手把手教你设计CPU—RISC-V处理器篇+自己设计制作CPU与单片机 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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店铺： 荣丰通达图书专营店

出版社： 人民邮电

ISBN：9787115480521

商品编码：28103522508

基本信息

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。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。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。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。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。

图书目录

一部分  CPU与RISC-V综述

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　*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*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

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  *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

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

4章  开源RISC-V——蜂鸟E200系列低功耗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

二部分  手把手教你使用Verilog设计CPU

 

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

5.1.1  架构和微架构 66

5.1.2  CPU、处理器、Core和处理器核 66

5.1.3  处理器设计和验证的特点 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

5.3.1  使用标准DFF模块例化生成寄存器 68

5.3.2  使用assign语法替代if-else和case语法 70

5.3.3  其他若干注意事项 71

5.3.4  小结 72

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

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

6.1.1  从经典的五级流水线说起 79

6.1.2  可否不要流水线——流水线和状态机的关系 81

6.1.3  深处种菱浅种稻，不深不浅种荷花——流水线的深度 81

6.1.4  向上生长——越来越深的流水线 82

6.1.5  向下生长——越来越浅的流水线 83

6.1.6  总结 83

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

6.4.1  流水线中的资源冲突 84

6.4.2  流水线中的数据冲突 85

6.5　蜂鸟E200处理器的流水线 86

6.5.1  流水线总体结构 86

6.5.2  流水线中的冲突 87

6.6　总结 87

7章  万事开头难吗—— *切从取指令开始 88

7.1　取指概述 89

7.1.1  取指特点 89

7.1.2  如何快速取指 90

7.1.3  如何处理非对齐指令 91

7.1.4  如何处理分支指令 92

7.2　RISC-V架构特点对于取指的简化 97

7.2.1  规整的指令编码格式 97

7.2.2  指令长度指示码放于低位 97

7.2.3  简单的分支跳转指令 98

7.2.4  没有分支槽指令 100

7.2.5  提供明确的静态分支预测依据 100

7.2.6  提供明确的RAS依据 101

7.3　蜂鸟E200处理器的取指实现 101

7.3.1  IFU总体设计思路 102

7.3.2  Mini-Decode 103

7.3.3  Simple-BPU分支预测 105

7.3.4  PC生成 109

7.3.5  访问ITCM和BIU 111

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自己设计制作CPU与单片机

内容简介

《自己设计制作CPU与单片机》是一本为有志于计算机CPU设计的人员所写的书，不论你是狂热的友，还是精明的计算机工作者。
　　《自己设计制作CPU与单片机》以作者几十年学习设计制作CPU与通用单片机的经历，来告诉你如何从无到有地设计属于你自己的CPU和可以运行用户程序的单片机。书中以作者的十几个CPU设计工程为主线，展示了精简指令RISC和复杂指令CISC计算机CPU的设计方法。既有硬件编程，又有原理图设计，适合软硬件人员学习计算机核心技术之用。
　　《自己设计制作CPU与单片机通过实例告诉读者，如何创造性地进行计算机产品CPU的立意和设计，介绍了人机交互和操作内核的设计方法。这是一本对要全面掌握计算机技术的人员而言必读的CPU设计制作之书。

