【现货包邮】手把手教你设计CPU RISC-V处理器篇+芯片验证漫游指南 自己设计制作CPU架构开发 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

图书标签:

• RISC-V
• CPU设计
• 处理器
• 芯片验证
• 数字电路
• 硬件开发
• FPGA
• Verilog
• 计算机体系结构
• 嵌入式系统

店铺： 蓝墨水图书专营店

出版社： 人民邮电

ISBN：9787115480521

商品编码：28105016493

YL19885  9787115480521 9787121339011

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。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。

一部分  CPU与RISC-V综述

目录

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

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

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  推荐使用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  没有分支延迟槽指令 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

7.3.6  ITCM 115

7.3.7  BIU 116

7.4　总结 116

8章  一鼓作气，执行力是关键——执行 117

8.1　执行概述 118

8.1.1  指令译码 118

8.1.2  指令执行 118

8.1.3  流水线的冲突 119

8.1.4  指令的交付 119

8.1.5  指令发射、派遣、执行、写回的顺序 119

8.1.6  分支解析 121

8.1.7  小结 121

8.2　RISC-V架构特点对于执行的简化 121

8.2.1  规整的指令编码格式 122

8.2.2  优雅的16位指令 122

8.2.3  精简的指令个数 122

8.2.4  整数指令都是两操作数 122

8.3　蜂鸟E200处理器的执行实现 123

8.3.1  执行指令列表 123

8.3.2  EXU总体设计思路 123

8.3.3  译码 124

8.3.4  整数通用寄存器组 130

8.3.5  CSR寄存器 133

8.3.6  指令发射派遣 134

8.3.7  流水线冲突、长指令和OITF 139

8.3.8  ALU 145

8.3.9  高性能乘除法 157

8.3.10  浮点单元 158

8.3.11  交付 159

8.3.12  写回 159

8.3.13  协处理器扩展 160

8.3.14  小结 160

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

9.1.1  处理器交付、取消、冲刷简介 162

9.1.2  处理器交付常见实现策略 163

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

9.3.1  分支预测指令的处理 165

9.3.2  中断和异常的处理 168

..............................

芯片验证漫游指南——从系统理论到UVM的验证全视界

内容简介

**验证专家刘斌（路桑）向您全面介绍芯片验证，从验证的理论，到SystemVerilog语言和UVM验证方法学，再到**验证项目话题。这本综合性、实用性的验证理论和编程方面的图书，针对芯片验证领域不同级别的验证工程师，给出由浅入深的技术指南：学习验证理论来认识验证流程和标准，学习SystemVerilog语言和UVM方法学来掌握目前主流的动态验证技术，了解**验证话题在今后遇到相关问题时可以参考。

目录

第1章  芯片验证全视

  1.1  功能验证简介

  1.2  验证的处境

    1.2.1  验证语言的发展

    1.2.2  验证面临的挑战

  1.3  验证能力的5个维度

    1.3.1  完备性

    1.3.2  复用性

    1.3.3  **性

    1.3.4  高产出

    1.3.5  代码性能

  1.4  验证的任务和目标

    1.4.1  按时保质低耗

    1.4.2  芯片研发与客户反馈

    1.4.3  缺陷增长曲线

  1.5  验证的周期

    1.5.1  验证周期中的检查点

    1.5.2  功能详述

    1.5.3  制定验证计划

    1.5.4  开发验证环境

    1.5.5  调试环境和HDL文件

    1.5.6  回归测试

    1.5.7  芯片生产

    1.5.8  硅后系统测试

    1.5.9  逃逸分析

  1.6  本章结束语

........................

