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

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。

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。

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