CPU制作入门 基于RISC-V和Chisel (日)西山悠太朗,(日)井田健太 著 蒋萌 译 专业科技 文轩网

第Ⅰ部分 CPU制作的基础知识
第1章什么是CPU 2
1.1 电路能够描述逻辑的理由 3
1.1.1 转换为数字信号 3
1.1.2 描述逻辑运算的电路 4
1.1.3 可以描述任何真值表的基本逻辑电路 7
1.2 为何能用基本逻辑电路实现CPU 9
1.2.1 时序逻辑电路：锁存器 10
1.2.2 有限状态机 11
1.2.3 通过时钟信号同步 13
1.3 CPU的制造流程 17
第2章计算机架构 19
2.1 存储器 20
2.1.1 寄存器 21
2.1.2 主存 21
2.2 计算机的基本处理流程 22
2.2.1 取指令（IF） 23
2.2.2 指令译码（ID） 23
2.2.3 运算（EX）27
2.2.4 访存（MEM） 27
2.2.5 回写 27
第3章 Chisel基础 30
3.1 什么是Chisel 31
3.2 什么是面向对象 32
3.2.1 类和实例 32
3.2.2 继承 33
3.3 Scala的基本语法 34
3.3.1 变量var和val 35
3.3.2 方法：def() 35
3.3.3 集合：Seq 35
3.3.4 for表达式 36
3.3.5 对象 37
3.3.6 命名空间 40
3.4 Chisel的基本语法 42
3.4.1 位值的基本类型 42
3.4.2 运算符 44
3.4.3 Module类 47
3.4.4 IO对象 48
3.4.5 Flipped对象 49
3.4.6 信号连接 50
3.4.7 组合逻辑电路：Wire/WireDefault 51
3.4.8 时序逻辑电路：RegInit 51
3.4.9 用Mem定义寄存器文件 52
3.4.10 控制电路 52
3.4.11 位操作 56
3.4.12 用printf调试 57
第Ⅱ部分简单的CPU实现
第4章环境架构 60
4.1 下载chisel-template 60
4.2 用Docker架构运行环境 61
4.2.1 安装Docker 61
4.2.2 创建Dockerfile 61
4.2.3 创建镜像 62
4.2.4 创建容器 63
4.3 指令位列和常量文件 63
4.3.1 Instructions.scala 64
4.3.2 Consts.scala 66
4.4 第Ⅱ部分要实现的指令和Chisel完整代码 69
第5章取指令的实现 76
5.1 Chisel代码概要 76
5.2 Chisel的实现 77
第6章用ChiselTest进行取指令测试 80
6.1 ChiselTest的实现 80
6.2 测试流程 81
6.3 创建Chisel测试代码 81
6.3.1 特征：trait 82
6.3.2 peek() 方法 83
6.3.3 clock.step() 方法 83
6.4 创建存储器用HEX文件 83
6.5 用printf输出调试信号 85
6.6 运行测试 85
6.7 Docker容器的commit 86
第7章指令译码器的实现 87
7.1 Chisel的实现 87
7.1.1 寄存器编号的译码 87
7.1.2 寄存器数据的读取 87
7.1.3 调试信号的输出 88
7.2 运行测试 88
第8章 LW指令的实现 90
8.1 RISC-V的LW指令定义 90
8.2 Chisel的实现 91
8.2.1 指令位模式的定义 92
8.2.2 CPU和存储器之间的端口定义 93
8.2.3 CPU内部的处理实现 94
8.2.4 存储器的数据读取实现 95
8.3 运行测试 96
8.3.1 创建指令文件lw.hex96
8.3.2 存储器加载文件名的修改 97
8.3.3 测试结束条件的修改 97
8.3.4 添加调试信号 97
8.3.5 运行测试 98
第9章 SW指令的实现 99
9.1 RISC-V的SW指令定义 99
9.2 Chisel的实现 100
9.2.1 指令位模式的定义 101
9.2.2 CPU和存储器间的端口定义 101
9.2.3 CPU内部的处理实现 101
9.2.4 存储器的数据写入实现 102
9.3 运行测试 102
9.3.1 创建指令文件sw.hex 102
9.3.2 存储器加载文件名的修改 104
9.3.3 测试结束条件的修改 104
9.3.4 添加调试信号 104
9.3.5 运行测试 104
第10章加减法指令的实现 106
10.1 RISC-V的加减法指令定义 106
10.2 Chisel的实现 107
10.2.1 指令位模式的定义 107
10.2.2 加减法结果的连接（EX阶段） 107
10.2.3 加减法结果的寄存器回写（WB阶段） 108
第11章逻辑运算的实现 109
11.1 RISC-V的逻辑运算指令定义 109
11.2 Chisel的实现 110
11.2.1 指令位模式的定义 110
11.2.2 逻辑运算结果的连接（EX阶段） 111
11.2.3 逻辑运算结果的寄存器回写（WB阶段） 111
第12章译码器的强化 112
12.1 ALU译码 112
12.1.1 译码器的强化（ID阶段） 112
12.1.2 利用译码信号简化ALU（EX阶段） 113
12.2 MEM译码 114
12.2.1 译码器的强化（ID阶段） 114