图书目录

前 言

上篇　CPU设计制作入门

第１章　自己就能设计制造CPU

1.1　自己设计制作CPU有啥意义

1.2　我设计制作CPU的经历　

1.3　电子电路设计制作的新变化

1.4　自己设计CPU的条件

1.5　创新CPU设计的意义

第2章　进入硬件设计的天地

2.1　搭建自己的制造工厂

2.2　设计制造CPU需要热身

2.3　硬件设计语言Verilog HDL

2.4　Verilog HDL语句和模块

2.5　Verilog HDL其他常用语句

第3章　自己创造CPU的方法

3.1　深刻理解CPU的结构

3.2　自创CPU的一般步骤

3.3　如何设计自己的指令

3.4　指令分析的一般性总结　

3.5　让CPU运行程序　

第4章　一个简单CPU的设计

4.1　创建一个CPU设计工程

4.2　剖析这个CPU设计程序

4.3　CPU行为的描述方法

4.4　如何让CPU运行软件程序　

4.5　CPU设计工程小结

第5章　自制通用CPU与单片机

5.1　实体结构与器件应用

5.2　通用CPU指令设计

5.3　用汇编程序检验CPU设计

5.4　外设与CPU接口设计

5.5　设备驱动程序设计　

5.6　时钟设计　

5.7　开发板连接程序设计

5.8　FPGA引脚连接

5.9　操作内核设计　

5.10　烧制CPU制作单片机

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探索计算机核心的奥秘：从原理到实践的硬件设计之旅 本书是一本旨在带领读者深入理解计算机硬件核心——中央处理器（CPU）设计原理并提供实践指导的著作。它并非直接介绍某一本特定的CPU设计书籍，而是从更广泛、更基础的视角出发，系统性地阐述CPU的设计流程、核心概念以及实现方法，并辅以微控制器（MCU）的设计与制作，为读者构建一个全面而扎实的硬件设计知识体系。 第一部分：CPU设计基础——揭示指令的执行之路 在计算机的世界里，CPU是当之无愧的大脑。它负责解释并执行指令，驱动着我们日常使用的所有电子设备。本书的第一部分将带领读者一步步揭开CPU神秘的面纱，从最基础的逻辑门电路开始，逐步构建起复杂的数字系统。 数字逻辑与计算机组成原理的基石： 任何复杂的电子系统都建立在最基本的逻辑门（AND, OR, NOT, XOR等）之上。我们将从这些基本门电路的功能和组合出发，学习如何用它们来构建更复杂的逻辑单元，例如加法器、减法器、多路选择器、译码器等。这些是构成CPU内部各个功能模块的“砖瓦”。接着，我们将深入到计算机组成原理的核心，理解二进制、逻辑运算、数制转换等概念。掌握这些，才能真正理解CPU如何处理数据。 指令集架构（ISA）的奥秘： CPU能够执行的指令集合，即指令集架构，是CPU与软件之间的桥梁。我们将详细介绍几种经典的指令集架构，例如复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）的理念差异。我们将重点剖析RISC的优势，例如指令格式规整、流水线易于实现等。书中会详细讲解指令的编码格式、寻址方式、数据类型以及各种基本指令（如加载/存储指令、算术逻辑指令、分支跳转指令）的功能和作用，帮助读者理解CPU如何“理解”并执行软件发出的命令。 CPU的内部结构与核心组件： CPU的内部并非浑然一体，而是由多个协同工作的核心组件构成。我们将详细解析这些组件的功能： 控制器（Control Unit）： 作为CPU的“指挥官”，它负责根据指令译码，生成控制信号，指挥数据通路中的各个部件按照预定的时序进行操作。我们将学习不同的控制器设计方法，例如硬连线控制器和微程序控制器，以及它们的优缺点。 运算器（Arithmetic Logic Unit, ALU）： 这是CPU执行算术和逻辑运算的核心。我们将深入理解ALU如何实现加、减、乘、除以及逻辑与、或、非、异或等基本运算，并探讨如何设计一个功能齐全且高效的ALU。 寄存器堆（Register File）： 寄存器是CPU内部速度最快的存储单元，用于临时存放数据和指令地址。我们将学习寄存器堆的结构，包括寄存器的数量、宽度以及读写操作的时序。 