正版新书]手把手教你RISC-V CPU 上 处理器设计胡振波,芯来科技

部分CPU与RISC-V综述

章CPU之三生三世

1.1眼看他起高楼，眼看他宴宾客，眼看他楼塌了—CPU众生相

1.1.1ISA—CPU的灵魂

1.1.2CISC架构与RISC架构

1.1.332位架构与64位架构

1.1.4ISA众生相

1.1.5CPU的领域之分

1.2ISA请扛起这口锅—为什么国产CPU尚未足够成熟

1.2.1MIPS系—龙芯和君正

1.2.2x86系—北大众志、上海兆芯和天津海光

1.2.3Power系—中晟宏芯

1.2.4Alpha系—申威

1.2.5ARM系—飞腾、海思、展讯

1.2.6RISC-V系—平头哥、芯来科技

1.2.7背锅侠ISA

1.3人生已如此艰难，你又何必拆穿—CPU从业者的无奈

1.4无敌者是多么寂寞—ARM统治着的世界

1.4.1独乐乐与众乐乐—ARM公司的盈利模式

1.4.2小个子有大力量—无处不在的Cortex-M系列

1.4.3移动王者—Cortex-A系列在手持设备领域的巨大成功

1.4.4进击的巨人—ARM进军PC与服务器领域的雄心

1.4.5ARM当前发展

1.5东边日出西边雨，道是无晴却有晴—RISC-V登场

1.5.1缘起名校

1.5.2兴于开源

1.5.3本土发展

1.6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

第2章大道至简—RISC-V架构之魂

2.1简单就是美—RISC-V架构的设计理念

2.1.1无病一身轻—架构的篇幅

2.1.2能屈能伸—模块化的指令集

2.1.3浓缩的都是精华—指令的数量

2.2RISC-V架构简介

2.2.1模块化的指令集

2.2.2可配置的通用寄存器组

2.2.3规整的指令编码

2.2.4简洁的存储器访问指令

2.2.5高效的分支跳转指令

2.2.6简洁的子程序调用

2.2.7无条件码执行

2.2.8无分支延迟槽

2.2.9零开销硬件循环指令

2.2.10简洁的运算指令

2.2.11优雅的压缩指令子集

2.2.12特权模式

2.2.13CSR

2.2.14中断和异常

2.2.15P扩展指令子集

2.2.16矢量指令子集

2.2.17自定义指令扩展

2.2.18比较

2.3RISC-V软件工具链

2.4RISC-V和其他开放架构有何不同

2.4.1平民英雄—OpenRISC

2.4.2豪门显贵—SPARC

2.4.3身出名门—MIPS

2.4.4名校优生—RISC

第3章乱花渐欲迷人眼—盘点RISC-V商业版本与开源版本

……

第二部分手把手教你使用Verilog设计CPU

第三部分开发实战

胡振波，上海交通大学电子工程系本科、微电子学院硕士。拥有业界多年ASIC和CPU设计与验证经验，先后在Marvell任职ARM架构CPU设计不错工程师、在Synopsys任职研发经理、在比特大陆任职IC设计总监、在武汉聚芯微电子任职架构师，现致力于推动RISC-V架构在国内的传播和发展。
作者开发并开源了蜂鸟E200系列超低功耗RISC-V处理器内核。感兴趣的读者可关注作者如下微信公众号(或搜索“硅农亚历山大”)，加入开源蜂鸟E200处理器核的交流讨论微信群。并且了解公众号中更多有关Verilog设计、CPU和RISC-V的知识分享。

