第 一部分　CPU與RISC-V綜述



第　1章 CPU之三生三世　2

1.1　眼看他起高樓，眼看他宴賓客，眼看他樓塌了CPU眾生相　3

1.1.1　ISACPU的靈魂　4

1.1.2　CISC架構(gòu)與RISC架構(gòu)　5

1.1.3　32位架構(gòu)與64位架構(gòu)　6

1.1.4　ISA眾生相　6

1.1.5　CPU的領(lǐng)域之分　11

1.2　ISA請扛起這口鍋為什么國產(chǎn)CPU尚未足夠成熟　12

1.2.1　MIPS系龍芯和君正　12

1.2.2　x86系北大眾志、上海兆芯和天津海光　13

1.2.3　Power系中晟宏芯　14

1.2.4　Alpha系申威　14

1.2.5　ARM系飛騰、海思、展訊　14

1.2.6　RISC-V系平頭哥、芯來科技　16

1.2.7　背鍋俠ISA　16

1.3　人生已如此艱難，你又何必拆穿CPU從業(yè)者的無奈　18

1.4　無敵者是多么寂寞ARM統(tǒng)治著的世界　19

1.4.1　獨樂樂與眾樂樂ARM公司的盈利模式　19

1.4.2　小個子有大力量無處不在的Cortex-M系列　22

1.4.3　移動王者Cortex-A系列在手持設(shè)備領(lǐng)域的巨大成功　23

1.4.4　進擊的巨人ARM進軍PC與服務(wù)器領(lǐng)域的雄心　25

1.4.5　ARM當(dāng)前發(fā)展　26

1.5　東邊日出西邊雨，道是無晴卻有晴RISC-V登場　26

1.5.1　緣起名校　26

1.5.2　興于開源　27

1.5.3　本土發(fā)展　29

1.6　舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家你也可以設(shè)計自己的處理器　30

第　2章 大道至簡RISC-V架構(gòu)之魂　31

2.1　簡單就是美RISC-V架構(gòu)的設(shè)計理念　32

2.1.1　無病一身輕架構(gòu)的篇幅　32

2.1.2　能屈能伸模塊化的指令集　34

2.1.3　濃縮的都是精華指令的數(shù)量　34

2.2　RISC-V架構(gòu)簡介　35

2.2.1　模塊化的指令集　35

2.2.2　可配置的通用寄存器組　36

2.2.3　規(guī)整的指令編碼　36

2.2.4　簡潔的存儲器訪問指令　37

2.2.5　高效的分支跳轉(zhuǎn)指令　38

2.2.6　簡潔的子程序調(diào)用　38

2.2.7　無條件碼執(zhí)行　39

2.2.8　無分支延遲槽　40

2.2.9　零開銷硬件循環(huán)指令　40

2.2.10　簡潔的運算指令　40

2.2.11　優(yōu)雅的壓縮指令子集　41

2.2.12　特權(quán)模式　42

2.2.13　CSR　42

2.2.14　中斷和異常　42

2.2.15　P擴展指令子集　43

2.2.16　矢量指令子集　43

2.2.17　自定義指令擴展　43

2.2.18　比較　43

2.3　RISC-V軟件工具鏈　44

2.4　RISC-V和其他開放架構(gòu)有何不同　47

2.4.1　平民英雄OpenRISC　47

2.4.2　豪門顯貴SPARC　48

2.4.3　身出名門MIPS　48

2.4.4　名校優(yōu)生RISC-V　49

第3章　亂花漸欲迷人眼盤點RISC-V商業(yè)版本與開源版本　50

3.1　各商業(yè)版本與開源版本綜述　51

3.1.1　Rocket Core　51

3.1.2　BOOM Core　53

3.1.3　Freedom E310 SoC　54

3.1.4　LowRISC SoC　54

3.1.5　PULPino Core與SoC　54

3.1.6　PicoRV32 Core　55

3.1.7　SCR1 Core　56

3.1.8　ORCA Core　56

3.1.9　Andes Core　56

3.1.10　Microsemi Core　56

3.1.11　Codasip Core　57

3.1.12　Nuclei Core　57

3.1.13　蜂鳥E203處理器核與SoC　58

3.2　小結(jié)　59

第4章　開源RISC-V蜂鳥E203處理器核與SoC　60

4.1　與眾不同的蜂鳥E203處理器　61

4.2　蜂鳥E203處理器簡介蜂鳥雖小，五臟俱全　62

4.3　蜂鳥E203處理器的性能指標(biāo)　64

4.4　蜂鳥E203處理器的配套SoC　64

4.5　蜂鳥E203處理器的配置選項　66



第二部分　手把手教你使用Verilog設(shè)計CPU

