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。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。

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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
1.3 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
2.2 RISC-V指令集架构简介 33
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

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
3.2 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
5.1 处理器硬件设计概述 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
5.4 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

第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
6.2 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
6.5 蜂鸟E200处理器的流水线 86
6.6 总结 87

第7章 万事开头难吗—— 一切从取指令开始 88
7.1 取指概述 89
7.2 RISC-V架构特点对于取指的简化 97
7.3 蜂鸟E200处理器的取指实现 101
7.4 总结 116

第8章 一鼓作气,执行力是关键——执行 117
8.1 执行概述 118
8.2 RISC-V架构特点对于执行的简化 121
8.3 蜂鸟E200处理器的执行实现 123

第9章 善始者实繁,克终者盖寡——交付 161
9.1 处理器交付、取消、冲刷 162
9.2 RISC-V架构特点对于交付的简化 164
9.3 蜂鸟E200处理器交付硬件实现 164

第 10章 让子弹飞一会儿——写回 170
10.1 处理器的写回 171
10.2 蜂鸟E200处理器的写回硬件实现 171

第 11章 哈弗还是比亚迪——存储器架构 178
11.1 存储器架构概述 179
11.2 RISC-V架构特点对于存储器访问指令的简化 183
11.3 RISC-V架构的存储器相关指令 184
11.4 蜂鸟E200处理器存储器子系统硬件实现 185

第 12章 黑盒子的窗口——总线接口单元BIU 203

12.1 片上总线协议概述 204
12.2 自定义总线协议ICB 206
12.3 ICB总线的硬件实现 210
12.4 蜂鸟E200处理器核BIU 212
12.5 蜂鸟E200处理器SoC总线 214
12.6 总结 216

第 13章 不得不说的故事——中断和异常 217

13.1 中断和异常概述 218
13.2 RISC-V架构异常处理机制 221
13.3 RISC-V架构中断定义 226
13.4 RISC-V架构异常相关CSR寄存器 232
13.5 蜂鸟E200异常处理的硬件实现 232

第 14章 最不起眼的,其实是最难的——调试机制 246

14.1 调试机制概述 247
14.2 RISC-V架构的调试机制 249
14.3 蜂鸟E200调试机制的硬件实现 251

第 15章 动如脱兔,静若处子——低功耗的诀窍 260

15.1 处理器低功耗技术概述 261
15.2 RISC-V架构的低功耗机制 265
15.3 蜂鸟E200低功耗机制的硬件实现 265
15.4 总结 275

第 16章 工欲善其事,必先利其器——RISC-V可扩展协处理器 276

16.1 专用领域架构DSA 277
16.2 RISC-V架构的可扩展性 278
16.3 蜂鸟E200的协处理器接口EAI 279
16.4 蜂鸟E200的协处理器参考示例 286

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

17.1 E200开源项目的代码层次结构 293
17.2 E200开源项目的测试用例 294
17.3 E200开源项目的测试平台(TestBench) 298
17.4 在Verilog TestBench中运行测试用例 299

第 18章 套上壳子上路——实现SoC和FPGA原型 302

18.1 Freedom E310 SoC简介 303
18.2 HBird-E200-SoC简介 304
18.3 HBird-E200-SoC FPGA原型平台 311
18.4 蜂鸟E200专用FPGA开发板 320

第 19章 画龙点睛——运行和调试软件示例 321

19.1 Freedom-E-SDK平台简介 322
19.2 SIRV-E-SDK平台简介 323
19.3 使用SIRV-E-SDK运行示例程序 325
19.4 使用GDB和OpenOCD调试示例程序 328
19.5 Windows图形化IDE开发工具 331

第 20章 是骡子是马?拉出来遛遛——运行跑分程序 332

20.1 跑分程序简介 333
20.2 Dhrystone简介 333
20.3 运行Dhrystone Benchmark 335
20.4 CoreMark简介 337
20.5 运行CoreMark Benchmark 338
20.6 总结与比较 340

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 胡振波
本书是一本介绍RISC-V架构嵌入式开发的入门书籍,以通俗的语言系统介绍了嵌入式开发的基础知识和RISC-V架构的内容,力求帮助读者快速掌握RISC-V架构的嵌入式开发技术。
本书共分为两部分。第一部分为第1~14章,基本涵盖了使用RISC-V架构进行嵌入式开发所需的所有关键知识。第二部分为附录部分,详细介绍了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。 (查看全文)
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作者 胡振波
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。 (查看全文)
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