手把手教你RISC-V CPU 处理器设计（上）

第 一部分　CPU与RISC-V综述

第　1章 CPU之三生三世　2
1．1　眼看他起高楼，眼看他宴宾客，眼看他楼塌了—CPU众生相　3
1．1．1　ISA—CPU的灵魂　4
1．1．2　CISC架构与RISC架构　5
1．1．3　32位架构与64位架构　6
1．1．4　ISA众生相　6
1．1．5　CPU的领域之分　11
1．2　ISA请扛起这口锅—为什么国产CPU尚未足够成熟　12
1．2．1　MIPS系—龙芯和君正　12
1．2．2　x86系—北大众志、上海兆芯和天津海光　13
1．2．3　Power系—中晟宏芯　14
1．2．4　Alpha系—申威　14
1．2．5　ARM系—飞腾、海思、展讯　14
1．2．6　RISC-V系—平头哥、芯来科技　16
1．2．7　背锅侠ISA　16
1．3　人生已如此艰难，你又何必拆穿—CPU从业者的无奈　18
1．4　无敌者是多么寂寞—ARM统治着的世界　19
1．4．1　独乐乐与众乐乐—ARM公司的盈利模式　19
1．4．2　小个子有大力量—无处不在的Cortex-M系列　22
1．4．3　移动王者—Cortex-A系列在手持设备领域的巨大成功　23
1．4．4　进击的巨人—ARM进军PC与服务器领域的雄心　25
1．4．5　ARM当前发展　26
1．5　东边日出西边雨，道是无晴却有晴—RISC-V登场　26
1．5．1　缘起名校　26
1．5．2　兴于开源　27
1．5．3　本土发展　29
1．6　旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家—你也可以设计自己的处理器　30
第　2章 大道至简—RISC-V架构之魂　31
2．1　简单就是美—RISC-V架构的设计理念　32
2．1．1　无病一身轻—架构的篇幅　32
2．1．2　能屈能伸—模块化的指令集　34
2．1．3　浓缩的都是精华—指令的数量　34
2．2　RISC-V架构简介　35
2．2．1　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　高效的分支跳转指令　38
2．2．6　简洁的子程序调用　38
2．2．7　无条件码执行　39
2．2．8　无分支延迟槽　40
2．2．9　零开销硬件循环指令　40
2．2．10　简洁的运算指令　40
2．2．11　优雅的压缩指令子集　41
2．2．12　特权模式　42
2．2．13　CSR　42
2．2．14　中断和异常　42
2．2．15　P扩展指令子集　43
2．2．16　矢量指令子集　43
2．2．17　自定义指令扩展　43
2．2．18　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不同　47
2．4．1　平民英雄—OpenRISC　47
2．4．2　豪门显贵—SPARC　48
2．4．3　身出名门—MIPS　48
2．4．4　名校优生—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
3．1　各商业版本与开源版本综述　51
3．1．1　Rocket Core　51
3．1．2　BOOM Core　53
3．1．3　Freedom E310 SoC　54
3．1．4　LowRISC SoC　54
3．1．5　PULPino Core与SoC　54
3．1．6　PicoRV32 Core　55
3．1．7　SCR1 Core　56
3．1．8　ORCA Core　56
3．1．9　Andes Core　56
3．1．10　Microsemi Core　56
3．1．11　Codasip Core　57
3．1．12　Nuclei Core　57
3．1．13　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
4．1　与众不同的蜂鸟E203处理器　61
4．2　蜂鸟E203处理器简介—蜂鸟虽小，五脏俱全　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

第二部分　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顶层　70
5．1　处理器硬件设计概述　71
5．1．1　架构和微架构　71
5．1．2　CPU、处理器、Core和处理器核　71
5．1．3　处理器设计和验证　71
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
