手把手教你設(shè)計CPU：RISC-V處理器篇

第 一部分 CPU與RISC-V綜述
第 1章 一文讀懂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
1.3　人生已是如此艱難，你又何必拆穿——CPU從業(yè)者的無奈 17
1.4　無敵是多么寂寞——ARM統(tǒng)治著的世界 18
1.4.1 獨樂樂與眾樂樂——ARM公司的盈利模式 18
1.4.2 小個子有大力量——無處不在的Cortex-M系列 21
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(jìn)擊的巨人——ARM進(jìn)軍PC與服務(wù)器領(lǐng)域的雄心 25
1.5　東邊日出西邊雨，道是無晴卻有晴——RISC-V登場 25
1.6　原來你是這樣的“薯片”——ARM的免費計劃 28
1.7　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 28
第 2章 大道至簡——RISC-V架構(gòu)之魂 29
2.1　簡單就是美——RISC-V架構(gòu)的設(shè)計哲學(xué) 30
2.2　RISC-V指令集架構(gòu)簡介 33
2.3　RISC-V軟件工具鏈 42
2.4　RISC-V和其他開放架構(gòu)有何不同 44
第3章 亂花漸欲迷人眼——盤點RISC-V商業(yè)版本與開源版本 46
3.1　各商業(yè)版本與開源版本綜述 47
3.2　總結(jié) 53
第4章 開源RISC-V——蜂鳥E200系列超低功耗Core與SoC 54
4.1　與眾不同的蜂鳥E200處理器 55
4.2　蜂鳥E200簡介——蜂鳥雖小，五臟俱全 56
4.3　蜂鳥E200型號系列 57
4.4　蜂鳥E200性能指標(biāo) 58
4.5　蜂鳥E200配套SoC 59
4.6　蜂鳥E200配置選項 60
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E200設(shè)計總覽和頂層介紹 65
5.1　處理器硬件設(shè)計概述 66
5.2　蜂鳥E200處理器核設(shè)計哲學(xué) 67
5.3　蜂鳥E200處理器核RTL代碼風(fēng)格介紹 68
5.4　蜂鳥E200模塊層次劃分 72
5.5　蜂鳥E200處理器核源代碼 73
5.6　蜂鳥E200處理器核配置選項 73
5.7　蜂鳥E200處理器核支持的RISC-V指令子集 74
5.8　蜂鳥E200處理器流水線結(jié)構(gòu) 74
5.9　蜂鳥E200處理器核頂層接口介紹 74
5.10　總結(jié) 77

第6章 流水線不是流水賬——蜂鳥E200流水線介紹 78
6.1　處理器流水線概述 79
6.2　處理器流水線中的亂序 83
6.3　處理器流水線中的反壓 84
6.4　處理器流水線中的沖突 84
6.5　蜂鳥E200處理器的流水線 86
6.6　總結(jié) 87

第7章 萬事開頭難嗎—— 一切從取指令開始 88
7.1　取指概述 89
7.2　RISC-V架構(gòu)特點對于取指的簡化 97
7.3　蜂鳥E200處理器的取指實現(xiàn) 101
7.4　總結(jié) 116

第8章 一鼓作氣，執(zhí)行力是關(guān)鍵——執(zhí)行 117
8.1　執(zhí)行概述 118
8.2　RISC-V架構(gòu)特點對于執(zhí)行的簡化 121
8.3　蜂鳥E200處理器的執(zhí)行實現(xiàn) 123

第9章 善始者實繁，克終者蓋寡——交付 161
9.1　處理器交付、取消、沖刷 162
9.2　RISC-V架構(gòu)特點對于交付的簡化 164
9.3　蜂鳥E200處理器交付硬件實現(xiàn) 164

第 10章 讓子彈飛一會兒——寫回 170
10.1　處理器的寫回 171
10.2　蜂鳥E200處理器的寫回硬件實現(xiàn) 171

第 11章 哈弗還是比亞迪——存儲器架構(gòu) 178
11.1　存儲器架構(gòu)概述 179
11.2　RISC-V架構(gòu)特點對于存儲器訪問指令的簡化 183
11.3　RISC-V架構(gòu)的存儲器相關(guān)指令 184
11.4　蜂鳥E200處理器存儲器子系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 185

