這本讀者期待的芯片書《手把手教你設計CPU——RISC-V處理器》終於出版！

時間 2019-11-21

標籤這本讀者期待芯片手把手設計 cpu risc 處理器終於出版简体版

原文原文鏈接

點擊關注異步圖書，置頂公衆號html

天天與你分享IT好書技術乾貨職場知識程序員

點擊圖片購書算法

參與文末話題討論，每日贈送異步圖書
編程

——異步小編安全

在摩爾定律減緩的今天，一味比拼硬件性能的技術競賽變得愈加艱難。然而性能提高的最終目的是知足應用，如何在現有的能力下最大程度地知足數以千萬計的不一樣應用的需求，就成了當今處理器行業要面對的重要問題。性能優化

RISC-V站在了時代的風口，其做爲一種開源架構的出現必將對芯片產業產生深遠的影響。

硬件芯片的開源再也不是一個噱頭，而是變成了一種剛需。蜂鳥E200做爲中國本土較早開源的RISC-V芯片，也將對國內的相關產業發展起到巨大的推進做用，爲國內公司抓住物聯網風口的大發展而助力。開源即透明，透明便可控。自主可控也是國家信息安全的保障，由國內公司自主研發並開源的RISC-V處理器，也爲國家信息安全領域的應用提供了多一種選擇。

4月小編髮了一篇文章，個人中國「芯」，手把手教你設計CPU，引發了讀者的強烈反響，5月這本講解RISC-V芯片的圖書終於出版，他就是《手把手教你設計CPU——RISC-V處理器》，助力國產芯片這本書不可錯過。網絡

做者推薦架構

RISC-V是什麼？

RISC-V架構主要由伯克利大學的Krste Asanovic教授、Andrew Waterman和Yunsup Lee等開發人員於2010年發明，而且獲得了計算機體系結構領域的泰斗David Patterson的大力支持。伯克利大學的開發人員之因此發明一套新的指令集架構，而不是使用成熟的x86或者ARM架構，是由於這些架構通過多年的發展變得極爲複雜和冗繁，而且存在着高昂的專利和架構受權問題。而且修改ARM處理器的RTL代碼是不被支持的，而x86處理器的源代碼根本不可能得到到。其餘的開源架構（譬如SPARC、OpenRISC）均有着或多或少的問題（第2章將詳細論述）。有感於計算機體系結構和指令集架構已通過數十年的發展很是成熟，可是像伯克利大學這樣的研究機構居然「無米下鍋」（選擇不出合適的指令集架構供其使用）。伯克利大學的教授與研發人員決定發明一種全新的、簡單且開放免費的指令集架構，因而RISC-V架構誕生了。
異步

有關RISC-V的誕生，有興趣的讀者能夠自行到網絡中查閱文章《伯克利但願將RISC-V開源架構推向主流》。工具

RISC-V（英文讀做「risk-five」），是一種全新的指令集架構。「V」包含兩層意思，一是這是Berkeley從RISC I開始設計的第五代指令集架構；二是它表明了變化（Variation）和向量（Vectors）。

通過幾年的開發，伯克利大學爲RISC-V架構開發除了完整的軟件工具鏈以及若干開源的處理器實例，獲得愈來愈多的人的關注。2016年，RISC-V基金會（Foundation）正式成立開始運做。RISC-V基金會是一個非盈利性的組織，負責維護標準的RISC-V指令集手冊與架構文檔，並推進RISC-V架構的發展。

RISC-V架構的目標以下。

成爲一種徹底開放的指令集，能夠被任何學術機構或商業組織所自由使用。

成爲一種真正適合硬件實現且穩定的標準指令集。

RISC-V基金會負責維護標準的RISC-V架構文檔和編譯器等CPU所需的軟件工具鏈，任何組織和我的能夠隨時在RISC-V基金會網站上免費下載（無需註冊）。

RISC-V的推出以及基金會的成立，受到了學術界與工業界的巨大歡迎。著名的科技行業分析公司Linley Group 將RISC-V評爲「2016年最佳技術」，如圖1所示。

圖1 RISC-V架構標誌圖

開放而免費的RISC-V架構誕生，不只對於高校與研究機構是個好消息；爲前期資金缺少的創業公司、或成本極其敏感的產品、或對現有軟件生態依賴不大的領域，都提供了另一種選擇，並且獲得了業界主要科技公司的擁戴，包括谷歌、惠普、Oracle和西部數據等硅谷巨頭都是RISC-V基金會的創始會員，如圖2所示。衆多的芯片公司已經開始使用（譬如，三星、英偉達等）或者計劃使用RISC-V開發其自有的處理器用於其產品。

