《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器》终于出版！

在摩尔定律减缓的今天，一味比拼硬件性能的技术竞赛变得越发艰难。然而性能提升的最终目的是满足应用，如何在现有的能力下最大程度地满足数以千万计的不同应用的需求，就成了当今处理器行业要面对的重要问题。RISC-V站在了时代的风口，其作为一种开源架构的出现必将对芯片产业产生深远的影响。硬件芯片的开源不再是一个噱头，而是变成了一种刚需。蜂鸟E200作为中国本土较早开源的RISC-V芯片，也将对国内的相关产业发展起到巨大的推动作用，为国内公司抓住物联网风口的***展而助力。开源即透明，透明即可控。自主可控也是国家信息安全的保障，由国内公司自主研发并开源的RISC-V处理器，也为国家信息安全领域的应用提供了多一种选择。

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RISC-V是什么？

RISC-V架构主要由伯克利大学的Krste Asanovic教授、Andrew Waterman和Yunsup Lee等开发人员于2010年发明，并且得到了计算机体系结构领域的泰斗David Patterson的大力支持。伯克利大学的开发人员之所以发明一套新的指令集架构，而不是使用成熟的x86或者ARM架构，是因为这些架构经过多年的发展变得极为复杂和冗繁，并且存在着高昂的专利和架构授权问题。并且修改ARM处理器的RTL代码是不被支持的，而x86处理器的源代码根本不可能获得到。其他的开源架构（譬如SPARC、OpenRISC）均有着或多或少的问题（第2章将详细论述）。有感于计算机体系结构和指令集架构已经过数十年的发展非常成熟，但是像伯克利大学这样的研究机构竟然“无米下锅”（选择不出合适的指令集架构供其使用）。伯克利大学的教授与研发人员决定发明一种全新的、简单且开放免费的指令集架构，于是RISC-V架构诞生了。

有关RISC-V的诞生，有兴趣的读者可以自行到网络中查阅文章《伯克利希望将RISC-V开源架构推向主流》。

RISC-V（英文读作“risk-five”），是一种全新的指令集架构。“V”包含两层意思，一是这是Berkeley从RISC I开始设计的第五代指令集架构；二是它代表了变化（Variation）和向量（Vectors）。

经过几年的开发，伯克利大学为RISC-V架构开发除了完整的软件工具链以及若干开源的处理器实例，得到越来越多的人的关注。2016年，RISC-V基金会（Foundation）正式成立开始运作。RISC-V基金会是一个非盈利性的组织，负责维护标准的RISC-V指令集手册与架构文档，并推动RISC-V架构的发展。

RISC-V架构的目标如下。

• 成为一种完全开放的指令集，可以被任何学术机构或商业组织所自由使用。

• 成为一种真正适合硬件实现且稳定的标准指令集。

RISC-V基金会负责维护标准的RISC-V架构文档和编译器等CPU所需的软件工具链，任何组织和个人可以随时在RISC-V基金会网站上免费下载（无需注册）。

RISC-V的推出以及基金会的成立，受到了学术界与工业界的巨大欢迎。著名的科技行业分析公司Linley Group 将RISC-V评为“2016年最佳技术”，如图1所示。

图1 RISC-V架构标志图

开放而免费的RISC-V架构诞生，不仅对于高校与研究机构是个好消息；为前期资金缺乏的创业公司、或成本极其敏感的产品、或对现有软件生态依赖不大的领域，都提供了另外一种选择，而且得到了业界主要科技公司的拥戴，包括谷歌、惠普、Oracle和西部数据等硅谷巨头都是RISC-V基金会的创始会员，如图2所示。众多的芯片公司已经开始使用（譬如，三星、英伟达等）或者计划使用RISC-V开发其自有的处理器用于其产品。

图2  RISC-V基金会创始会员，铂金、金、银级会员图谱

RISC-V基金会组织每年举行两次公开的专题讨论会（Workshop），以促进RISC-V阵营的交流与发展，任何组织和个人均可以从RISC-V基金会的网站上下载到每次Workshop上演示的PPT与文档。RISC-V第六次Workshop于2017年5月在中国的上海交大举办，如图3所示，吸引了大批的中国公司和爱好者参与。

图3 上海交通大学举办的RISC-V第六次Workshop 

由于许多现在主流的计算机体系结构英文教材（譬如，计算机体系结构量化研究方法、计算机组成与设计等）的作者本身也是RISC-V架构的发起者，因此这些英文教材都相继推出了以RISC-V架构为基础的新版本教材，如图4所示。这意味着美国的大多数高校都将开始采用RISC-V作为教学范例，也意味着若干年后的高校毕业生都将对RISC-V架构非常熟知。

