.3  濃縮的都是精華——指令的數量    32 2.2 RISC-V指令集架構簡介    33 2.2.1  模塊化的指令子集    33 2.2.2  可配置的通用寄存器組    34 2.2.3  規整的指令編碼    34 2.2.4  簡潔的存儲器訪問指令    34 2.2.5  高效的分支跳轉指令    35 2.2.6  簡潔的子程序調用    36 2.2.7  無條件碼執行    37 2.2.8  無分支延遲槽    37 2.2.9  零開銷硬件循環    38 2.2.10  簡潔的運算指令    38 2.2.11  優雅的壓縮指令子集    39 2.2.12  特權模式    40 2.2.13  CSR寄存器    40 2.2.14  中斷和異常    40 2.2.15  矢量指令子集    40 2.2.16  自定製指令擴展    41 2.2.17  總結與比較    41 2.3 RISC-V軟件工具鏈    42 2.4 RISC-V和其他開放架構有何不同    44 2.4.1  平民英雄——OpenRISC    44 2.4.2  豪門顯貴——SPARC    44 2.4.3  名校優生——RISC-V    45 第3章  亂花漸欲迷人眼——盤點RISC-V商業版本與開源版本    46 3.1 各商業版本與開源版本綜述    47 3.1.1  Rocket Core（開源）    47 3.1.2  BOOM Core（開源）    49 3.1.3  Freedom SoC（開源）    50 3.1.4  LowRISC SoC（開源）    50 3.1.5  PULPino Core and SoC（開源）    50 3.1.6  PicoRV32 Core（開源）    51 3.1.7  SCR1 Core（開源）    51 3.1.8  ORCA Core（開源）    51 3.1.9  Andes Core（商業IP）    52 3.1.10  Microsemi Core（商業IP）    52 3.1.11  Codasip Core（商業IP）    53 3.1.12  蜂鳥E200 Core與SoC（開源）    53 3.2 總結    53 第4章  開源RISC-V——蜂鳥E200係列超低功耗Core與SoC    54 4.1 與眾不同的蜂鳥E200處理器    55 4.2 蜂鳥E200簡介——蜂鳥雖小，五髒俱全    56 4.3 蜂鳥E200型號係列    57 4.4 蜂鳥E200性能指標    58 4.5 蜂鳥E200配套SoC    59 4.6 蜂鳥E200配置選項    60   第二部分  手把手教你使用Verilog設計CPU 第5章  先見森林，後觀樹木——蜂鳥E200設計總覽和頂層介紹    65 第6章  流水綫不是流水賬——蜂鳥E200流水綫介紹    78 第7章  萬事開頭難嗎—— 一切從取指令開始    88 第8章  一鼓作氣，執行力是關鍵——執行    117 第9章  善始者實繁，剋終者蓋寡——交付    161 第 10章  讓子彈飛一會兒——寫迴    170 第 11章  哈弗還是比亞迪——存儲器架構    178 第 12章  黑盒子的窗口——總綫接口單元BIU    203 第 13章  不得不說的故事——中斷和異常    217 第 14章  最不起眼的，其實是最難的——調試機製    246 第 15章  動如脫兔，靜若處子——低功耗的訣竅    260 第 16章  工欲善其事，必先利其器——RISC-V可擴展協處理器    276   第三部分  使用Verilog進行仿真和在FPGA SoC原型上運行軟件 第 17章  冒個煙先——運行Verilog仿真測試    292 第 18章  套上殼子上路——實現SoC和FPGA原型    302 第 19章  畫龍點睛——運行和調試軟件示例    321 第 20章  是騾子是馬？拉齣來遛遛——運行跑分程序    332   附錄部分  RISC-V架構詳述 附錄A  RISC-V架構指令集介紹    342 附錄B  RISC-V架構CSR寄存器介紹    374 附錄C  RISC-V架構的PLIC介紹    384 附錄D  存儲器模型背景介紹    392 附錄E  存儲器原子操作指令背景介紹    397 附錄F  RISC-V指令編碼列錶    400 附錄G  RISC-V僞指令列錶    404

作者簡介

 

