手把手教你RISC-VCPU上处理器设计CPU自主设计嵌入式开发蜂鸟E系列芯片

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*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。

胡振波，芯来科技*办人兼执行官，中*RISC-V*域的先行者，拥有丰富的处理器内核开发经验，曾长期*职于外企，担任处理器内核研发核心岗位负责人。其打造的*内RISC-V开源项目——蜂鸟E203，对*内RISC-V的普及和推广起到了巨大的推动作用。以胡振波为核心*办的芯来科技目前已经成为中*先行的RISC-V处理器内核IP和解决方案公司，推出的嵌入式CPU核系列产品处于中*RISC-V处理器研发与产业化的前列。

第 **分　CPU与RISC-V综述

第　*章 CPU之三生三世　2

*.*　眼看他起*楼，眼看他宴宾客，眼看他楼塌了—CPU众生相　3

*.*.*　ISA—CPU的灵魂　4

*.*.2　CISC架构与RISC架构　5

*.*.3　32位架构与64位架构　6

*.*.4　ISA众生相　6

*.*.5　CPU的*域之分　**

*.2　ISA请扛起这口锅—为什么*产CPU尚未足够成熟　*2

*.2.*　MIPS系—龙芯和君正　*2

*.2.2　x86系—北大众志、上海兆芯和天津海光　*3

*.2.3　Power系—中晟宏芯　*4

*.2.4　Alpha系—申威　*4

*.2.5　ARM系—飞腾、海思、展讯　*4

*.2.6　RISC-V系—平头哥、芯来科技　*6

*.2.7　背锅侠ISA　*6

*.3　人生已如此艰难，你又何*拆穿—CPU从业者的*奈　*8

*.4　*敌者是多么寂寞—ARM统治着的*　*9

*.4.*　*乐乐与众乐乐—ARM公司的盈利模式　*9

*.4.2　小个子有大力量—*处*在的Cortex-M系列　22

*.4.3　移动*者—Cortex-A系列在手持设备*域的巨大成功　23

*.4.4　进击的巨人—ARM进军PC与服务器*域的雄心　25

*.4.5　ARM当前发展　26

*.5　东边日出西边雨，道是*晴却有晴—RISC-V登场　26

*.5.*　缘起名校　26

*.5.2　兴于开源　27

*.5.3　本土发展　29

*.6　旧时*谢堂前燕，飞入寻常*姓家—你也可以设计自己的处理器　30

第　2章 大道*简—RISC-V架构之魂　3*

2.*　简单*是美—RISC-V架构的设计理念　32

2.*.*　*病*身轻—架构的篇幅　32

2.*.2　能屈能伸—模块化的指令集　34

2.*.3　浓缩的*是*华—指令的数量　34

2.2　RISC-V架构简介　35

2.2.*　模块化的指令集　35

2.2.2　可配置的通用寄存器组　36

2.2.3　规整的指令编码　36

2.2.4　简洁的存储器访问指令　37

2.2.5　*效的分支跳转指令　38

2.2.6　简洁的子程序调用　38

2.2.7　*条件码执行　39

2.2.8　*分支延迟槽　40

2.2.9　零开销硬件循环指令　40

2.2.*0　简洁的运算指令　40

2.2.**　*雅的压缩指令子集　4*

2.2.*2　*权模式　42

2.2.*3　CSR　42

2.2.*4　中断和异常　42

2.2.*5　P扩展指令子集　43

2.2.*6　矢量指令子集　43

2.2.*7　自定义指令扩展　43

2.2.*8　比较　43

2.3　RISC-V软件工具链　44

2.4　RISC-V和其他开放架构有何*同　47

2.4.*　平民英雄—OpenRISC　47

2.4.2　豪门显贵—SPARC　48

2.4.3　身出*—MIPS　48

2.4.4　名校*生—RISC-V　49

第3章　乱花渐欲迷人眼—盘点RISC-V商业版本与开源版本　50

3.*　各商业版本与开源版本综述　5*

3.*.*　Rocket Core　5*

3.*.2　BOOM Core　53

3.*.3　Freedom E3*0 SoC　54

3.*.4　LowRISC SoC　54

3.*.5　PULPino Core与SoC　54

3.*.6　PicoRV32 Core　55

3.*.7　SCR* Core　56

3.*.8　ORCA Core　56

3.*.9　Andes Core　56

