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

05-22

來自專欄非同步圖書

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——非同步小編

在摩爾定律減緩的今天，一味比拼硬體性能的技術競賽變得越發艱難。然而性能提升的最終目的是滿足應用，如何在現有的能力下最大程度地滿足數以千萬計的不同應用的需求，就成了當今處理器行業要面對的重要問題。RISC-V站在了時代的風口，其作為一種開源架構的出現必將對晶元產業產生深遠的影響。硬體晶元的開源不再是一個噱頭，而是變成了一種剛需。蜂鳥E200作為中國本土較早開源的RISC-V晶元，也將對國內的相關產業發展起到巨大的推動作用，為國內公司抓住物聯網風口的大發展而助力。開源即透明，透明即可控。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，也為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，我的中國「芯」，手把手教你設計CPU，引起了讀者的強烈反響，5月這本講解RISC-V晶元的圖書終於出版，他就是《手把手教你設計CPU——RISC-V處理器》，助力國產晶元這本書不可錯過。?

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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，並且得到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所以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，是因為這些架構經過多年的發展變得極為複雜和冗繁，並且存在著高昂的專利和架構授權問題。並且修改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獲得到。其他的開源架構（譬如SPARC、OpenRISC）均有著或多或少的問題（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經過數十年的發展非常成熟，但是像伯克利大學這樣的研究機構竟然「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，於是RISC-V架構誕生了。

有關RISC-V的誕生，有興趣的讀者可以自行到網路中查閱文章《伯克利希望將RISC-V開源架構推向主流》。

RISC-V（英文讀作「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；二是它代表了變化（Variation）和向量（Vectors）。

經過幾年的開發，伯克利大學為RISC-V架構開發除了完整的軟體工具鏈以及若干開源的處理器實例，得到越來越多的人的關注。2016年，RISC-V基金會（Foundation）正式成立開始運作。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，並推動RISC-V架構的發展。

RISC-V架構的目標如下。

成為一種完全開放的指令集，可以被任何學術機構或商業組織所自由使用。
成為一種真正適合硬體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所需的軟體工具鏈，任何組織和個人可以隨時在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評為「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，不僅對於高校與研究機構是個好消息；為前期資金缺乏的創業公司、或成本極其敏感的產品、或對現有軟體生態依賴不大的領域，都提供了另外一種選擇，而且得到了業界主要科技公司的擁戴，包括谷歌、惠普、Oracle和西部數據等矽谷巨頭都是RISC-V基金會的創始會員，如圖2所示。眾多的晶元公司已經開始使用（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，任何組織和個人均可以從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

由於許多現在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）的作者本身也是RISC-V架構的發起者，因此這些英文教材都相繼推出了以RISC-V架構為基礎的新版本教材，如圖4所示。這意味著美國的大多數高校都將開始採用RISC-V作為教學範例，也意味著若干年後的高校畢業生都將對RISC-V架構非常熟知。

?圖4 經典教材計算機組成與設計最新版本

但是，一款指令集架構（ISA）最終能否取得成功，很大程度上取決於軟體生態環境。羅馬不是一天建成的，x86與ARM架構經過多年的經營，構建了城寬池闊的軟體生態環境，可以說是兵精糧足，非常強大。因此，作者認為RISC-V架構在短時間內還無法對x86和ARM架構形成撼動。但是隨著越來越多的公司和項目開始採用RISC-V架構的處理器，相信RISC-V的軟體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，力求為讀者揭開CPU設計的神秘面紗，打開計算機體系結構的大門。

本書共分為四部分。第一部分是CPU與RISC-V的綜述，幫助初學者對CPU和RISC-V快速地建立起認識。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和軟體平台，使讀者實現蜂鳥E203 RISC-V處理器在FPGA原型平台上的運行。第四部分是附錄，介紹了RISC-V指令集架構，輔以作者加入的背景知識解讀和註解，以便於讀者理解。

本書不僅適合CPU或晶元設計相關從業者閱讀使用，也適合作為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。

本書作者

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，先後在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，現致力於推動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，很多人還在觀望和比較。本書作者卻「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，尤其是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，深入淺出，是國內不可多得的理論聯繫實際、全面介紹CPU及晶元設計的好書，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、物聯網晶元設計公司創始人胡國榮