图4 经典教材计算机组成与设计最新版本

但是，一款指令集架构（ISA）最终能否取得成功，很大程度上取决于软件生态环境。罗马不是一天建成的，x86与ARM架构经过多年的经营，构建了城宽池阔的软件生态环境，可以说是兵精粮足，非常强大。因此，作者认为RISC-V架构在短时间内还无法对x86和ARM架构形成撼动。但是随着越来越多的公司和项目开始采用RISC-V架构的处理器，相信RISC-V的软件生态也会逐步壮大起来。

本书讲的是什么？

本书是一本介绍通用CPU设计的入门书，以通俗的语言系统介绍了CPU和RISC-V架构，力求为读者揭开CPU设计的神秘面纱，打开计算机体系结构的大门。 

本书共分为四部分。第一部分是CPU与RISC-V的综述，帮助初学者对CPU和RISC-V快速地建立起认识。第二部分讲解如何使用Verilog设计CPU，使读者掌握处理器核的设计精髓。第三部分主要介绍蜂鸟E203配套的SoC和软件平台，使读者实现蜂鸟E203 RISC-V处理器在FPGA原型平台上的运行。第四部分是附录，介绍了RISC-V指令集架构，辅以作者加入的背景知识解读和注解，以便于读者理解。 

本书不仅适合CPU或芯片设计相关从业者阅读使用，也适合作为大中专院校相关师生学习RISC-V处理器设计（使用Verilog语言）和CPU设计的指导用书。 

本书作者

胡振波，上海交通大学电子工程系本科、微电子学院硕士。拥有业界多年ASIC和CPU设计与验证经验，先后在Marvell任职ARM架构CPU设计高级工程师、在Synopsys任职研发经理、在比特大陆任职IC设计总监、在武汉聚芯微电子任职架构师，现致力于推动RISC-V架构在国内的传播和发展。

 本书评价

面对新兴指令集标准RISC-V，很多人还在观望和比较。本书作者却“行胜于言”，完成了商业级水准的蜂鸟处理器，本书是你不得不读的RISC-V入门书籍和实践指南！  

—— 景略半导体设计总监、RISC-V爱好者和推广者 郭雄飞 

这本书介绍了当今CPU，尤其是RISC-V的最新技术和成果，还给出了设计实例（蜂鸟E200）。内容上高屋建瓴，文采飞扬，深入浅出，是国内不可多得的理论联系实际、全面介绍CPU及芯片设计的好书，相信会对读者有所裨益！  

—— 中科院“百人计划”海外引进杰出人才、物联网芯片设计公司创始人 胡国荣 

这是国内较早关于RISC-V的著作，作者结合自己多年的处理器设计经验，以全新的视角分析介绍了RISC-V指令集和架构设计要点，是一本非常有价值的书！作者提供的开源RISC-V处理器设计和SoC平台，无论对于国内的高校、研究机构，还是相关开发的公司来说，都是难得的第一手资料。感谢作者为新一代处理器的推广和实践所做出的贡献，也希望本书读者能够体会到RISC-V处理器设计的精髓！  

—— 上海交通大学微电子学院 助理研究员 蒋剑飞 

开源在软件世界普及之后，也开始进入硬件世界。RISC-V开源精简指令集经过了几年的积累后，在2017年步入了快车道，获得了众多知名芯片公司和操作系统的支持。和ARM的过往一样，展望未来，RISC-V将会成为芯片市场上一股不可忽视的力量。对于想了解此技术的开发者来说，本书绝对是首选。希望大家不要错过这本书，错过一个时代。  

——半导体行业观察 执行主编 李寿鹏 

当拿到这本书的书稿时，作为作者多年的朋友和同事，我由衷地为他感到开心。作者以RISC-V处理器为出发点，言简意赅地对CPU基础知识、指令集架构，软件工具链等核心技术做了原理阐述，并以他自己开发的开源RISC-V处理器（蜂鸟E200）为例，深入浅出地介绍了该处理器微架构以及具体硬件实现，包括流水线结构、Memory结构、总线协议、中断异常和调试器等。作者用通俗易懂的写作方式，结合切实的例子，充分剖析了CPU设计的全过程。本书是作者长期工作实践中总结出来的经验宝典，相信对很多CPU设计爱好者以及想从事相关工作的读者会有非常大的帮助。对于很多在校的EECS学生来说，这也将是一本不可多得的指导用书。  