3.*.*0　Microsemi Core　56

3.*.**　Codasip Core　57

3.*.*2　Nuclei Core　57

3.*.*3　蜂鸟E203处理器核与SoC　58

3.2　小结　59

第4章　开源RISC-V—蜂鸟E203处理器核与SoC　60

4.*　与众*同的蜂鸟E203处理器　6*

4.2　蜂鸟E203处理器简介—蜂鸟虽小，五脏俱*　62

4.3　蜂鸟E203处理器的性能指标　64

4.4　蜂鸟E203处理器的配套SoC　64

4.5　蜂鸟E203处理器的配置选项　66

第二*分　手把手教你使用Verilog设计CPU

第5章　先见森林，后观树木—蜂鸟E203处理器核设计总览和*层　70

5.*　处理器硬件设计概述　7*

5.*.*　架构和微架构　7*

5.*.2　CPU、处理器、Core和处理器核　7*

5.*.3　处理器设计和验证　7*

5.2　蜂鸟E203处理器核的设计理念　72

5.3　蜂鸟E203处理器核的RTL代码风格　73

5.3.*　使用标准DFF模块例化生成寄存器　73

5.3.2　推荐使用assign语法替代if-else和case语法　75

5.3.3　其他若干注意事项　77

5.4　蜂鸟E203模块层次划分　77

5.5　蜂鸟E203处理器核的源代码　78

5.6　蜂鸟E203处理器核的配置选项　78

5.7　蜂鸟E203处理器核支持的RISC-V指令子集　79

5.8　蜂鸟E203处理器核的流水线结构　79

5.9　蜂鸟E203处理器核的*层接口　79

5.*0　小结　82

第6章　流水线*是流水账—蜂鸟E203处理器核流水线　83

6.*　处理器流水线概述　84

6.*.*　从*的5级流水线说起　84

6.*.2　可否*要流水线—流水线和状态机的关系　86

6.*.3　深处种菱浅种稻，*深*浅种荷花—流水线的深度　86

6.*.4　向上生长—越来越深的流水线　87

6.*.5　向下生长—越来越浅的流水线　88

6.2　处理器流水线中的乱序　88

6.3　处理器流水线中的反压　88

6.4　处理器流水线中的冲突　89

6.4.*　流水线中的资源冲突　89

6.4.2　流水线中的数据冲突　90

6.5　蜂鸟E203处理器的流水线　9*

6.5.*　流水线总体结构　9*

6.5.2　流水线中的冲突　92

6.6　小结　92

第7章　万事开头难— *切从取指令开始　93

7.*　取指概述　94

7.*.*　取指*点　94

7.*.2　如何快速取指　95

7.*.3　如何处理地址*对齐的指令　96

7.*.4　如何处理分支指令　97

7.2　RISC-V架构*点对于取指的简化　*02

7.2.*　规整的指令编码格式　*02

7.2.2　指令长度指示码放于低位　*02

7.2.3　简单的分支跳转指令　*03

7.2.4　没有分支延迟槽指令　*04

7.2.5　提供明确的静态分支预测依据　*05

7.2.6　提供明确的RAS依据　*05

7.3　蜂鸟E203处理器的取指实现　*06

7.3.*　IFU总体设计思路　*06

7.3.2　简单译码　*08

7.3.3　简单BPU　**0

7.3.4　PC生成　**4

7.3.5　访问ITCM和BIU　**6

7.3.6　ITCM　*20

7.3.7　BIU　*20

7.4　小结　*2*

第8章　*鼓作气，执行力是关键—执行　*22

8.*　执行概述　*23

8.*.*　指令译码　*23

8.*.2　指令执行　*23

8.*.3　流水线的冲突　*24

8.*.4　指令的交付　*24

8.*.5　指令发射、派遣、执行、写回的顺序　*24

8.*.6　分支解析　*26

8.2　RISC-V架构的*点对于执行的简化　*26

8.2.*　规整的指令编码格式　*27

8.2.2　*雅的*6位指令　*27

8.2.3　*简的指令个数　*27

8.2.4　整数指令的操作数个数是*或2　*27

8.3　蜂鸟E203处理器的执行实现　*27

8.3.*　执行指令列表　*28

8.3.2　EXU总体设计思路　*28

8.3.3　译码　*29

8.3.4　整数通用寄存器组　*35

8.3.5　CSR　*38

8.3.6　指令发射、派遣　*39

8.3.7　流水线冲突、长指令和OITF　*43