程序计数器（Program Counter, PC）： PC指向下一条将要执行的指令在内存中的地址。我们将研究PC的更新机制，包括顺序执行、分支跳转和子程序调用时的PC值变化。 指令存储器（Instruction Memory）与数据存储器（Data Memory）： 虽然CPU本身不直接包含大规模的存储，但它需要与指令和数据存储器进行交互。我们将探讨CPU如何通过总线接口（Bus Interface）来访问外部存储器。 流水线技术：提升CPU性能的关键： 为了提高CPU的执行效率，流水线技术被广泛应用。我们将详细讲解指令流水线的概念，例如取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、访存（MEM）、写回（WB）五个阶段。我们会深入分析流水线带来的吞吐量提升，以及可能出现的冒险（Hazard）问题，包括结构冒险、数据冒险和控制冒险。学习如何通过转发（Forwarding）和流水线停顿（Stalling）等技术来解决这些冒险，是理解高性能CPU设计的关键。 内存管理与缓存体系： 现代CPU与内存的交互是一个复杂的过程。我们将探讨内存管理单元（MMU）的作用，以及其如何实现虚拟地址到物理地址的转换，为多任务操作系统提供支持。同时，我们将深入讲解缓存（Cache）的工作原理，包括不同级别的缓存（L1, L2, L3）的作用、缓存一致性协议（如MESI）以及缓存替换策略（如LRU），理解缓存如何显著缩短CPU访问数据的延迟。 中断与异常处理： 计算机系统中不可避免地会发生中断（来自外部设备）和异常（程序执行错误）。我们将研究CPU如何响应这些事件，保存现场，跳转到相应的处理程序，以及事件结束后如何恢复程序执行，确保系统的稳定性和可靠性。 第二部分：CPU设计实践——从理论到硬件实现 仅仅理解理论是不足以成为一名合格的硬件设计师的。本书的第二部分将带领读者将理论付诸实践，通过实际的设计流程和工具，构建自己的CPU。 硬件描述语言（HDL）的应用： 现代数字电路设计离不开硬件描述语言（HDL），最常用的包括Verilog和VHDL。我们将选择其中一种（例如Verilog）进行详细讲解，学习其语法、基本结构以及如何用HDL来描述逻辑门、组合逻辑和时序逻辑电路。我们将学习如何使用HDL来描述CPU的各个模块，如ALU、控制器、寄存器堆等。 CPU架构的设计： 基于前面学到的指令集架构知识，我们将着手设计一个简单的CPU架构。这包括选择一个合适的指令集（例如一个简化的RISC指令集），定义指令格式，设计寄存器数量和宽度，以及确定CPU的流水线深度。我们将从一个单周期CPU开始，理解其工作流程，然后逐步演进到多周期CPU，最后实现一个具备流水线的CPU。 RTL（Register-Transfer Level）设计与仿真： 使用HDL编写的CPU描述代码被称为RTL代码。我们将学习如何将CPU的各个模块用RTL代码实现，并通过仿真来验证设计的正确性。我们将介绍常用的仿真工具（如Modelsim, Verilator），学习如何编写测试激励（Testbench）来全面地测试CPU的各项功能，包括指令执行、数据处理、分支跳转、中断响应等。 逻辑综合与时序分析： RTL代码只是对硬件功能的描述，需要通过逻辑综合工具将其转化为门级网表（Netlist），才能被FPGA或ASIC器件所理解。我们将介绍逻辑综合的基本原理，以及如何配置综合工具以优化设计性能和面积。同时，我们将学习时序分析的概念，理解建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）的重要性，并通过时序分析工具来确保设计的时序满足要求。 FPGA实现与硬件验证： 学习将设计的CPU加载到FPGA（现场可编程门阵列）上进行实际运行，是验证设计能否在真实硬件上工作的关键一步。我们将介绍FPGA的开发流程，包括综合、布局布线（Place and Route）等步骤。通过将自己设计的CPU部署到FPGA板上，并运行简单的测试程序，读者可以直观地感受到自己设计的CPU是如何工作的，并发现和解决在仿真阶段可能未发现的硬件问题。 CPU性能优化进阶： 在完成基本的CPU设计后，我们将探讨更高级的性能优化技术。