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內容介紹
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。*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。*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。

作者介紹
鬍振波，上海交通大學電子工程係本科、微電子學院碩士。擁有業界多年ASIC和CPU設計與驗證經驗，先後在Marvell任職ARM架構CPU設計*級工程師、在Synopsys任職研發經理、在比特大陸任職IC設計總監、在武漢聚芯微電子任職架構師，現緻力於推動RISC-V架構在國內的傳播和發展。

關聯推薦
以通俗的語言係統介紹RISC-V處理器的相關內容，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
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*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 大道到簡——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

*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
5.1　處理器硬件設計概述 66
5.1.1 架構和微架構 66
5.1.2 CPU、處理器、Core和處理器核 66
5.1.3 處理器設計和驗證的特點 66
5.2　蜂鳥E200處理器核設計哲學 67
5.3　蜂鳥E200處理器核RTL代碼風格介紹 68
5.3.1 使用標準DFF模塊例化生成寄存器 68
5.3.2 推薦使用assign語法替代if-else和case語法 70
5.3.3 其他若乾注意事項 71
5.3.4 小結 72
5.4　蜂鳥E200模塊層次劃分 72
5.5　蜂鳥E200處理器核源代碼 73
5.6　蜂鳥E200處理器核配置選項 73
5.7　蜂鳥E200處理器核支持的RISC-V指令子集 74
5.8　蜂鳥E200處理器流水綫結構 74
5.9　蜂鳥E200處理器核頂層接口介紹 74
5.10　總結 77
第6章 流水綫不是流水賬——蜂鳥E200流水綫介紹 78
6.1　處理器流水綫概述 79
6.1.1 從經典的五級流水綫說起 79
6.1.2 可否不要流水綫——流水綫和狀態機的關係 81
6.1.3 深處種菱淺種稻，不深不淺種荷花——流水綫的深度 81
6.1.4 嚮上生長——越來越深的流水綫 82
6.1.5 嚮下生長——越來越淺的流水綫 83
6.1.6 總結 83
6.2　處理器流水綫中的亂序 83
6.3　處理器流水綫中的反壓 84
6.4　處理器流水綫中的衝突 84
6.4.1 流水綫中的資源衝突 84
6.4.2 流水綫中的數據衝突 85
6.5　蜂鳥E200處理器的流水綫 86
6.5.1 流水綫總體結構 86
6.5.2 流水綫中的衝突 87
6.6　總結 87
第7章 萬事開頭難嗎—— 一切從取指令開始 88
7.1　取指概述 89
7.1.1 取指特點 89
7.1.2 如何快速取指 90
7.1.3 如何處理非對齊指令 91
7.1.4 如何處理分支指令 92
7.2　RISC-V架構特點對於取指的簡化 97
7.2.1 規整的指令編碼格式 97
7.2.2 指令長度指示碼放於低位 97
7.2.3 簡單的分支跳轉指令 98
7.2.4 沒有分支延遲槽指令 100
7.2.5 提供明確的靜態分支預測依據 100
7.2.6 提供明確的RAS依據 101
7.3　蜂鳥E200處理器的取指實現 101
7.3.1 IFU總體設計思路 102
7.3.2 Mini-Decode 103
7.3.3 Simple-BPU分支預測 105
7.3.4 PC生成 109
7.3.5 訪問ITCM和BIU 111
7.3.6 ITCM 115
7.3.7 BIU 116
7.4　總結 116
第8章 一鼓作氣，執行力是關鍵——執行 117
8.1　執行概述 118
8.1.1 指令譯碼 118
8.1.2 指令執行 118
8.1.3 流水綫的衝突 119
8.1.4 指令的交付 119
8.1.5 指令發射、派遣、執行、寫迴的順序 119
8.1.6 分支解析 121
8.1.7 小結 121
8.2　RISC-V架構特點對於執行的簡化 121
8.2.1 規整的指令編碼格式 122
8.2.2 優雅的16位指令 122
8.2.3 精簡的指令個數 122
8.2.4 整數指令都是兩操作數 122
8.3　蜂鳥E200處理器的執行實現 123
8.3.1 執行指令列錶 123
8.3.2 EXU總體設計思路 123
8.3.3 譯碼 124
8.3.4 整數通用寄存器組 130
8.3.5 CSR寄存器 133
8.3.6 指令發射派遣 134
8.3.7 流水綫衝突、長指令和OITF 139
8.3.8 ALU 145
8.3.9 高性能乘除法 157
8.3.10 浮點單元 158
8.3.11 交付 159
8.3.12 寫迴 159
8.3.13 協處理器擴展 160
8.3.14 小結 160
第9章 善始者實繁，剋終者蓋寡——交付 161
9.1　處理器交付、取消、衝刷 162
9.1.1 處理器交付、取消、衝刷簡介 162
9.1.2 處理器交付常見實現策略 163
9.2　RISC-V架構特點對於交付的簡化 164
9.3　蜂鳥E200處理器交付硬件實現 164
9.3.1 分支預測指令的處理 165
9.3.2 中斷和異常的處理 168
9.3.3 多周期執行指令的交付 169
9.3.4 小結 169
第 10章 讓子彈飛一會兒——寫迴 170
10.1　處理器的寫迴 171
10.1.1 處理器寫迴功能簡介 171