5．3．1　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处理器核的顶层接口　79
5．10　小结　82
第6章　流水线不是流水账—蜂鸟E203处理器核流水线　83
6．1　处理器流水线概述　84
6．1．1　从经典的5级流水线说起　84
6．1．2　可否不要流水线—流水线和状态机的关系　86
6．1．3　深处种菱浅种稻，不深不浅种荷花—流水线的深度　86
6．1．4　向上生长—越来越深的流水线　87
6．1．5　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
6．4．1　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　91
6．5．1　流水线总体结构　91
6．5．2　流水线中的冲突　92
6．6　小结　92
第7章　万事开头难— 一切从取指令开始　93
7．1　取指概述　94
7．1．1　取指特点　94
7．1．2　如何快速取指　95
7．1．3　如何处理地址不对齐的指令　96
7．1．4　如何处理分支指令　97
7．2　RISC-V架构特点对于取指的简化　102
7．2．1　规整的指令编码格式　102
7．2．2　指令长度指示码放于低位　102
7．2．3　简单的分支跳转指令　103
7．2．4　没有分支延迟槽指令　104
7．2．5　提供明确的静态分支预测依据　105
7．2．6　提供明确的RAS依据　105
7．3　蜂鸟E203处理器的取指实现　106
7．3．1　IFU总体设计思路　106
7．3．2　简单译码　108
7．3．3　简单BPU　110
7．3．4　PC生成　114
7．3．5　访问ITCM和BIU　116
7．3．6　ITCM　120
7．3．7　BIU　120
7．4　小结　121
第8章　一鼓作气，执行力是关键—执行　122
8．1　执行概述　123
8．1．1　指令译码　123
8．1．2　指令执行　123
8．1．3　流水线的冲突　124
8．1．4　指令的交付　124
8．1．5　指令发射、派遣、执行、写回的顺序　124
8．1．6　分支解析　126
8．2　RISC-V架构的特点对于执行的简化　126
8．2．1　规整的指令编码格式　127
8．2．2　优雅的16位指令　127
8．2．3　精简的指令个数　127
8．2．4　整数指令的操作数个数是1或2　127
8．3　蜂鸟E203处理器的执行实现　127
8．3．1　执行指令列表　128
8．3．2　EXU总体设计思路　128
8．3．3　译码　129
8．3．4　整数通用寄存器组　135
8．3．5　CSR　138
8．3．6　指令发射、派遣　139
8．3．7　流水线冲突、长指令和OITF　143
8．3．8　ALU　149
8．3．9　交付　162
8．3．10　写回　162
8．3．11　协处理器扩展　162
8．4　小结　163
第9章　善始者实繁，克终者盖寡—交付　164
9．1　处理器中指令的交付、取消、冲刷　165
9．1．1　指令交付、取消、冲刷　165
9．1．2　指令交付的常见实现策略　166
9．2　RISC-V架构特点对于交付的简化　166
9．3　蜂鸟E203处理器中指令交付的硬件实现　167
9．3．1　分支预测指令的处理　168
9．3．2　中断和异常的处理　171
9．3．3　多周期执行的指令的交付　171
9．4　小结　172
第　10章 让子弹飞一会儿—写回　173
10．1　处理器的写回　174
10．1．1　处理器写回功能简介　174
10．1．2　处理器常见写回策略　174
10．2　蜂鸟E203处理器的写回硬件实现　174
10．2．1　最终写回仲裁　175
10．2．2　OITF模块和长指令写回仲裁模块　176
10．3　小结　179
第　11章 哈弗还是比亚迪—存储器　181
11．1　存储器概述　182
11．1．1　谁说处理器一定要有缓存　182
11．1．2　处理器一定要有存储器　183
11．1．3　ITCM和DTCM　185
11．2　RISC-V架构特点对于存储器访问指令的简化　186
11．2．1　仅支持小端格式　186
11．2．2　无地址自增/自减模式　186
11．2．3　无一次读多个数据和一次写多个数据的指令　186
11．3　RISC-V架构的存储器访问指令　187
11．3．1　存储器读和写指令　187
11．3．2　fence指令和fence．i指令　187