《CPU架构设计与验证实践：从理论到实战》 一、 深度解析CPU核心设计理念与实现路径 本书旨在为读者构建一个全面而深入的CPU架构设计知识体系，从最基础的指令集架构（ISA）概念出发，逐步引领读者探索现代高性能CPU的奥秘。我们将不拘泥于单一的指令集标准，而是通过对不同指令集的设计哲学、演进历程以及各自优劣的对比分析，帮助读者建立起广阔的CPU设计视野。 首先，我们将详细剖析指令集架构（ISA）的设计关键，包括指令编码、寻址模式、寄存器文件设计、内存模型以及中断和异常处理机制。这部分内容将采用图文并茂的方式，结合经典的RISC（精简指令集计算）和CISC（复杂指令集计算）架构的代表性设计，深入浅出地讲解它们的设计思想和实际应用。例如，我们会详细解析RISC-V指令集的设计原理，分析其简洁性、模块化以及可扩展性为何能够使其在当下嵌入式系统、高性能计算等领域大放异彩。同时，也会回顾x86等CISC架构的设计演进，理解其历史包袱与兼容性需求如何影响其设计选择。 在掌握了ISA的设计基础后，我们将进入CPU的微架构设计阶段。微架构是ISA的具体实现，它决定了CPU的性能、功耗和面积。本书将聚焦于现代CPU设计的核心技术，包括： 流水线技术 (Pipelining)： 深入讲解静态流水线、动态流水线（超标量、乱序执行）的设计原理、实现方法以及性能提升的根本原因。我们将通过详细的图示和时序分析，让读者理解指令在流水线中的流动过程，以及如何解决流水线冲突（结构冲突、数据冲突、控制冲突）带来的挑战。 缓存系统 (Cache Memory)： 详细介绍一级、二级、三级缓存的设计，包括缓存映射方式（直接映射、组相联、全相联）、写策略（写回、写通）、替换算法（LRU、FIFO）等。我们将分析缓存的性能瓶颈，并探讨提高缓存命中率的各种技术，如预取技术、多核缓存一致性协议（MESI、MOESI等）。 分支预测 (Branch Prediction)： 探讨分支预测器在现代CPU中的重要性，以及各种预测算法（静态预测、动态预测、两级自适应预测、神经网络预测）的设计思想和实现细节。我们将分析分支预测失配带来的惩罚，并介绍如何通过更精确的分支预测来提高流水线效率。 内存管理单元 (MMU)： 讲解虚拟内存、页表、TLB（Translation Lookaside Buffer）等关键概念，以及MMU如何支持操作系统进行内存管理、地址翻译和访问控制。 指令调度与执行单元： 深入分析指令调度器（调度器、重排序缓冲区）和各种执行单元（ALU、FPU、Loads/Stores单元）的设计，理解它们如何协同工作，实现指令的高效执行。 二、 严谨的芯片验证方法论与前沿实践 芯片验证是确保CPU设计的正确性和可靠性的关键环节，其复杂度和重要性与设计本身不相上下。本书将提供一套系统而严谨的芯片验证方法论，涵盖验证的各个阶段和核心技术，帮助读者掌握如何构建高效、可维护的验证环境。 我们将从验证的总体规划和策略开始，强调“从需求到验证”的完整流程。内容将包括： 验证规划与策略： 如何根据设计需求制定详细的验证计划，定义验证目标、验证覆盖率指标，以及选择合适的验证方法和工具。 验证语言与方法学： 重点介绍SystemVerilog作为现代硬件验证的事实标准，讲解其语法特性，包括接口（interface）、约束随机（constrained-random）、断言（assertions）、覆盖率模型（coverage models）等。我们将深入探讨OVM（Open Verification Methodology）和UVM（Universal Verification Methodology）等主流验证方法学，通过实例展示如何构建可重用、可扩展的验证IP（VIP）和验证平台。 激励生成与测试用例设计： 讲解如何设计覆盖各种功能场景和边界条件的测试用例。我们将重点介绍约束随机测试的生成机制，如何利用随机约束和覆盖率驱动来发现潜在的设计缺陷。 功能覆盖率与性能覆盖率： 详细介绍功能覆盖率的概念和度量方法，如状态覆盖、转换覆盖、表达式覆盖等。同时，也会探讨性能覆盖率的度量，例如关键路径的测试。 断言与形式验证： 讲解如何使用SystemVerilog Assertions (SVA) 来描述设计的时序属性和安全属性，以及如何利用断言进行运行时检查。我们将简要介绍形式验证的基本概念和常用工具，以及其在特定场景下的应用价值。 故障注入与可靠性验证： 探讨如何通过故障注入等技术来评估CPU的可靠性，检测其对瞬时故障和永久性故障的鲁棒性。 仿真与波形分析： 介绍各种仿真器（如VCS, NCSim, QuestaSim）的基本使用方法，以及如何有效地进行波形分析来调试和定位问题。 硬件加速验证： 探讨FPGA原型验证和Prototyping等技术，以及它们如何加速验证过程，尤其是在验证大型复杂系统时。 三、 软硬件协同设计与发展趋势 本书不仅关注CPU核心的设计与验证，还将拓展到软硬件协同设计的层面，以及CPU架构未来的发展趋势。 软件开发环境与工具链： 讲解如何为设计的CPU构建一套完整的软件开发环境，包括汇编器、编译器、调试器和仿真器。我们将探讨GCC、LLVM等开源工具链的定制化集成。 嵌入式系统与SoC集成： 介绍CPU如何集成到更复杂的片上系统（SoC）中，与其他IP核（如内存控制器、外设接口、DSP等）协同工作。 低功耗设计与能效优化： 探讨在CPU设计中实现低功耗的各种策略，如时钟门控、电源门控、动态电压频率调整（DVFS）等。 并行计算与异构计算： 分析多核处理器、SIMD（Single Instruction, Multiple Data）以及GPU等并行计算架构的设计原理，以及CPU在异构计算中的角色。 面向未来的CPU架构： 展望下一代CPU技术，包括神经形态计算、存内计算、量子计算等前沿方向，以及它们可能对CPU设计带来的颠覆性影响。 目标读者： 本书适合计算机科学、电子工程、微电子等专业的本科生、研究生，以及从事集成电路设计、FPGA开发、嵌入式系统开发的工程师。无论您是希望系统学习CPU设计基础的初学者，还是寻求提升芯片验证技能的资深从业者，都能从中获得宝贵的知识和实践经验。 阅读价值： 通过本书的学习，读者将能够： 深刻理解CPU核心的工作原理和设计挑战。 掌握现代CPU微架构设计的关键技术。 建立一套系统、严谨的芯片验证方法论。 熟练运用先进的验证语言和工具。 为自主设计和开发高性能、低功耗的CPU奠定坚实的基础。 把握CPU技术发展的最新动态和未来趋势。 本书将理论讲解与工程实践紧密结合，通过大量的案例分析和图示，力求让读者不仅知其然，更知其所以然，最终能够独立思考并解决CPU设计与验证中的复杂问题，成为一名优秀的CPU架构师或验证工程师。