这可能包括乱序执行（Out-of-Order Execution）、分支预测（Branch Prediction）、超标量（Superscalar）技术等。这些技术将使CPU能够更高效地利用资源，进一步提升指令执行的速度。 第三部分：微控制器（MCU）的设计与制作——从CPU到嵌入式系统 CPU是计算机的核心，而微控制器（MCU）是将CPU与各种外围设备集成在一起，形成一个完整的嵌入式系统。本书的第三部分将带领读者从CPU设计延伸到MCU的设计与制作。 MCU的构成与外围接口： MCU通常包含一个CPU核心、存储器（Flash和RAM）、以及各种通信接口（如UART、SPI、I2C）、定时器、ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）等。我们将详细介绍这些外围接口的功能和工作原理，以及它们如何与CPU核心协同工作。 选择与集成外围模块： 在设计MCU时，需要根据应用需求选择合适的外围模块。我们将学习如何选择合适的IP核（Intellectual Property core），并将它们集成到MCU的设计中。例如，如果需要与传感器通信，则会集成SPI或I2C接口；如果需要进行精确计时，则会集成定时器模块。 简单MCU的HDL设计： 我们将尝试使用HDL语言设计一个简单的MCU，包含一个基础的CPU核心和一些基本的外围接口。这可以是一个基于前面CPU设计知识的衍生项目，例如在一个CPU核的基础上添加简单的UART接口和定时器。 MCU的仿真与验证： 和CPU设计类似，我们将使用仿真工具对设计的MCU进行全面的功能验证，确保CPU核心与各个外围接口能够正确地协同工作，实现预期的功能。 在FPGA上搭建MCU系统： 将设计的MCU部署到FPGA开发板上，并编写简单的嵌入式程序（例如一个LED闪烁的程序，或者一个通过UART发送数据的程序）来验证MCU的功能。这将让读者体验到一个完整的嵌入式系统是如何搭建和工作的。 嵌入式系统开发的初步认识： 了解如何为自己设计的MCU编写固件（Firmware），如何进行调试，以及如何与其他硬件模块进行接口。虽然本书侧重于硬件设计，但也会提供一些嵌入式软件开发的初步指导，帮助读者将硬件与软件联系起来。 本书的目标读者： 本书适合以下人群： 对计算机底层原理充满好奇，希望深入了解CPU如何工作的爱好者。 计算机科学、电子工程等相关专业的学生，希望通过实践加深理论学习。 有一定编程基础，希望转向硬件设计或嵌入式系统开发的工程师。 希望自己动手设计和制作简单CPU或微控制器，体验硬件创造乐趣的创客。 学习本书的收获： 通过阅读本书，您将能够： 深刻理解CPU的设计原理，包括指令集、微架构、流水线等核心概念。 掌握使用硬件描述语言（HDL）进行数字逻辑电路设计的方法。 具备独立设计和仿真一个简单CPU的能力。 了解FPGA在数字电路设计中的应用，并能够将自己的设计部署到FPGA上。 理解微控制器（MCU）的构成，并能够设计一个简单的MCU。 为进一步深入研究更复杂的CPU架构或嵌入式系统设计打下坚实的基础。 本书旨在提供一条清晰的学习路径，将抽象的理论知识转化为可实践的技能。通过理论学习与动手实践的紧密结合，您将能够真正掌握CPU设计的精髓，开启属于自己的硬件设计之旅。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深度和广度令人印象深刻，它没有满足于仅仅停留在高层次的理论介绍上，而是深入到了每一个关键模块的底层实现细节。例如，在谈到缓存一致性协议时，作者并未回避那些复杂的并发控制问题，反而通过精妙的案例分析，将MESI等协议的运作机制梳理得井井有条。这种对细节的把控，使得这本书的价值远远超出了入门指南的范畴，完全可以作为一本进阶参考手册来使用。我特别欣赏作者在描述复杂逻辑时所展现出的那种严谨性，每一个设计决策背后都有充分的考量和权衡，这种“为什么这么做”的深度思考，恰恰是区分优秀工程师和普通操作员的关键所在。对于那些已经掌握了基础数字电路知识，渴望真正理解现代处理器内部运作机制的读者来说，这本书无疑是一座宝藏，它提供了从抽象规范到具体硬件实现的完整路径图。