10.1.2 處理器寫迴常見策略 171
10.2　蜂鳥E200處理器的寫迴硬件實現 171
10.2.1 *終寫迴仲裁 172
10.2.2 OITF和長指令寫迴仲裁 174
10.2.3 小結 177
第 11章 哈弗還是比亞迪——存儲器架構 178
11.1　存儲器架構概述 179
11.1.1 誰說處理器一定要有緩存 179
11.1.2 處理器一定要有存儲器 180
11.1.3 ITCM和DTCM 182
11.2　RISC-V架構特點對於存儲器訪問指令的簡化 183
11.2.1 僅支持小端格式 183
11.2.2 無地址自增自減模式 183
11.2.3 無“一次讀多個數據”和“一次寫多個數據”指令 183
11.3　RISC-V架構的存儲器相關指令 184
11.3.1 Load和Store指令 184
11.3.2 Fence指令 184
11.3.3 “A”擴展指令 184
11.4　蜂鳥E200處理器存儲器子係統硬件實現 185
11.4.1 存儲器子係統總體設計思路 185
11.4.2 AGU 186
11.4.3 LSU 190
11.4.4 ITCM和DTCM 192
11.4.5 “A”擴展指令處理 195
11.4.6 Fence與Fence.I指令處理 200
11.4.7 BIU 202
11.4.8 ECC 202
11.4.9 小結 202
第 12章 黑盒子的窗口——總綫接口單元BIU 203
12.1　片上總綫協議概述 204
12.1.1 AXI 204
12.1.2 AHB 204
12.1.3 APB 205
12.1.4 TileLink 205
12.1.5 總結比較 205
12.2　自定義總綫協議ICB 206
12.2.1 ICB總綫協議簡介 206
12.2.2 ICB總綫協議信號 207
12.2.3 ICB總綫協議時序 207
12.3　ICB總綫的硬件實現 210
12.3.1 一主多從 210
12.3.2 多主一從 211
12.3.3 多主多從 212
12.4　蜂鳥E200處理器核BIU 212
12.4.1 BIU簡介 212
12.4.2 BIU微架構 213
12.4.3 BIU源碼分析 214
12.5　蜂鳥E200處理器SoC總綫 214
12.5.1 SoC總綫簡介 215
12.5.2 SoC總綫微架構 215
12.5.3 SoC總綫源碼分析 216
12.6　總結 216
第 13章 不得不說的故事——中斷和異常 217
13.1　中斷和異常概述 218
13.1.1 中斷概述 218
13.1.2 異常概述 219
13.1.3 廣義上的異常 219
13.2　RISC-V架構異常處理機製 221
13.2.1 進入異常 221
13.2.2 退齣異常 224
13.2.3 異常服務程序 225
13.3　RISC-V架構中斷定義 226
13.3.1 中斷類型 226
13.3.2 中斷屏蔽 228
13.3.3 中斷等待 229
13.3.4 中斷優先級與仲裁 230
13.3.5 中斷嵌套 230
13.3.6 總結比較 231
13.4　RISC-V架構異常相關CSR寄存器 232
13.5　蜂鳥E200異常處理的硬件實現 232
13.5.1 蜂鳥E200處理器的異常和中斷實現要點 232
13.5.2 蜂鳥E200處理器的異常類型 233
13.5.3 蜂鳥E200處理器對於mepc的處理 234
13.5.4 蜂鳥E200處理器的中斷接口 234
13.5.5 蜂鳥E200處理器CLINT微架構及源碼分析 235
13.5.6 蜂鳥E200處理器PLIC微架構及源碼分析 238
13.5.7 蜂鳥E200處理器交付模塊對中斷和異常的處理 242
13.5.8 小結 245
第 14章 *不起眼的，其實是*難的——調試機製 246
14.1　調試機製概述 247
14.1.1 交互調試概述 247
14.1.2 跟蹤調試概述 249
14.2　RISC-V架構的調試機製 249
14.2.1 調試器軟件的實現 250
14.2.2 調試模式 250
14.2.3 調試指令 251
14.2.4 調試機製CSR 251
14.2.5 調試中斷 251
14.3　蜂鳥E200調試機製的硬件實現 251
14.3.1 蜂鳥E200交互式調試概述 251
14.3.2 DTM模塊 253
14.3.3 硬件調試模塊 253
14.3.4 調試中斷處理 257
14.3.5 調試機製CSR寄存器的實現 258
14.3.6 調試機製指令的實現 258
14.3.7 小結 259
第 15章 動如脫兔，靜若處子——低功耗的訣竅 260
15.1　處理器低功耗技術概述 261
15.1.1 軟件層麵低功耗 261
15.1.2 係統層麵低功耗 261
15.1.3 處理器層麵低功耗 262
15.1.4 單元層麵低功耗 262
15.1.5 寄存器層麵低功耗 263
15.1.6 鎖存器層麵低功耗 264
15.1.7 SRAM層麵低功耗 264
15.1.8 組閤邏輯層麵低功耗 264
15.1.9 工藝層麵低功耗 265
15.2　RISC-V架構的低功耗機製 265
15.3　蜂鳥E200低功耗機製的硬件實現 265
15.3.1 蜂鳥E200係統層麵低功耗 265
15.3.2 蜂鳥E200處理器層麵低功耗 267
15.3.3 蜂鳥E200單元層麵低功耗 269
15.3.4 蜂鳥E200寄存器層麵低功耗 269
15.3.5 蜂鳥E200鎖存器層麵低功耗 272
15.3.6 蜂鳥E200 SRAM層麵低功耗 273
15.3.7 蜂鳥E200組閤邏輯層麵低功耗 274
15.3.8 蜂鳥E200工藝層麵低功耗 275
15.4　總結 275
第 16章 工欲善其事，必先利其器——RISC-V可擴展協處理器 276
16.1　專用領域架構DSA 277
16.2　RISC-V架構的可擴展性 278
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