评分☆☆☆☆☆

我一直梦想着能够亲手设计一个属于自己的CPU，但苦于找不到合适的入门书籍。《【现货包邮】手把手教你设计CPU RISC-V处理器篇+芯片验证漫游指南 自己设计制作CPU架构开发》这个书名，简直就是为我量身定做的。特别是“手把手教你设计”和“自己设计制作CPU架构开发”这样的表述，让我感觉这本书会非常接地气，不会是那种高高在上的理论讲解，而是能够真正带领我一步步去实践。RISC-V这个词也让我眼前一亮，它代表着开放和未来，学习它比学习那些闭源的架构更有意义，也更容易获得成就感。我一直认为，学习CPU设计，光看书是远远不够的，必须要有实际的动手操作，所以“自己设计制作”这一点对我来说是最大的吸引力。我希望这本书能够提供清晰的设计思路，并且有详细的硬件描述语言（HDL）代码示例，让我能够直接跟着做。更让我惊喜的是，书中还包含了“芯片验证漫游指南”，这说明它不仅仅关注设计，还强调了验证的重要性。我深知，一个设计得再好的CPU，如果没有经过严格的验证，也很难真正投入使用。所以，我非常期待这本书能在验证方法、测试环境搭建等方面给我提供有益的指导，让我能够全面地掌握CPU设计和验证的整个流程，最终能够实现自己的CPU设计梦想。

评分☆☆☆☆☆

从我个人学习技术的经验来看，选择一本能够深入浅出、理论与实践并重的书籍至关重要。这本书的书名《现货包邮】手把手教你设计CPU RISC-V处理器篇+芯片验证漫游指南 自己设计制作CPU架构开发》恰恰符合了我的期望。我一直认为，理解CPU的精髓，必须从其最核心的设计原理入手，而不是仅仅停留在软件层面的应用。RISC-V作为一个开源指令集，为我提供了一个绝佳的学习平台，让我能够摆脱商业授权的束缚，更自由地探索CPU的设计细节。更重要的是，标题中“手把手教你设计”和“自己设计制作CPU架构开发”的表述，预示着这本书会提供一种循序渐进的学习路径，而不是简单罗列概念。我期待书中能够包含实际的硬件描述语言（HDL）代码示例，并对每个设计模块进行详细的讲解。此外，“芯片验证漫游指南”也让我看到了这本书的深度。在我看来，一个设计是否优秀，很大程度上取决于其验证的完备性。这本书如果能提供有效的验证方法和工具使用指导，那将是极大的加分项。总而言之，我对这本书寄予厚望，希望能它能够为我打开CPU设计和验证的大门，让我能够真正掌握这项硬核技术。