12.2.2 指令译码的非必要化（MEM阶段） 115
12.3 WB译码 115
12.3.1 译码器强化（ID阶段） 116
12.3.2 指令译码的非必要化（WB阶段） 116
第13章移位运算的实现 118
13.1 RISC-V的移位运算指令定义 118
13.2 Chisel的实现 119
13.2.1 指令位模式的定义 119
13.2.2 译码信号的生成（ID阶段） 120
13.2.3 移位运算结果的连接（EX阶段） 120
第14章比较运算的实现 121
14.1 RISC-V的比较运算指令定义 121
14.2 Chisel的实现 122
14.2.1 指令位模式的定义 122
14.2.2 译码信号的生成（ID阶段） 122
14.2.3 比较运算结果的连接（EX阶段） 123
第15章分支指令的实现 124
15.1 RISC-V的分支指令定义 124
15.2 Chisel的实现 126
15.2.1 指令位模式的定义 126
15.2.2 PC的控制（IF阶段） 126
15.2.3 立即数和译码信号的生成（ID阶段） 127
15.2.4 分支可否、跳转目标地址的计算（EX阶段） 128
第16章跳转指令的实现 129
16.1 RISC-V的跳转指令定义 129
16.2 Chisel的实现 131
16.2.1 指令位模式的定义 131
16.2.2 译码和操作数数据的读取（ID阶段） 131
16.2.3 添加JALR运算（EX阶段） 132
16.2.4 PC的控制（IF阶段） 132
16.2.5 ra的回写（WB阶段） 133
第17章立即数加载指令的实现 134
17.1 RISC-V的立即数加载指令定义 134
17.2 Chisel的实现 135
17.2.1 指令位模式的定义 135
17.2.2 译码和操作数数据的读取（ID阶段） 136
第18章 CSR指令的实现 138
18.1 RISC-V的CSR指令定义 138
18.2 Chisel的实现 141
18.2.1 指令位模式的定义 141
18.2.2 立即数和译码信号的生成（ID阶段） 141
18.2.3 op1_data的连接（EX阶段） 142
18.2.4 CSR的读写（MEM阶段） 142
18.2.5 CSR读取数据的寄存器回写（WB阶段） 143
第19章 ECALL的实现 144
19.1 RISC-V的ECALL指令定义 144
19.2 Chisel的实现 145
19.2.1 指令位模式的定义 145
19.2.2 PC的控制（IF阶段） 145
19.2.3 译码信号的生成（ID阶段） 146
19.2.4 CSR写入（MEM阶段） 146
第20章用riscv-tests进行测试 147
20.1 riscv-tests的构建 147
20.2 将ELF文件转换为BIN文件 148
20.3 BIN文件的十六进制化 149
20.4 riscv-tests的路径条件 150
20.5 riscv-tests的执行 153
20.5.1 Chisel的实现 153
20.5.2 运行测试 154
20.6 批量测试脚本 156
20.6.1 HEX文件的批量生成：tohex.sh 156
20.6.2 riscv-tests的批量运行：riscv-tests.sh 156
第21章试运行C程序 159
21.1 创建C程序 159
21.2 编译 161
21.3 链接 163
21.4 机器语言的十六进制化和DUMP文件的创建 164
21.5 运行测试 165
第Ⅲ部分流水线的实现
第22章什么是流水线 168
22.1 流水线的意义 168
22.2 创建CPU流水线 170
22.3 在第Ⅲ部分完成的Chisel代码 170
第23章流水线寄存器的设置 179
23.1 寄存器的定义 179
23.2 IF阶段 181
23.2.1 取指令和PC控制 181
23.2.2 IF/ID寄存器的写入 181
23.3 ID阶段 182
23.3.1 寄存器编号的译码和寄存器数据的读取 182
23.3.2 立即数的译码 182
23.3.3 csignals的译码 182
23.3.4 操作数数据的选择 183
23.3.5 生成csr_addr 183
23.3.6 ID/EX寄存器的写入 183
23.4 EX阶段 184
23.4.1 至alu_out的信号连接 184
23.4.2 分支指令的处理 185
23.4.3 EX/MEM寄存器的写入 185
23.5 MEM阶段 186
23.5.1 存储器访问 186
23.5.2 CSR 186
23.5.3 wb_data 186
23.5.4 写入MEM/WB寄存器 187
23.6 WB阶段 187
第24章分支冒险处理 188
24.1 什么是分支冒险 188
24.2 Chisel的实现 189
24.2.1 禁用IF阶段 189
24.2.2 禁用ID阶段 190
24.2.3 增加调试信号 190
24.3 分支冒险的测试 191
24.3.1 创建用于测试的C程序 191
24.3.2 创建HEX文件和DUMP文件 192
24.3.3 分支冒险处理前的CPU测试 194
24.3.4 分支冒险处理后的CPU测试 195
第25章数据冒险处理 199
25.1 什么是数据冒险 199
25.2 直通的Chisel实现 200
25.3 停顿的Chisel实现 201