這是國內較早關於RISC-V的著作，作者結合自己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，是一本非常有價值的書！作者提供的開源RISC-V處理器設計和SoC平台，無論對於國內的高校、研究機構，還是相關開發的公司來說，都是難得的第一手資料。感謝作者為新一代處理器的推廣和實踐所做出的貢獻，也希望本書讀者能夠體會到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

開源在軟體世界普及之後，也開始進入硬體世界。RISC-V開源精簡指令集經過了幾年的積累後，在2017年步入了快車道，獲得了眾多知名晶元公司和操作系統的支持。和ARM的過往一樣，展望未來，RISC-V將會成為晶元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說，本書絕對是首選。希望大家不要錯過這本書，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，作為作者多年的朋友和同事，我由衷地為他感到開心。作者以RISC-V處理器為出發點，言簡意賅地對CPU基礎知識、指令集架構，軟體工具鏈等核心技術做了原理闡述，並以他自己開發的開源RISC-V處理器（蜂鳥E200）為例，深入淺出地介紹了該處理器微架構以及具體硬體實現，包括流水線結構、Memory結構、匯流排協議、中斷異常和調試器等。作者用通俗易懂的寫作方式，結合切實的例子，充分剖析了CPU設計的全過程。本書是作者長期工作實踐中總結出來的經驗寶典，相信對很多CPU設計愛好者以及想從事相關工作的讀者會有非常大的幫助。對於很多在校的EECS學生來說，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」，書中內容反映著作者對本領域的深刻理解和親身實驗，值得學習借鑒。初識本書作者是在處理器設計架構的研討會中，他勤勉務實的作風給人留下了深刻的印象，我想也影響著本書的行文和風格，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，預計不久之後在「微機原理」和「計算機體系結構」課程中講解RISC-V將像在「操作系統」課程中講解Linux一樣成為主流。本書作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，為讀者搭建了從RISC-V理論學習過渡到工程實踐的橋樑。本書不僅深入地詮釋了項目代碼，而且凝聚了作者多年從事CPU設計工作的經驗與感悟。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說，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」。本書不僅適合作為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，而且在IoT領域也會大有可為。結合該處理器實例與作者多年的CPU設計經驗與心得，本書用通俗易懂的語言，為讀者輕鬆揭開了CPU設計的神秘面紗，非常適合作為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

本書非常全面地介紹了RISC-V開發所需的知識點，內容豐富，實用性非常強，並且詳盡地介紹了RISC-V的架構設計和性能優化方面的內容，必將成為RISC-V開發者的必備。我打算用本書和蜂鳥E200作為學生的課程學習資料，相信大家會有所收穫。

——西安郵電大學高工、博士焦繼業

長期以來，由於商用處理器IP核高昂的授權費用和商業保密因素的影響，商用處理器微體系結構總是「秘不示人」。這導致大量學習者只能從框圖和體系結構模擬軟體上去學習「概念化」的處理器微體系結構，與實戰差距較大。而本書作者研發的蜂鳥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，作者以蜂鳥E200處理器為例，介紹了從處理器微體系結構到片上系統設計的相關知識。更為可貴的是，作者是以「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。因此，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難得的參考書籍。

——電子科技大學電子科學與工程學院副教授黃樂天

有幸同本書作者共事過一年，每每被他的知識面之廣博所折服。今日讀到此書，更加佩服！RISC-V在需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）晶元領域即將大放異彩，此書來得非常及時！如果您是硬體背景的工程師，此書可以讓您快速上手RISC-V，增強自身的競爭力。如果您是軟體背景的工程師，此書輕鬆易懂，可以替代Computer Systems: A Programmers Perspective（《深入理解計算機系統》）一書，讓您了解計算機系統的底層是如何工作的。

——北京比特大陸資深晶元和CPU設計專家王逵

2018年，在meltdown和spectre兩大晶元設計的漏洞爆發之後，我愈加感覺到一個程序員了解和理解處理器的設計原理和工作機制是多麼的必要。這是一本能讓你學習到上述知識的好書，所有程序員都應該讀一讀。

——《奔跑吧Linux內核》作者笨叔叔

如何購買？

?《手把手教你設計CPU——RISC-V處理器篇》

胡振波著

(2018年5月出版)

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，力求為讀者揭開CPU設計的神秘面紗，打開計算機體系結構的大門。

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