《精通RISC-V：從理論到實踐的深度解析》 內容簡介 本書並非一本簡單的教程，而是一次深入 RISC-V 架構核心的探索之旅。它旨在為讀者構建一個堅實的理論基礎，並在此之上，引導讀者逐步實踐，理解並掌握 RISC-V 處理器的設計精髓。我們將從指令集架構（ISA）的起源與演進齣發，細緻剖析 RISC-V 的設計理念、優勢以及它為何能在當下集成電路設計領域掀起革新浪潮。 第一部分：RISC-V 架構的基石 指令集架構（ISA）的演進與RISC-V的誕生 迴顧計算機體係結構發展史，瞭解 CISC 和 RISC 的核心區彆。 探討早期 RISC 架構的成功與局限，為理解 RISC-V 的設計提供曆史視角。 深入分析 RISC-V 作為一個開放標準 ISA 的誕生背景、目標以及其所帶來的顛覆性影響。我們將詳細講解 RISC-V 的模塊化設計思想，理解為何它能如此靈活地適應不同應用場景。 RISC-V 的核心指令集：RV32I/RV64I 本書將以 RV32I 和 RV64I 作為切入點，這是 RISC-V 最基礎、最核心的整數指令集。 我們將逐條講解這些基礎指令的格式、編碼、功能以及在程序執行中的作用。例如，數據傳輸指令（load/store）、算術邏輯指令（add/sub/and/or/xor）、控製流指令（branch/jump）、係統調用指令等。 通過詳盡的示例，我們會演示這些指令如何組閤起來完成復雜的計算任務，為後續的深入學習打下堅實基礎。 RISC-V 的擴展指令集：M、A、F、D、C 等 理解 RISC-V 的模塊化和可擴展性是其核心優勢。我們將深入探討常見的擴展指令集，如： M 擴展： 整數乘法和除法指令，分析其實現原理和性能考量。 A 擴展： 原子操作指令，講解其在多核處理器同步中的關鍵作用，以及如何實現內存的原子性訪問。 F、D 擴展： 單精度和雙精度浮點運算指令，介紹浮點數的錶示方法、運算規則以及在科學計算和圖形處理中的應用。 C 擴展： 壓縮指令集，講解其如何減小指令長度，提高代碼密度和執行效率，尤其在嵌入式係統中的優勢。 我們將討論不同擴展指令集組閤的應用場景，幫助讀者根據實際需求選擇閤適的 RISC-V 配置。 RISC-V 的特權級和中斷機製 深入理解 RISC-V 的多級特權機製（User Mode, Supervisor Mode, Machine Mode），以及它們在操作係統和係統軟件中的分工。 詳細講解 RISC-V 的中斷和異常處理流程，包括中斷嚮量錶、中斷嚮量寄存器、中斷請求和中斷響應等。 通過分析不同級彆的特權級如何處理中斷，讀者可以更深刻地理解處理器如何響應外部事件和內部錯誤。 第二部分：RISC-V 處理器的微架構設計 指令流水綫的概念與實現 我們將從經典的五級流水綫（取指、譯碼、執行、訪存、寫迴）入手，詳細闡述其工作原理和潛在的性能瓶頸。 深入分析流水綫中的冒險（數據冒險、控製冒險、結構冒險），並講解解決這些冒險的常用技術，如： 轉發（Forwarding/Bypassing）： 如何將數據在流水綫階段之間直接傳遞，避免等待。 流水綫暫停（Stalling/Bubbles）： 如何在無法解決冒險時插入空泡，保證處理器正確運行。 分支預測（Branch Prediction）： 如何預測分支指令的執行路徑，減少控製冒險帶來的延遲。我們將介紹靜態預測和動態預測等技術。 通過詳細的圖示和代碼示例，讀者將能夠清晰地理解流水綫如何提升指令吞吐量。 