第5章　先見森林，后觀樹木蜂鳥E203處理器核設(shè)計總覽和頂層　70

5.1　處理器硬件設(shè)計概述　71

5.1.1　架構(gòu)和微架構(gòu)　71

5.1.2　CPU、處理器、Core和處理器核　71

5.1.3　處理器設(shè)計和驗證　71

5.2　蜂鳥E203處理器核的設(shè)計理念　72

5.3　蜂鳥E203處理器核的RTL代碼風(fēng)格　73

5.3.1　使用標(biāo)準(zhǔn)DFF模塊例化生成寄存器　73

5.3.2　推薦使用assign語法替代if-else和case語法　75

5.3.3　其他若干注意事項　77

5.4　蜂鳥E203模塊層次劃分　77

5.5　蜂鳥E203處理器核的源代碼　78

5.6　蜂鳥E203處理器核的配置選項　78

5.7　蜂鳥E203處理器核支持的RISC-V指令子集　79

5.8　蜂鳥E203處理器核的流水線結(jié)構(gòu)　79

5.9　蜂鳥E203處理器核的頂層接口　79

5.10　小結(jié)　82

第6章　流水線不是流水賬蜂鳥E203處理器核流水線　83

6.1　處理器流水線概述　84

6.1.1　從經(jīng)典的5級流水線說起　84

6.1.2　可否不要流水線流水線和狀態(tài)機的關(guān)系　86

6.1.3　深處種菱淺種稻，不深不淺種荷花流水線的深度　86

6.1.4　向上生長越來越深的流水線　87

6.1.5　向下生長越來越淺的流水線　88

6.2　處理器流水線中的亂序　88

6.3　處理器流水線中的反壓　88

6.4　處理器流水線中的沖突　89

6.4.1　流水線中的資源沖突　89

6.4.2　流水線中的數(shù)據(jù)沖突　90

6.5　蜂鳥E203處理器的流水線　91

6.5.1　流水線總體結(jié)構(gòu)　91

6.5.2　流水線中的沖突　92

6.6　小結(jié)　92

第7章　萬事開頭難 一切從取指令開始　93

7.1　取指概述　94

7.1.1　取指特點　94

7.1.2　如何快速取指　95

7.1.3　如何處理地址不對齊的指令　96

7.1.4　如何處理分支指令　97

7.2　RISC-V架構(gòu)特點對于取指的簡化　102

7.2.1　規(guī)整的指令編碼格式　102

7.2.2　指令長度指示碼放于低位　102

7.2.3　簡單的分支跳轉(zhuǎn)指令　103

7.2.4　沒有分支延遲槽指令　104

7.2.5　提供明確的靜態(tài)分支預(yù)測依據(jù)　105

7.2.6　提供明確的RAS依據(jù)　105

7.3　蜂鳥E203處理器的取指實現(xiàn)　106

7.3.1　IFU總體設(shè)計思路　106

7.3.2　簡單譯碼　108

7.3.3　簡單BPU　110

7.3.4　PC生成　114

7.3.5　訪問ITCM和BIU　116

7.3.6　ITCM　120

7.3.7　BIU　120

7.4　小結(jié)　121

第8章　一鼓作氣，執(zhí)行力是關(guān)鍵執(zhí)行　122

8.1　執(zhí)行概述　123

8.1.1　指令譯碼　123

8.1.2　指令執(zhí)行　123

8.1.3　流水線的沖突　124

8.1.4　指令的交付　124

8.1.5　指令發(fā)射、派遣、執(zhí)行、寫回的順序　124

8.1.6　分支解析　126

8.2　RISC-V架構(gòu)的特點對于執(zhí)行的簡化　126

8.2.1　規(guī)整的指令編碼格式　127

8.2.2　優(yōu)雅的16位指令　127

8.2.3　精簡的指令個數(shù)　127

8.2.4　整數(shù)指令的操作數(shù)個數(shù)是1或2　127

8.3　蜂鳥E203處理器的執(zhí)行實現(xiàn)　127

8.3.1　執(zhí)行指令列表　128

8.3.2　EXU總體設(shè)計思路　128

8.3.3　譯碼　129

8.3.4　整數(shù)通用寄存器組　135

8.3.5　CSR　138

8.3.6　指令發(fā)射、派遣　139

8.3.7　流水線沖突、長指令和OITF　143

8.3.8　ALU　149

8.3.9　交付　162

8.3.10　寫回　162

8.3.11　協(xié)處理器擴展　162

8.4　小結(jié)　163

第9章　善始者實繁，克終者蓋寡交付　164

9.1　處理器中指令的交付、取消、沖刷　165

9.1.1　指令交付、取消、沖刷　165

9.1.2　指令交付的常見實現(xiàn)策略　166

9.2　RISC-V架構(gòu)特點對于交付的簡化　166