第 12章 黑盒子的窗口——總線接口單元BIU 203

12.1　片上總線協(xié)議概述 204
12.2　自定義總線協(xié)議ICB 206
12.3　ICB總線的硬件實現(xiàn) 210
12.4　蜂鳥E200處理器核BIU 212
12.5　蜂鳥E200處理器SoC總線 214
12.6　總結(jié) 216

第 13章 不得不說的故事——中斷和異常 217

13.1　中斷和異常概述 218
13.2　RISC-V架構(gòu)異常處理機(jī)制 221
13.3　RISC-V架構(gòu)中斷定義 226
13.4　RISC-V架構(gòu)異常相關(guān)CSR寄存器 232
13.5　蜂鳥E200異常處理的硬件實現(xiàn) 232

第 14章 最不起眼的，其實是最難的——調(diào)試機(jī)制 246

14.1　調(diào)試機(jī)制概述 247
14.2　RISC-V架構(gòu)的調(diào)試機(jī)制 249
14.3　蜂鳥E200調(diào)試機(jī)制的硬件實現(xiàn) 251
第 15章 動如脫兔，靜若處子——低功耗的訣竅 260

15.1　處理器低功耗技術(shù)概述 261
15.2　RISC-V架構(gòu)的低功耗機(jī)制 265
15.3　蜂鳥E200低功耗機(jī)制的硬件實現(xiàn) 265
15.4　總結(jié) 275

第 16章 工欲善其事，必先利其器——RISC-V可擴(kuò)展協(xié)處理器 276

16.1　專用領(lǐng)域架構(gòu)DSA 277
16.2　RISC-V架構(gòu)的可擴(kuò)展性 278
16.3　蜂鳥E200的協(xié)處理器接口EAI 279
16.4　蜂鳥E200的協(xié)處理器參考示例 286

第三部分 使用Verilog進(jìn)行仿真和在FPGA SoC原型上運行軟件

第 17章 冒個煙先——運行Verilog仿真測試 292

17.1　E200開源項目的代碼層次結(jié)構(gòu) 293
17.2　E200開源項目的測試用例 294
17.3　E200開源項目的測試平臺（TestBench） 298
17.4　在Verilog TestBench中運行測試用例 299

第 18章 套上殼子上路——實現(xiàn)SoC和FPGA原型 302

18.1　Freedom E310 SoC簡介 303
18.2　HBird-E200-SoC簡介 304
18.3　HBird-E200-SoC FPGA原型平臺 311
18.4　蜂鳥E200專用FPGA開發(fā)板 320

第 19章 畫龍點睛——運行和調(diào)試軟件示例 321

19.1　Freedom-E-SDK平臺簡介 322
19.2　SIRV-E-SDK平臺簡介 323
19.3　使用SIRV-E-SDK運行示例程序 325
19.4　使用GDB和OpenOCD調(diào)試示例程序 328
19.5　Windows圖形化IDE開發(fā)工具 331

第 20章 是騾子是馬？拉出來遛遛——運行跑分程序 332

20.1　跑分程序簡介 333
20.2　Dhrystone簡介 333
20.3　運行Dhrystone Benchmark 335
20.4　CoreMark簡介 337
20.5　運行CoreMark Benchmark 338
20.6　總結(jié)與比較 340
附錄部分 RISC-V架構(gòu)詳述附錄A RISC-V架構(gòu)指令集介紹 342

附錄B RISC-V架構(gòu)CSR寄存器介紹 374

附錄C RISC-V架構(gòu)的PLIC介紹 384

附錄D 存儲器模型背景介紹 392

附錄E 存儲器原子操作指令背景介紹 397

附錄F RISC-V指令編碼列表 400

附錄G RISC-V偽指令列表 404