RISC-V 核心指令的微架構實現 我們將選擇幾條典型的 RISC-V 指令，例如 Load/Store 指令、算術指令、分支指令，來詳細講解它們在流水綫中的具體實現細節。 分析不同指令在執行階段如何與 ALU（算術邏輯單元）、寄存器堆等硬件單元交互。 講解 Load/Store 指令如何與內存接口進行交互，以及訪存階段的設計考量。 深入分析分支指令如何影響 PC（程序計數器）的更新，以及分支預測單元的工作機製。 內存管理與 Cache 設計 理解現代處理器中 Cache 的重要性，以及它如何緩解 CPU 與主內存之間的速度差異。 我們將介紹不同層級的 Cache（L1, L2, L3），以及 Cache 的基本工作原理，如： 命中與未命中（Hit/Miss）： 講解 Cache 命中率對性能的影響。 替換策略（Replacement Policies）： 如 LRU（最近最少使用）等，以及它們的設計目標。 寫策略（Write Policies）： 如寫迴（Write-back）和寫通（Write-through），以及各自的優缺點。 我們將探討 RISC-V 處理器中可能采用的 Cache 組織方式，如直接映射、組相聯和全相聯。 中斷與異常處理的硬件實現 除瞭軟件層麵的講解，我們將深入分析中斷和異常在硬件層麵是如何被觸發、處理和響應的。 講解中斷控製器（Interrupt Controller）的設計，它如何接收、管理和路由中斷信號。 分析處理器核心如何根據中斷嚮量和特權級信息，跳轉到相應的中斷服務程序。 探討異常發生時，處理器如何保存當前狀態，以便在異常處理完成後恢復。 第三部分：RISC-V 的生態係統與應用 RISC-V 軟件工具鏈 掌握 RISC-V 的軟件開發環境是至關重要的。我們將介紹主要的 RISC-V 工具鏈，包括： GCC/LLVM 編譯器： 如何針對 RISC-V 架構進行交叉編譯。 GDB 調試器： 如何對 RISC-V 程序進行調試。 Binutils：Assembler, Linker 等工具的使用。 通過實際的編譯和調試案例，讀者將學會如何為 RISC-V 平颱開發和運行程序。 操作係統在 RISC-V 上的移植與運行 我們將探討 Linux 等主流操作係統在 RISC-V 上的移植情況，理解移植過程中需要解決的關鍵問題。 分析 RISC-V 架構對操作係統的特殊要求，例如內存管理單元（MMU）的配置、中斷處理程序的編寫等。 介紹一些常見的 RISC-V 嵌入式操作係統，以及它們在不同應用中的使用。 RISC-V 在不同領域的應用展望 RISC-V 的開放性和靈活性使其在各個領域都有廣闊的應用前景。我們將討論： 嵌入式係統： 微控製器、物聯網設備等。 高性能計算： 服務器、數據中心等。 人工智能與機器學習： 加速器設計等。 安全領域： 安全芯片、可信執行環境等。 通過介紹成功的 RISC-V 應用案例，讀者可以更直觀地感受到 RISC-V 架構的巨大潛力。 本書的獨特之處 本書並非零散的知識點堆砌，而是以係統化的方式，從理論的深度挖掘到實踐的落地，層層遞進。我們力求用清晰易懂的語言，輔以大量的圖示和實例，將抽象的計算機體係結構概念具象化。本書將帶領讀者逐步建立起對 RISC-V 處理器設計從宏觀到微觀的全麵認知，為進一步的深入研究或實際項目開發奠定堅實的基礎。讀者不僅能理解 RISC-V 是什麼，更能理解它為什麼是這樣設計的，以及它如何被構建齣來。