25.3.1 添加stall_flg信号（ID阶段） 202
25.3.2 停顿处理（IF阶段） 203
25.3.3 BUBBLE化（ID阶段） 203
25.3.4 添加调试信号 204
25.4 数据冒险测试 204
25.4.1 ID/WB间数据冒险直通模式 204
25.4.2 ID/EX间数据冒险引发停顿→ ID/MEM间直通模式 207
25.4.3 riscv-tests测试 209
第Ⅳ部分向量扩展指令的实现
第26章什么是向量指令 212
26.1 什么是SIMD 212
26.2 既有的向量架构 215
26.3 RISC-V向量指令和SIMD指令的不同 216
26.3.1 SIMD指令的向量寄存器长度 216
26.3.2 RVV指令的向量寄存器长度 217
26.4 在第Ⅳ部分完成的Chisel代码 219
第27章 VSETVLI指令的实现 227
27.1 RISC-V的VSETVLI指令定义 227
27.2 VTYPE 228
27.2.1 SEW和LMUL 229
27.2.2 vill、vta、vma 231
27.3 Chisel的实现 233
27.3.1 指令位模式的定义 233
27.3.2 译码信号的生成（ID阶段） 233
27.3.3 向量CSR的写入（MEM阶段） 234
27.3.4 VL的寄存器回写（WB阶段） 235
27.4 运行测试 235
27.4.1 e32/m1 测试 235
27.4.2 e64/m1 测试 239
27.4.3 e32/m2 测试 240
第28章向量加载指令的实现 242
28.1 unit-stride向量加载指令定义 243
28.1.1 SEW和EEW 244
28.1.2 位配置 245
28.2 Chisel的实现 246
28.2.1 指令位模式的定义 246
28.2.2 DmemPortIo的扩展 246
28.2.3 添加向量寄存器 247
28.2.4 译码信号的生成（ID阶段） 247
28.2.5 向量加载数据的寄存器回写（WB阶段） 247
28.2.6 从存储器读取向量数据（使用Memory类） 249
28.2.7 添加调试信号 250
28.3 运行测试 250
28.3.1 e32/m1 测试 250
28.3.2 e64/m1 测试 254
28.3.3 e32/m2 测试 256
第29章向量加法指令VADD.VV的实现 260
29.1 RISC-V的VADD.VV指令定义 260
29.2 Chisel的实现 261
29.2.1 指令位模式的定义 261
29.2.2 向量寄存器的读取（ID阶段） 261
29.2.3 译码信号的生成（ID阶段） 262
29.2.4 添加向量加法器（EX阶段） 262
29.2.5 加法结果的寄存器回写（WB阶段） 265
29.2.6 添加调试信号 265
29.3 运行测试 265
29.3.1 e32/m1 测试 265
29.3.2 e64/m1 测试 269
29.3.3 e32/m2 测试 272
第30章向量存储指令的实现 275
30.1 unit-stride向量存储指令定义 275
30.2 Chisel的实现 276
30.2.1 指令位模式的定义 276
30.2.2 DmemPortIo的扩展 276
30.2.3 译码信号的生成，存储数据的读取（ID阶段） 277
30.2.4 存储数据的连接（MEM阶段） 277
30.2.5 向量数据存储器的写入（使用Memory类） 278
30.3 运行测试 279
30.3.1 e32/m1 测试 279
30.3.2 e64/m1 测试 282
30.3.3 e32/m2 测试 285
第Ⅴ部分自定义指令的实现
第31章自定义指令的意义 290
31.1 单核的性能提升和极限 290
31.1.1 摩尔定律 290
31.1.2 登纳德定律 291
31.1.3 登纳德定律的崩溃 291
31.2 多核并行处理的效率提升和极限 291
31.2.1 转向多核 291
31.2.2 并行处理的效率提升极限 292
31.3 DSA的可能性 293
31.3.1 ASIC 293
31.3.2 FPGA 293
31.3.3 DSA的缺点 294
31.4 DSA和RISC-V 294
31.4.1 自由的架构设计 294
31.4.2 自定义指令 295
第32章种群统计指令的实现 298
32.1 什么是种群统计指令 298
32.2 不实现自定义指令时的种群统计程序 299
32.3 自定义指令编译器（汇编器）实现 300
32.3.1 GNU Assembler概要 300
32.3.2 添加PCNT指令到GAS 303
32.3.3 编译器的二次构建 309
32.3.4 PCNT指令的编译 309
32.4 Chisel的实现 310
32.4.1 指令列的定义 310
32.4.2 译码信号的生成（ID阶段） 310
32.4.3 添加ALU（EX阶段） 311
32.5 运行测试 311
附录 RISC-V的价值
A.1 开源ISA的重要性 314
A.2 RISC-V的应用目标 315
A.2.1 兼顾高性能和低成本的DSA 315
A.2.2 廉价的通用CPU 316
A.2.3 任何人都能轻松学习、实践的教育环境 316
A.3 芯片制造的成本壁垒及未来 316