评分☆☆☆☆☆

从作者对技术选型的态度中，我感受到了极大的真诚。他没有盲目追逐最新的技术热点，而是选择了最经典、最能体现核心原理的结构进行深入剖析。这种“回归本质”的教学思路，确保了读者学到的知识具有极强的生命力和普适性。书中对一些经典的设计陷阱和常见的性能瓶颈的分析尤其到位，这些经验之谈，往往是教科书里找不到的“软知识”。比如，关于分支预测单元的设计权衡，作者展示了不同复杂度的预测器在性能提升和硬件开销之间的微妙平衡点。这种基于真实工程考量的讨论，让这本书的参考价值大大提升，它不仅仅是教会你如何设计一个能工作的CPU，更是在教你如何设计一个高效、合理的处理器，这对于任何想要进入芯片设计领域的专业人士来说，都是一份极其宝贵的财富。

评分☆☆☆☆☆

阅读体验上，我必须给这本书点个大大的赞。它不像一本教科书，更像是一场精心策划的动手实践之旅。作者在关键节点设置了大量的“思考题”和“动手实践建议”，鼓励读者不要被动接受信息，而是主动去验证和构建。我按照书中的步骤，结合自己的工具链，真的动手搭建了一个简化的指令集模拟器，那种看着自己设计的逻辑流准确无误地完成复杂运算的成就感，是单纯看理论文章无法比拟的。这种强烈的实践导向性，使得学习过程充满了乐趣和即时反馈。而且，书中的示例代码和仿真脚本都非常规范且易于调试，极大地减少了初学者在配置环境和排查错误上浪费的时间。这本书真正做到了理论与实践的完美结合，把学习CPU设计从“看懂”提升到了“做到”的层面。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和装帧简直是为初学者量身定做的，插图清晰直观，每一个电路图和时序图都标注得非常详细，让人一眼就能看懂复杂的逻辑关系。作者的写作风格非常平易近人，不像有些技术书籍那样干巴巴的理论堆砌，而是像一个经验丰富的老教授在给你娓娓道来，每一步骤都带着“为什么”和“这样做的好处”。特别是关于流水线设计的章节，通过大量的图示和伪代码，把原本抽象的概念变得触手可及。我一个非科班出身的朋友，之前对CPU的理解仅限于“中央处理单元”这个名词，但在读了这本书的前半部分后，竟然能自信地向我描述取指、译码、执行这几个核心阶段的工作原理。这种从零开始，步步为营的教学方式，极大地降低了学习门槛，让“设计CPU”这个曾经遥不可及的梦想，变得似乎就在眼前触手可及。它不仅仅是在教你知识点，更是在培养你系统性的工程思维。

评分☆☆☆☆☆

这本书在处理不同抽象层次之间的转换方面，展现出了高超的驾驭能力。它能够流畅地在硬件描述语言（HDL）的细节、微架构的组织方式，乃至指令集架构（ISA）的语义层面之间进行无缝切换。比如，它不会孤立地讨论寄存器堆的读写端口，而是会将其置于整个取指-执行周期的上下文中，解释为什么需要特定的端口数量和仲裁机制。这种宏观与微观相结合的视角，帮助读者建立起一个完整、立体的处理器认知模型，避免了只见树木不见森林的弊端。对于渴望理解整个系统协同工作的工程师来说，这本书提供了一个极其清晰的框架，让你明白每一个小组件是如何为了最终的计算目标而服务的，这种全局观的培养，是任何单一模块教程所无法比拟的优势。