评分☆☆☆☆☆

这本书真是让我眼前一亮！我一直对计算机底层运作原理充满好奇，特别是CPU是如何工作的。虽然市面上有很多介绍CPU的书籍，但要么过于理论化，要么停留在概念层面，让我觉得难以入手。这本《现货包邮】手把手教你设计CPU RISC-V处理器篇+芯片验证漫游指南 自己设计制作CPU架构开发》则完全不同，它从“手把手教你设计”这个标题就抓住了我的痛点。我一直认为，学习技术最好的方式就是动手实践，而这本书似乎正是为此而生。标题中提到的“RISC-V处理器篇”让我看到了学习现代、开放指令集架构的希望，这比学习那些封闭的、商业化的架构更容易让我获得成就感。同时，“芯片验证漫游指南”这个副标题也让我对这本书的实用性有了更高的期待。我一直觉得，设计出CPU只是第一步，如何确保它正确高效地工作同样重要，而验证正是关键所在。这本书能同时涵盖设计和验证，让我觉得物超所值。我迫不及待地想翻开这本书，看看作者是如何一步一步地引导我构建属于自己的CPU，并学习如何对其进行 rigorous 的测试。我希望这本书能提供清晰的步骤、丰富的图示以及易于理解的代码示例，让我这个初学者也能跟得上。

评分☆☆☆☆☆

我是一个对计算机底层技术充满热情但又缺乏实践经验的初学者。《【现货包邮】手把手教你设计CPU RISC-V处理器篇+芯片验证漫游指南 自己设计制作CPU架构开发》这个书名，如同黑暗中的灯塔，瞬间吸引了我。它直接点出了“设计CPU”的核心目标，并且强调了“手把手教你”的学习方式，这对于像我这样的新手来说，简直是福音。过去我尝试阅读过一些计算机体系结构的经典书籍，但往往因为理论过于抽象而难以消化，最终不了了之。而这本书的“自己设计制作CPU架构开发”的表述，则预示着它会提供一条通往实践的路径，让我能够真正地“玩转”CPU设计。RISC-V的加入，更是让我看到了学习的潜力，一个开放、可定制的指令集，意味着我可以更深入地理解CPU的工作原理，甚至去尝试修改和优化。我特别期待这本书能够提供丰富的代码示例，最好是用Verilog或VHDL等硬件描述语言编写的，并且配有详细的注释和解释，这样我才能更好地理解代码的逻辑，并尝试复现。而“芯片验证漫游指南”这个副标题，则让我看到了这本书的全面性和前瞻性。我明白，一个成功的CPU设计离不开严格的验证，所以我希望这本书能够教会我如何搭建验证环境，如何编写测试用例，以及如何分析验证结果，让我能够从设计到验证都拥有扎实的功底，从而真正地做出自己的CPU。

评分☆☆☆☆☆

作为一个对计算机体系结构有着浓厚兴趣的学习者，我一直在寻找一本能够真正将理论知识转化为实践能力的图书。《【现货包邮】手把手教你设计CPU RISC-V处理器篇+芯片验证漫游指南 自己设计制作CPU架构开发》这个书名，立刻吸引了我的注意力。它明确地指向了“设计CPU”这个我一直以来都渴望深入探索的领域，并且聚焦于RISC-V，一个在当前备受瞩目的开源指令集架构。这让我感到非常兴奋，因为学习RISC-V不仅能帮助我理解现代CPU的设计理念，还能让我接触到前沿的技术发展。而“手把手教你设计”和“自己设计制作CPU架构开发”这些词语，则给我一种强烈的信心，认为这本书不是那种晦涩难懂、只讲理论的教材，而是真正注重实践，能够引导读者一步步完成CPU设计过程的书籍。我特别期待书中能够包含大量的图示、流程图以及实际的代码案例，能够清晰地展示CPU的各个组成部分是如何协同工作的。同时，“芯片验证漫游指南”这个副标题，也让我看到了这本书的全面性。我认为，设计一个CPU仅仅是成功的一半，对其进行有效的验证，确保其功能的正确性和性能的优化，同样至关重要。我希望这本书能够提供关于验证策略、测试平台搭建以及常用验证工具使用的详细介绍，让我能够真正掌握从设计到验证的完整流程。