9.3　蜂鳥E203處理器中指令交付的硬件實現(xiàn)　167

9.3.1　分支預(yù)測指令的處理　168

9.3.2　中斷和異常的處理　171

9.3.3　多周期執(zhí)行的指令的交付　171

9.4　小結(jié)　172

第　10章 讓子彈飛一會兒寫回　173

10.1　處理器的寫回　174

10.1.1　處理器寫回功能簡介　174

10.1.2　處理器常見寫回策略　174

10.2　蜂鳥E203處理器的寫回硬件實現(xiàn)　174

10.2.1　終寫回仲裁　175

10.2.2　OITF模塊和長指令寫回仲裁模塊　176

10.3　小結(jié)　179

第　11章 哈弗還是比亞迪存儲器　181

11.1　存儲器概述　182

11.1.1　誰說處理器一定要有緩存　182

11.1.2　處理器一定要有存儲器　183

11.1.3　ITCM和DTCM　185

11.2　RISC-V架構(gòu)特點對于存儲器訪問指令的簡化　186

11.2.1　僅支持小端格式　186

11.2.2　無地址自增/自減模式　186

11.2.3　無一次讀多個數(shù)據(jù)和一次寫多個數(shù)據(jù)的指令　186

11.3　RISC-V架構(gòu)的存儲器訪問指令　187

11.3.1　存儲器讀和寫指令　187

11.3.2　fence指令和fence.i指令　187

11.3.3　A擴展指令集　187

11.4　蜂鳥E203處理器核的存儲器子系統(tǒng)硬件實現(xiàn)　188

11.4.1　存儲器子系統(tǒng)總體設(shè)計思路　188

11.4.2　AGU　188

11.4.3　LSU　193

11.4.4　ITCM和DTCM　195

11.4.5　A擴展指令集的硬件實現(xiàn)　198

11.4.6　fence與fence.i指令的硬件實現(xiàn)　202

11.4.7　BIU　204

11.4.8　ECC　204

11.5　小結(jié)　204

第　12章 黑盒子的窗口總線接口單元　205

12.1　片上總線協(xié)議概述　206

12.1.1　AXI　206

12.1.2　AHB　206

12.1.3　APB　207

12.1.4　TileLink　207

12.1.5　總結(jié)比較　207

12.2　自定義總線協(xié)議ICB　208

12.2.1　ICB協(xié)議簡介　208

12.2.2　ICB協(xié)議信號　209

12.2.3　ICB協(xié)議的時序　209

12.3　ICB的硬件實現(xiàn)　214

12.3.1　一主多從　214

12.3.2　多主一從　215

12.3.3　多主多從　216

12.4　蜂鳥E203處理器核BIU　217

12.4.1　BIU簡介　217

12.4.2　BIU的微架構(gòu)　218

12.4.3　BIU的源代碼　218

12.5　蜂鳥E203處理器SoC總線　219

12.5.1　SoC總線簡介　219

12.5.2　SoC總線的微架構(gòu)　220

12.5.3　SoC總線的源代碼　220

12.6　小結(jié)　221

第　13章 不得不說的故事中斷和異�！�222

13.1　中斷和異常概述　223

13.1.1　中斷概述　223

13.1.2　異常概述　224

13.1.3　廣義上的異�！�224

13.2　RISC-V架構(gòu)異常處理機制　226

13.2.1　進入異�！�226

13.2.2　退出異�！�229

13.2.3　異常服務(wù)程序　230

13.3　RISC-V架構(gòu)中斷定義　231

13.3.1　中斷類型　231

13.3.2　中斷屏蔽　233

13.3.3　中斷等待　233

13.3.4　中斷優(yōu)先級與仲裁　234

13.3.5　中斷嵌套　235

13.4　RISC-V架構(gòu)中與中斷和異常相關(guān)的CSR　236

13.5　蜂鳥E203處理器中異常處理的硬件實現(xiàn)　236

13.5.1　蜂鳥E203處理器的異常和中斷實現(xiàn)要點　236

13.5.2　蜂鳥E203處理器支持的中斷和異常類型　237

13.5.3　蜂鳥E203處理器對mepc寄存器的處理　237

13.5.4　蜂鳥E203處理器的中斷接口　238

13.5.5　蜂鳥E203處理器CLINT微架構(gòu)及源代碼分析　239

13.5.6　蜂鳥E203處理器PLIC微架構(gòu)及源代碼分析　242

13.5.7　蜂鳥E203處理器中交付模塊對中斷和異常的處理　244