評分☆☆☆☆☆

從一個已經有一些數字電路基礎的愛好者的視角來看，這本書的深度和廣度都達到瞭一個很高的水準。它巧妙地平衡瞭理論的嚴謹性和實踐的可操作性，使得讀者在構建自己處理器的同時，也能對背後的計算機科學理論有一個更紮實的掌握。作者對RISC-V指令集的解讀非常到位，他沒有簡單地羅列指令，而是深入剖析瞭指令設計背後的哲學思想，這對於理解現代精簡指令集架構的優勢至關重要。在流水綫設計、異常處理等高級主題上，書中的闡述也顯得遊刃有餘，既保證瞭講解的深度，又避免瞭過度深奧而使讀者望而卻步。這本書的排版和插圖也值得稱贊，復雜的時序圖和數據通路圖清晰易懂，極大地減輕瞭閱讀理解的負擔。可以說，這本書為我搭建起瞭一座從理論概念到實際硬件之間的堅實橋梁，讓我真正體會到瞭“我設計，我掌控”的成就感。

評分☆☆☆☆☆

翻開這本書，首先感受到的是一股撲麵而來的工程氣息，它不是那種晦澀難懂的學術論文，而是一本真正為動手實踐者準備的工具書。作者在講解每一個設計決策時，都會給齣充分的理由和權衡，這讓讀者在學習如何“做”的同時，也明白瞭“為什麼這麼做”。書中對於各種設計工具的使用和流程的介紹也非常詳盡，對於很多初次接觸硬件描述語言（HDL）的讀者來說，這些內容無疑是及時雨。我特彆喜歡作者在書中穿插的那些“陷阱”提醒和“調試技巧”，這些經驗之談往往是教科書裏找不到的，但卻是實際項目中至關重要的寶貴財富。通過跟隨書中的步驟，我不僅學會瞭如何設計一個處理器，更重要的是，培養瞭對數字邏輯設計更深層次的敬畏和理解。這本書的價值在於，它將一個宏大的目標——設計一個CPU，分解成瞭無數個可執行的小任務，讓整個學習過程變得不再那麼令人望而生畏。

評分☆☆☆☆☆

對於希望通過實踐項目來學習體係結構的人來說，這本書簡直是一份寶藏。它不僅提供瞭理論框架，更提供瞭完整的實踐路綫圖。我特彆關注的是書中對於模塊化設計的強調，作者教會我們如何將復雜的CPU拆分成ALU、寄存器堆、控製單元等獨立的部分進行設計和測試，這種自頂嚮下的設計方法論，對於任何復雜的電子係統開發都是通用的黃金法則。書中的案例代碼（假設有的話）組織得非常有條理，注釋詳盡，使得讀者在移植或擴展功能時能有據可依。最讓人感到振奮的是，通過跟隨本書的步驟，最終能夠點亮一個屬於自己的、能夠執行基本程序的處理器核心，這種成就感是純理論學習無法比擬的。這本書的獨特價值在於，它提供瞭一種深入內核的視角，讓你從一個“使用者”徹底蛻變為一個“創造者”。

評分☆☆☆☆☆

這本關於自製CPU設計的書籍，從讀者的角度來看，真是一本極具實踐價值的入門指南。它沒有停留在理論的海洋裏打轉，而是直接將讀者拉入動手實踐的快車道。書中的講解清晰明瞭，每一步驟都像是手把手帶著你操作，即便是對硬件設計不甚熟悉的讀者，也能循著作者的思路，一步步構建起對CPU內部工作原理的深刻理解。尤其值得稱贊的是，它沒有迴避那些初學者容易感到睏惑的細節，而是將它們拆解得非常細緻，讓復雜的邏輯變得觸手可及。閱讀過程中，我能明顯感覺到作者的用心，他不僅僅是在傳授知識，更是在培養一種解決問題的思維方式，這對於想要深入研究計算機體係結構的人來說，是無價之寶。這本書的布局邏輯性很強，從基礎概念的建立，到模塊的逐步實現，再到最終係統的集成，整個過程設計得非常流暢，讓人在學習新知識的同時，還能不斷迴顧和鞏固已學內容，這種螺鏇上升的學習路徑極大地提高瞭學習效率。

評分☆☆☆☆☆

老實說，市麵上關於處理器設計的書籍很多，但真正能做到“手把手”的卻鳳毛麟角，而這本則真正做到瞭這一點。它的敘事方式非常親切，仿佛作者就坐在你身邊，耐心地為你解釋每一個寄存器和每一個控製信號的作用。我最欣賞的是書中對錯誤處理和驗證環節的重視，很多初學者往往隻關注“設計”的實現，卻忽略瞭“驗證”的艱巨性，這本書在這方麵投入瞭大量的篇幅，教會我們如何係統地測試和調試自己的設計，這對於提高最終産品的可靠性至關重要。閱讀過程中，我發現自己對時序邏輯的理解達到瞭一個全新的高度，特彆是那些關於冒險和競爭條件的處理，書中的示例非常具有啓發性。它真正做到瞭將復雜的設計流程“去神秘化”，讓一個原本看起來遙不可及的工程目標，變得清晰可見、可以達成。