——Synopsys公司 ARC处理器高级研发经理 彭剑英 

这本书以简练朴素的语言描述了RISC-V处理器架构的完整设计实践，其中既有对处理器体系结构简练而不失全面的总结对比，又有RISC-V处理器及软硬系统设计的诸多细节。“小小麻雀，五脏俱全”，书中内容反映着作者对本领域的深刻理解和亲身实验，值得学习借鉴。初识本书作者是在处理器设计架构的研讨会中，他勤勉务实的作风给人留下了深刻的印象，我想也影响着本书的行文和风格，值得学习。   

——国防科技大学 教授 姜晶菲 

RISC-V处理器已经在工业界大放异彩，预计不久之后在“微机原理”和“计算机体系结构”课程中讲解RISC-V将像在“操作系统”课程中讲解Linux一样成为主流。本书作者领导的团队开源了“蜂鸟E203”处理器，并提供了完整的开发环境，为读者搭建了从RISC-V理论学习过渡到工程实践的桥梁。本书不仅深入地诠释了项目代码，而且凝聚了作者多年从事CPU设计工作的经验与感悟。对于电子类和计算机类专业的师生、CPU技术爱好者和从业者来说，本书极具参考价值！  

——天津大学电气自动化与信息工程学院 副教授 吕卫 

本书介绍的蜂鸟E203 RISC-V处理器核，“蜂鸟虽小，五脏俱全”。本书不仅适合作为大中专院校师生学习RISC-V处理器设计（使用Verilog语言）的教学或自学案例，而且在IoT领域也会大有可为。结合该处理器实例与作者多年的CPU设计经验与心得，本书用通俗易懂的语言，为读者轻松揭开了CPU设计的神秘面纱，非常适合作为大中专院校师生学习RISC-V和CPU设计的教学书籍。  

——华中科技大学微电子工程系 副教授 郑朝霞 

本书非常全面地介绍了RISC-V开发所需的知识点，内容丰富，实用性非常强，并且详尽地介绍了RISC-V的架构设计和性能优化方面的内容，必将成为RISC-V开发者的必备。我打算用本书和蜂鸟E200作为学生的课程学习资料，相信大家会有所收获。  

——西安邮电大学 高工、博士 焦继业 

长期以来，由于商用处理器IP核高昂的授权费用和商业保密因素的影响，商用处理器微体系结构总是“秘不示人”。这导致大量学习者只能从框图和体系结构仿真软件上去学习“概念化”的处理器微体系结构，与实战差距较大。而本书作者研发的蜂鸟E200开源处理器是中国较早的基于RISC-V指令集开发的开源处理器。在本书中，作者以蜂鸟E200处理器为例，介绍了从处理器微体系结构到片上系统设计的相关知识。更为可贵的是，作者是以“集成电路设计视角”，而非“计算机系统结构视角”来介绍这些知识的，这样的知识组织结构更加符合集成电路设计从业人员的学习习惯和思考方式。因此，这本书对于从事数字集成电路设计的工程师、高校教师以及相关专业的学生是一本难得的参考书籍。  

——电子科技大学电子科学与工程学院 副教授 黄乐天 

有幸同本书作者共事过一年，每每被他的知识面之广博所折服。今日读到此书，更加佩服！RISC-V在需要低功耗和可配置性的场合有强大的生命力，在IoT领域以及高性能定制（例如AI加速）芯片领域即将大放异彩，此书来得非常及时！如果您是硬件背景的工程师，此书可以让您快速上手RISC-V，增强自身的竞争力。如果您是软件背景的工程师，此书轻松易懂，可以替代Computer Systems: A Programmer's Perspective（《深入理解计算机系统》）一书，让您了解计算机系统的底层是如何工作的。  

——北京比特大陆 资深芯片和CPU设计专家 王逵 

2018年，在meltdown和spectre两大芯片设计的漏洞爆发之后，我愈加感觉到一个程序员了解和理解处理器的设计原理和工作机制是多么的必要。这是一本能让你学习到上述知识的好书，所有程序员都应该读一读。  

——《奔跑吧Linux内核》作者 笨叔叔 

如何购买？

《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》

胡振波 著

(2018年5月出版)

本书是一本介绍通用CPU设计的入门书，以通俗的语言系统介绍了CPU和RISC-V架构，力求为读者揭开CPU设计的神秘面纱，打开计算机体系结构的大门。 

本书共分为四部分。第一部分是CPU与RISC-V的综述，帮助初学者对CPU和RISC-V快速地建立起认识。第二部分讲解如何使用Verilog设计CPU，使读者掌握处理器核的设计精髓。第三部分主要介绍蜂鸟E203配套的SoC和软件平台，使读者实现蜂鸟E203 RISC-V处理器在FPGA原型平台上的运行。第四部分是附录，介绍了RISC-V指令集架构，辅以作者加入的背景知识解读和注解，以便于读者理解。

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