13.6　小結(jié)　248

第　14章 不起眼的其實是難的調(diào)試機制　249

14.1　調(diào)試機制概述　250

14.1.1　交互調(diào)試概述　250

14.1.2　跟蹤調(diào)試概述　252

14.2　RISC-V架構(gòu)的調(diào)試機制　252

14.2.1　調(diào)試器軟件的實現(xiàn)　253

14.2.2　調(diào)試模式　253

14.2.3　調(diào)試指令　254

14.2.4　調(diào)試模式下的CSR　254

14.2.5　調(diào)試中斷　254

14.3　蜂鳥E203處理器中的調(diào)試機制　254

14.3.1　蜂鳥E203處理器中的交互式調(diào)試　254

14.3.2　DTM　255

14.3.3　硬件調(diào)試模塊　256

14.3.4　調(diào)試中斷處理　259

14.3.5　調(diào)試模式下CSR的實現(xiàn)　260

14.3.6　調(diào)試機制指令的實現(xiàn)　261

14.4　小結(jié)　262

第　15章 動如脫兔，靜若處子低功耗的訣竅　263

15.1　處理器低功耗技術(shù)概述　264

15.1.1　軟件層面的低功耗　264

15.1.2　系統(tǒng)層面的低功耗　264

15.1.3　處理器層面的低功耗　265

15.1.4　模塊和單元層面的低功耗　265

15.1.5　寄存器層面的低功耗　266

15.1.6　鎖存器層面的低功耗　267

15.1.7　SRAM層面的低功耗　267

15.1.8　組合邏輯層面的低功耗　267

15.1.9　工藝層面的低功耗　268

15.2　RISC-V架構(gòu)的低功耗機制　268

15.3　蜂鳥E203處理器低功耗機制的硬件實現(xiàn)　268

15.3.1　蜂鳥E203處理器在系統(tǒng)層面的低功耗　268

15.3.2　蜂鳥E203處理器層面的低功耗　270

15.3.3　蜂鳥E203處理器在單元層面的低功耗　272

15.3.4　蜂鳥E203處理器在寄存器層面的低功耗　272

15.3.5　蜂鳥E203處理器在鎖存器層面的低功耗　275

15.3.6　蜂鳥E203處理器在SRAM層面的低功耗　276

15.3.7　蜂鳥E203處理器在組合邏輯層面的低功耗　277

15.3.8　蜂鳥E203處理器在工藝層面的低功耗　278

15.4　小結(jié)　278

第　16章 工欲善其事，必先利其器RISC-V可擴展協(xié)處理器　279

16.1　領(lǐng)域特定架構(gòu)　280

16.2　RISC-V架構(gòu)的可擴展性　281

16.2.1　RISC-V架構(gòu)的預(yù)留指令編碼空間　281

16.2.2　RISC-V架構(gòu)的預(yù)定義指令　282

16.3　蜂鳥E203處理器的協(xié)處理器擴展機制NICE　282

16.3.1　NICE指令的編碼　282



16.3.2　NICE協(xié)處理器的接口信號　283

16.3.3　NICE協(xié)處理器的流水線接口　284

16.3.4　NICE協(xié)處理器的存儲器接口　285

16.3.5　NICE協(xié)處理器的接口時序　286

16.4　蜂鳥E203處理器的協(xié)處理器參考示例　290

16.4.1　示例協(xié)處理器的實現(xiàn)需求　290

16.4.2　示例協(xié)處理器的自定義指令　291

16.4.3　示例協(xié)處理器的硬件實現(xiàn)　292

16.4.4　示例協(xié)處理器的軟件驅(qū)動　292

16.4.5　示例協(xié)處理器的性能分析　294



第三部分　開發(fā)實戰(zhàn)

第　17章 先冒個煙運行Verilog仿真測試　298

17.1　E203開源項目的代碼層次結(jié)構(gòu)　299

17.2　E203開源項目的測試用例　300

17.2.1　riscv-tests自測試用例　300

17.2.2　編譯ISA自測試用例　301

17.3　E203 開源項目的測試平臺　304

17.4　在測試平臺中運行測試用例　304

第　18章 套上殼子上路更多實踐　308



附錄A　RISC-V架構(gòu)的指令集　311

附錄B　RISC-V架構(gòu)的CSR　341

附錄C　RISC-V架構(gòu)的PLIC　351

附錄D　存儲器模型背景　359

附錄E　存儲器原子操作指令背景　364

附錄F　RISC-V指令編碼列表　367

附錄G　RISC-V偽指令列表　374