圖2 RISC-V基金會創始會員，鉑金、金、銀級會員圖譜

RISC-V基金會組織每一年舉行兩次公開的專題討論會（Workshop），以促進RISC-V陣營的交流與發展，任何組織和我的都可以從RISC-V基金會的網站上下載到每次Workshop上演示的PPT與文檔。RISC-V第六次Workshop於2017年5月在中國的上海交大舉辦，如圖3所示，吸引了大批的中國公司和愛好者參與。

圖3 上海交通大學舉辦的RISC-V第六次Workshop

因爲許多如今主流的計算機體系結構英文教材（譬如，計算機體系結構量化研究方法、計算機組成與設計等）的做者自己也是RISC-V架構的發起者，所以這些英文教材都相繼推出了以RISC-V架構爲基礎的新版本教材，如圖4所示。這意味着美國的大多數高校都將開始採用RISC-V做爲教學範例，也意味着若干年後的高校畢業生都將對RISC-V架構很是熟知。

圖4 經典教材計算機組成與設計最新版本

可是，一款指令集架構（ISA）最終可否取得成功，很大程度上取決於軟件生態環境。羅馬不是一天建成的，x86與ARM架構通過多年的經營，構建了城寬池闊的軟件生態環境，能夠說是兵精糧足，很是強大。所以，做者認爲RISC-V架構在短期內還沒法對x86和ARM架構造成撼動。可是隨着愈來愈多的公司和項目開始採用RISC-V架構的處理器，相信RISC-V的軟件生態也會逐步壯大起來。

本書講的是什麼？

本書是一本介紹通用CPU設計的入門書，以通俗的語言系統介紹了CPU和RISC-V架構，力求爲讀者揭開CPU設計的神祕面紗，打開計算機體系結構的大門。

本書共分爲四部分。第一部分是CPU與RISC-V的綜述，幫助初學者對CPU和RISC-V快速地創建起認識。第二部分講解如何使用Verilog設計CPU，使讀者掌握處理器核的設計精髓。第三部分主要介紹蜂鳥E203配套的SoC和軟件平臺，使讀者實現蜂鳥E203 RISC-V處理器在FPGA原型平臺上的運行。第四部分是附錄，介紹了RISC-V指令集架構，輔以做者加入的背景知識解讀和註解，以便於讀者理解。

本書不只適合CPU或芯片設計相關從業者閱讀使用，也適合做爲大中專院校相關師生學習RISC-V處理器設計（使用Verilog語言）和CPU設計的指導用書。

本書做者

胡振波，上海交通大學電子工程系本科、微電子學院碩士。擁有業界多年ASIC和CPU設計與驗證經驗，前後在Marvell任職ARM架構CPU設計高級工程師、在Synopsys任職研發經理、在比特大陸任職IC設計總監、在武漢聚芯微電子任職架構師，現致力於推進RISC-V架構在國內的傳播和發展。

本書評價

面對新興指令集標準RISC-V，不少人還在觀望和比較。本書做者卻「行勝於言」，完成了商業級水準的蜂鳥處理器，本書是你不得不讀的RISC-V入門書籍和實踐指南！

—— 景略半導體設計總監、RISC-V愛好者和推廣者郭雄飛

這本書介紹了當今CPU，尤爲是RISC-V的最新技術和成果，還給出了設計實例（蜂鳥E200）。內容上高屋建瓴，文采飛揚，深刻淺出，是國內不可多得的理論聯繫實際、全面介紹CPU及芯片設計的好書，相信會對讀者有所裨益！

—— 中科院「百人計劃」海外引進傑出人才、物聯網芯片設計公司創始人胡國榮

這是國內較早關於RISC-V的著做，做者結合本身多年的處理器設計經驗，以全新的視角分析介紹了RISC-V指令集和架構設計要點，是一本很是有價值的書！做者提供的開源RISC-V處理器設計和SoC平臺，不管對於國內的高校、研究機構，仍是相關開發的公司來講，都是可貴的第一手資料。感謝做者爲新一代處理器的推廣和實踐所作出的貢獻，也但願本書讀者可以體會到RISC-V處理器設計的精髓！

—— 上海交通大學微電子學院助理研究員蔣劍飛

開源在軟件世界普及以後，也開始進入硬件世界。RISC-V開源精簡指令集通過了幾年的積累後，在2017年步入了快車道，得到了衆多知名芯片公司和操做系統的支持。和ARM的過往同樣，展望將來，RISC-V將會成爲芯片市場上一股不可忽視的力量。對於想了解此技術的開發者來講，本書絕對是首選。但願你們不要錯過這本書，錯過一個時代。