8.3.8　ALU　*49

8.3.9　交付　*62

8.3.*0　写回　*62

8.3.**　协处理器扩展　*62

8.4　小结　*63

第9章　善始者实繁，克*者盖寡—交付　*64

9.*　处理器中指令的交付、取消、冲刷　*65

9.*.*　指令交付、取消、冲刷　*65

9.*.2　指令交付的常见实现策略　*66

9.2　RISC-V架构*点对于交付的简化　*66

9.3　蜂鸟E203处理器中指令交付的硬件实现　*67

9.3.*　分支预测指令的处理　*68

9.3.2　中断和异常的处理　*7*

9.3.3　多周期执行的指令的交付　*7*

9.4　小结　*72

第　*0章 让子弹飞*会儿—写回　*73

*0.*　处理器的写回　*74

*0.*.*　处理器写回功能简介　*74

*0.*.2　处理器常见写回策略　*74

*0.2　蜂鸟E203处理器的写回硬件实现　*74

*0.2.*　最*写回仲裁　*75

*0.2.2　OITF模块和长指令写回仲裁模块　*76

*0.3　小结　*79

第　**章 哈弗还是比亚迪—存储器　*8*

**.*　存储器概述　*82

**.*.*　谁说处理器*定要有缓存　*82

**.*.2　处理器*定要有存储器　*83

**.*.3　ITCM和DTCM　*85

**.2　RISC-V架构*点对于存储器访问指令的简化　*86

**.2.*　*支持小端格式　*86

**.2.2　*地址自增/自减模式　*86

**.2.3　**次读多个数据和*次写多个数据的指令　*86

**.3　RISC-V架构的存储器访问指令　*87

**.3.*　存储器读和写指令　*87

**.3.2　fence指令和fence.i指令　*87

**.3.3　A扩展指令集　*87

**.4　蜂鸟E203处理器核的存储器子系统硬件实现　*88

**.4.*　存储器子系统总体设计思路　*88

**.4.2　AGU　*88

**.4.3　LSU　*93

**.4.4　ITCM和DTCM　*95

**.4.5　A扩展指令集的硬件实现　*98

**.4.6　fence与fence.i指令的硬件实现　202

**.4.7　BIU　204

**.4.8　ECC　204

**.5　小结　204

第　*2章 黑盒子的窗口—总线接口单元　205

*2.*　片上总线协议概述　206

*2.*.*　AXI　206

*2.*.2　AHB　206

*2.*.3　APB　207

*2.*.4　TileLink　207

*2.*.5　总结比较　207

*2.2　自定义总线协议ICB　208

*2.2.*　ICB协议简介　208

*2.2.2　ICB协议信号　209

*2.2.3　ICB协议的时序　209

*2.3　ICB的硬件实现　2*4

*2.3.*　*主多从　2*4

*2.3.2　多主*从　2*5

*2.3.3　多主多从　2*6

*2.4　蜂鸟E203处理器核BIU　2*7

*2.4.*　BIU简介　2*7

*2.4.2　BIU的微架构　2*8

*2.4.3　BIU的源代码　2*8

*2.5　蜂鸟E203处理器SoC总线　2*9

*2.5.*　SoC总线简介　2*9

*2.5.2　SoC总线的微架构　220

*2.5.3　SoC总线的源代码　220

*2.6　小结　22*

第　*3章 *得*说的故事—中断和异常　222

*3.*　中断和异常概述　223

*3.*.*　中断概述　223

*3.*.2　异常概述　224

*3.*.3　广义上的异常　224

*3.2　RISC-V架构异常处理机制　226

*3.2.*　进入异常　226

*3.2.2　退出异常　229

*3.2.3　异常服务程序　230

*3.3　RISC-V架构中断定义　23*

*3.3.*　中断类型　23*

*3.3.2　中断屏蔽　233

*3.3.3　中断等待　233

*3.3.4　中断*先级与仲裁　234

*3.3.5　中断嵌套　235

*3.4　RISC-V架构中与中断和异常相关的CSR　236

*3.5　蜂鸟E203处理器中异常处理的硬件实现　236

*3.5.*　蜂鸟E203处理器的异常和中断实现要点　236

*3.5.2　蜂鸟E203处理器支持的中断和异常类型　237

*3.5.3　蜂鸟E203处理器对mepc寄存器的处理　237