芯片是信息技术的引擎，推动着人类社会的数字化、信息化与智能化。
20世纪六七十年代是集成电路的飞速发展期，令人遗憾的是，我们错过了这个黄金时代。经过半个多世纪的发展，世界范围内半导体产业已经取得了巨大的成绩。由于我们错失了先发优势，因此芯片技术已经成为我国芯片行业快速发展的瓶颈。
CPU 是芯片里的运算和控制中心，其中指令集架构是运算和控制的基础。过去的数十年，世界范围内相继诞生了数十种指令集架构，大多数指令集架构为国外商业公司私有，几乎见不到开放的指令集架构。在这些架构中逐渐市场的是x86和ARM，这两种指令集分别在PC与移动领域成为事实标准，但x86架构是垄断的，ARM架构的授权费用很高。因此当前推行开放的指令集架构是开发人员期待的，这将是一个行业创新的切入点。
既然指令集架构大多是国外私有的，那么我们自建一套是不是可以解决这个问题？事实上，我们面临着以下两个巨大的挑战。
虽然设计一个指令集架构不难，但是真正难在生态建设，而生态建设中昂贵的成本是教育成本和接受成本。教育成本取决于人们普遍的熟悉程度，接受成本取决于人们愿意投入的时间，这两个成本昂贵到让人无法承担。
自建一套指令集架构也许可以从某种程度上实现“自主”“可控”，但是难以实现“繁荣”的产业生态，这也是多年来无论在国内还是在国外，都存在过一些私有指令集架构，但它们始终停留在小众市场而无法成为被广泛接受的主流指令集架构的原因。
当前，开放指令集架构—RISC-V通过定义一套开放的指令集架构标准，朝着繁荣芯片生态这一目标迈出了一大步。RISC-V是指令集标准，就如同TCP/IP定义了网络包的标准，POSIX定义了操作系统的系统调用标准，任何公司、大学、研究机构与个人可以自由地开发兼容RISC-V指令集的处理器软硬件，可以融入基于RISC-V构建的软硬件生态系统。它有望像开源软件生态中的Linux系统那样，成为计算机芯片与系统创新的基石。未来RISC-V很可能发展成为世界主流CPU架构之一，从而在CPU领域形成x86（Intel/AMD）、ARM、RISC-V三分天下的格局。而国产CPU一直面临指令集架构之忧，采用RISC-V这样开放的指令集架构将成为国产CPU的一个良好选择。
纵观靠前形势，政府部门在大力支持基于 RISC-V 的研究项目，许多靠前企业逐渐将RISC-V集成到其产品中。RISC-V不仅在靠前领域受到广泛关注，还在中国呈现出风起云涌之势，国内目前与RISC-V芯片、投资、知识产权及生态相关的公司就超过百家。
胡振波是国内RISC-V社区活跃的贡献者，创办了国内提供RISC-V全栈IP与软硬件整体解决方案的公司—芯来科技。
2017年，胡振波在开源社区贡献了国内先行的开源RISC-V处理器核—蜂鸟E203，在业内取得了良好的反馈。在积累了更多的一线开发经验后，为了继续给开源社区提供更详细的资料，作者撰写了本书。
当前，发展集成电路被提升为重大国家战略，借此祝愿本书能够帮助更多的从业者了解RISC-V。我希望RISC-V能乘中国建设科技强国的春风，帮助本土集成电路行业的发展，让世界用上越来越多的中国“芯”。


中国工程院院士 倪光南
中国开放指令生态（RISC-V）联盟理事长








2010 年，加州大学伯克利分校的实验室项目需要一个易于实施的、可扩展的且与他人分享时不受的指令集，但当时没有一个现成的指令集满足以上需求。于是，在David Patterson教授的支持下，Krste Asanovic教授和Andrew Waterman、Yunsup Lee等开发人员一起创建了RISC-V架构。2014年，该指令集架构一经公开，便在优选范围内得到广泛欢迎。事实上，从RISC-I到RISC-V，这5代RISC架构皆由David Patterson教授带领研制，这代表了RISC处理器技术的一个演进过程—越来越简洁、灵活。
RISC-V是一个开放、开源的架构，因此，企业、学校和个人可以积极参与相关的研发，这带来更多的创新。凭借简洁、模块化且扩展性强的特点，基于RISC-V的芯片产品源源不断地被推向市场，芯片行业蓬勃发展。这样的发展势头终将推动RISC-V成为ISA领域的一项开放标准。
2018年7月，上海市经济和信息化委员会发布了国内与RISC-V相关的扶持政策。2018年9月20日，在上海半导体行业协会的支持下，芯原微电子（上海）股份有限公司牵头建立了中国RISC-V产业联盟（CRVIC）。至今，已有百余家企业加入了这个联盟，RISC-V CPU IP供应商—芯来科技公司是联盟中重要的一员。芯来科技公司的创办人—本书的作者胡振波具有开放精神，他曾以个人名义推出了开源低功耗内核处理器—蜂鸟E203，这是被RISC-V基金会官方主页收录的开源内核。2018年，他出版了一本RISC-V中文图书—《手把手教你设计CPU—RISC-V处理器篇》，目前该书已成为众多工程师的案头书。现在，胡振波编写了《手把手教你RISC-V CPU（上）—处理器设计》与《手把手教你RISC-V CPU（下）—工程与实践》。
每一次技术变迁会带来一个新生产业的崛起。从主机时代到PC时代，成就了Intel；从PC时代到移动时代，成就了ARM；从移动时代到AIoT时代，我们能否抓住RISC-V的机遇？
对于立志从事CPU处理器设计或想要深入了解RISC-V技术的读者，本书是值得阅读的书。本书主要介绍如何开发蜂鸟E203处理器，且具备指导性。阅读本书后，我希望更多的读者投入RISC-V生态的建设中，成为推动技术革新的实践者。


芯原微电子（上海）股份有限公司董事长 戴伟民博士
中国RISC-V产业联盟理事长

1.《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》延续篇，配套新蜂鸟E203开源项目，加入更多新内容。
2.利用通俗易懂的语言剖析了RISC-V处理器的微架构以及代码实现，为读者揭开CPU设计的神秘面纱。
3.知识体系完整，分为上下两册，覆盖RISC-V处理器软硬件开发的全流程。
4.中国工程院院士倪光南、芯原股份董事长戴伟民为本书作序推荐。

本书系统地介绍了 CPU 设计技巧和新兴开源RISC-V架构，内容翔实，涵盖开源蜂鸟E203处理器各模块的具体实现，以及可扩展协处理器的实现机制。为了让读者学以致用，本书还集成了大量的实例，用实例把各个模块的实现方式贯穿起来。

本书适合从事CPU设计的工程师和技术爱好者阅读。