——半導體行業觀察執行主編李壽鵬

當拿到這本書的書稿時，做爲做者多年的朋友和同事，我由衷地爲他感到開心。做者以RISC-V處理器爲出發點，言簡意賅地對CPU基礎知識、指令集架構，軟件工具鏈等核心技術作了原理闡述，並以他本身開發的開源RISC-V處理器（蜂鳥E200）爲例，深刻淺出地介紹了該處理器微架構以及具體硬件實現，包括流水線結構、Memory結構、總線協議、中斷異常和調試器等。做者用通俗易懂的寫做方式，結合切實的例子，充分剖析了CPU設計的全過程。本書是做者長期工做實踐中總結出來的經驗寶典，相信對不少CPU設計愛好者以及想從事相關工做的讀者會有很是大的幫助。對於不少在校的EECS學生來講，這也將是一本不可多得的指導用書。

——Synopsys公司 ARC處理器高級研發經理彭劍英

這本書以簡練樸素的語言描述了RISC-V處理器架構的完整設計實踐，其中既有對處理器體系結構簡練而不失全面的總結對比，又有RISC-V處理器及軟硬系統設計的諸多細節。「小小麻雀，五臟俱全」，書中內容反映着做者對本領域的深入理解和親身實驗，值得學習借鑑。初識本書做者是在處理器設計架構的研討會中，他勤勉務實的做風給人留下了深入的印象，我想也影響着本書的行文和風格，值得學習。

——國防科技大學教授姜晶菲

RISC-V處理器已經在工業界大放異彩，預計不久以後在「微機原理」和「計算機體系結構」課程中講解RISC-V將像在「操做系統」課程中講解Linux同樣成爲主流。本書做者領導的團隊開源了「蜂鳥E203」處理器，並提供了完整的開發環境，爲讀者搭建了從RISC-V理論學習過渡到工程實踐的橋樑。本書不只深刻地詮釋了項目代碼，並且凝聚了做者多年從事CPU設計工做的經驗與感悟。對於電子類和計算機類專業的師生、CPU技術愛好者和從業者來講，本書極具參考價值！

——天津大學電氣自動化與信息工程學院副教授呂衛

本書介紹的蜂鳥E203 RISC-V處理器核，「蜂鳥雖小，五臟俱全」。本書不只適合做爲大中專院校師生學習RISC-V處理器設計（使用Verilog語言）的教學或自學案例，並且在IoT領域也會大有可爲。結合該處理器實例與做者多年的CPU設計經驗與心得，本書用通俗易懂的語言，爲讀者輕鬆揭開了CPU設計的神祕面紗，很是適合做爲大中專院校師生學習RISC-V和CPU設計的教學書籍。

——華中科技大學微電子工程系副教授鄭朝霞

本書很是全面地介紹了RISC-V開發所需的知識點，內容豐富，實用性很是強，而且詳盡地介紹了RISC-V的架構設計和性能優化方面的內容，必將成爲RISC-V開發者的必備。我打算用本書和蜂鳥E200做爲學生的課程學習資料，相信你們會有所收穫。

——西安郵電大學高工、博士焦繼業

長期以來，因爲商用處理器IP核高昂的受權費用和商業保密因素的影響，商用處理器微體系結構老是「祕不示人」。這致使大量學習者只能從框圖和體系結構仿真軟件上去學習「概念化」的處理器微體系結構，與實戰差距較大。而本書做者研發的蜂鳥E200開源處理器是中國較早的基於RISC-V指令集開發的開源處理器。在本書中，做者以蜂鳥E200處理器爲例，介紹了從處理器微體系結構到片上系統設計的相關知識。更爲難得的是，做者是以「集成電路設計視角」，而非「計算機系統結構視角」來介紹這些知識的，這樣的知識組織結構更加符合集成電路設計從業人員的學習習慣和思考方式。所以，這本書對於從事數字集成電路設計的工程師、高校教師以及相關專業的學生是一本可貴的參考書籍。

——電子科技大學電子科學與工程學院副教授黃樂天

有幸同本書做者共事過一年，往往被他的知識面之廣博所折服。今日讀到此書，更加佩服！RISC-V在須要低功耗和可配置性的場合有強大的生命力，在IoT領域以及高性能定製（例如AI加速）芯片領域即將大放異彩，此書來得很是及時！若是您是硬件背景的工程師，此書可讓您快速上手RISC-V，加強自身的競爭力。若是您是軟件背景的工程師，此書輕鬆易懂，能夠替代Computer Systems: A Programmer's Perspective（《深刻理解計算機系統》）一書，讓您瞭解計算機系統的底層是如何工做的。

——北京比特大陸資深芯片和CPU設計專家王逵