*3.5.4　蜂鸟E203处理器的中断接口　238

*3.5.5　蜂鸟E203处理器CLINT微架构及源代码分析　239

*3.5.6　蜂鸟E203处理器PLIC微架构及源代码分析　242

*3.5.7　蜂鸟E203处理器中交付模块对中断和异常的处理　244

*3.6　小结　248

第　*4章 最*起眼的其实是最难的—调试机制　249

*4.*　调试机制概述　250

*4.*.*　交互调试概述　250

*4.*.2　跟踪调试概述　252

*4.2　RISC-V架构的调试机制　252

*4.2.*　调试器软件的实现　253

*4.2.2　调试模式　253

*4.2.3　调试指令　254

*4.2.4　调试模式下的CSR　254

*4.2.5　调试中断　254

*4.3　蜂鸟E203处理器中的调试机制　254

*4.3.*　蜂鸟E203处理器中的交互式调试　254

*4.3.2　DTM　255

*4.3.3　硬件调试模块　256

*4.3.4　调试中断处理　259

*4.3.5　调试模式下CSR的实现　260

*4.3.6　调试机制指令的实现　26*

*4.4　小结　262

第　*5章 动如脱兔，静若处子—低功耗的诀窍　263

*5.*　处理器低功耗技术概述　264

*5.*.*　软件层面的低功耗　264

*5.*.2　系统层面的低功耗　264

*5.*.3　处理器层面的低功耗　265

*5.*.4　模块和单元层面的低功耗　265

*5.*.5　寄存器层面的低功耗　266

*5.*.6　锁存器层面的低功耗　267

*5.*.7　SRAM层面的低功耗　267

*5.*.8　组合逻辑层面的低功耗　267

*5.*.9　工艺层面的低功耗　268

*5.2　RISC-V架构的低功耗机制　268

*5.3　蜂鸟E203处理器低功耗机制的硬件实现　268

*5.3.*　蜂鸟E203处理器在系统层面的低功耗　268

*5.3.2　蜂鸟E203处理器层面的低功耗　270

*5.3.3　蜂鸟E203处理器在单元层面的低功耗　272

*5.3.4　蜂鸟E203处理器在寄存器层面的低功耗　272

*5.3.5　蜂鸟E203处理器在锁存器层面的低功耗　275

*5.3.6　蜂鸟E203处理器在SRAM层面的低功耗　276

*5.3.7　蜂鸟E203处理器在组合逻辑层面的低功耗　277

*5.3.8　蜂鸟E203处理器在工艺层面的低功耗　278

*5.4　小结　278

第　*6章 工欲善其事，*先利其器—RISC-V可扩展协处理器　279

*6.*　*域*定架构　280

*6.2　RISC-V架构的可扩展性　28*

*6.2.*　RISC-V架构的预留指令编码空间　28*

*6.2.2　RISC-V架构的预定义指令　282

*6.3　蜂鸟E203处理器的协处理器扩展机制—NICE　282

*6.3.*　NICE指令的编码　282

*6.3.2　NICE协处理器的接口信号　283

*6.3.3　NICE协处理器的流水线接口　284

*6.3.4　NICE协处理器的存储器接口　285

*6.3.5　NICE协处理器的接口时序　286

*6.4　蜂鸟E203处理器的协处理器参考示例　290

*6.4.*　示例协处理器的实现需求　290

*6.4.2　示例协处理器的自定义指令　29*

*6.4.3　示例协处理器的硬件实现　292

*6.4.4　示例协处理器的软件驱动　292

*6.4.5　示例协处理器的性能分析　294

第三*分　开发实战

第　*7章 先冒个烟—运行Verilog仿真测试　298

*7.*　E203开源项目的代码层次结构　299

*7.2　E203开源项目的测试用例　300

*7.2.*　riscv-tests自测试用例　300

*7.2.2　编译ISA自测试用例　30*

*7.3　E203 开源项目的测试平台　304

*7.4　在测试平台中运行测试用例　304

第　*8章 套上壳子上路—更多实践　308

附录A　RISC-V架构的指令集　3**

附录B　RISC-V架构的CSR　34*

附录C　RISC-V架构的PLIC　35*

附录D　存储器模型背景　359

附录E　存储器原子操作指令背景　364

附录F　RISC-V指令编码列表　367

附录G　RISC-V伪指令列表　374