11．3．3　A扩展指令集　187
11．4　蜂鸟E203处理器核的存储器子系统硬件实现　188
11．4．1　存储器子系统总体设计思路　188
11．4．2　AGU　188
11．4．3　LSU　193
11．4．4　ITCM和DTCM　195
11．4．5　A扩展指令集的硬件实现　198
11．4．6　fence与fence．i指令的硬件实现　202
11．4．7　BIU　204
11．4．8　ECC　204
11．5　小结　204
第　12章 黑盒子的窗口—总线接口单元　205
12．1　片上总线协议概述　206
12．1．1　AXI　206
12．1．2　AHB　206
12．1．3　APB　207
12．1．4　TileLink　207
12．1．5　总结比较　207
12．2　自定义总线协议ICB　208
12．2．1　ICB协议简介　208
12．2．2　ICB协议信号　209
12．2．3　ICB协议的时序　209
12．3　ICB的硬件实现　214
12．3．1　一主多从　214
12．3．2　多主一从　215
12．3．3　多主多从　216
12．4　蜂鸟E203处理器核BIU　217
12．4．1　BIU简介　217
12．4．2　BIU的微架构　218
12．4．3　BIU的源代码　218
12．5　蜂鸟E203处理器SoC总线　219
12．5．1　SoC总线简介　219
12．5．2　SoC总线的微架构　220
12．5．3　SoC总线的源代码　220
12．6　小结　221
第　13章 不得不说的故事—中断和异常　222
13．1　中断和异常概述　223
13．1．1　中断概述　223
13．1．2　异常概述　224
13．1．3　广义上的异常　224
13．2　RISC-V架构异常处理机制　226
13．2．1　进入异常　226
13．2．2　退出异常　229
13．2．3　异常服务程序　230
13．3　RISC-V架构中断定义　231
13．3．1　中断类型　231
13．3．2　中断屏蔽　233
13．3．3　中断等待　233
13．3．4　中断优先级与仲裁　234
13．3．5　中断嵌套　235
13．4　RISC-V架构中与中断和异常相关的CSR　236
13．5　蜂鸟E203处理器中异常处理的硬件实现　236
13．5．1　蜂鸟E203处理器的异常和中断实现要点　236
13．5．2　蜂鸟E203处理器支持的中断和异常类型　237
13．5．3　蜂鸟E203处理器对mepc寄存器的处理　237
13．5．4　蜂鸟E203处理器的中断接口　238
13．5．5　蜂鸟E203处理器CLINT微架构及源代码分析　239
13．5．6　蜂鸟E203处理器PLIC微架构及源代码分析　242
13．5．7　蜂鸟E203处理器中交付模块对中断和异常的处理　244
13．6　小结　248
第　14章 最不起眼的其实是最难的—调试机制　249
14．1　调试机制概述　250
14．1．1　交互调试概述　250
14．1．2　跟踪调试概述　252
14．2　RISC-V架构的调试机制　252
14．2．1　调试器软件的实现　253
14．2．2　调试模式　253
14．2．3　调试指令　254
14．2．4　调试模式下的CSR　254
14．2．5　调试中断　254
14．3　蜂鸟E203处理器中的调试机制　254
14．3．1　蜂鸟E203处理器中的交互式调试　254
14．3．2　DTM　255
14．3．3　硬件调试模块　256
14．3．4　调试中断处理　259
14．3．5　调试模式下CSR的实现　260
14．3．6　调试机制指令的实现　261
14．4　小结　262
第　15章 动如脱兔，静若处子—低功耗的诀窍　263
15．1　处理器低功耗技术概述　264
15．1．1　软件层面的低功耗　264
15．1．2　系统层面的低功耗　264
15．1．3　处理器层面的低功耗　265
15．1．4　模块和单元层面的低功耗　265
15．1．5　寄存器层面的低功耗　266
15．1．6　锁存器层面的低功耗　267
15．1．7　SRAM层面的低功耗　267
15．1．8　组合逻辑层面的低功耗　267
15．1．9　工艺层面的低功耗　268
15．2　RISC-V架构的低功耗机制　268
15．3　蜂鸟E203处理器低功耗机制的硬件实现　268
15．3．1　蜂鸟E203处理器在系统层面的低功耗　268
15．3．2　蜂鸟E203处理器层面的低功耗　270
15．3．3　蜂鸟E203处理器在单元层面的低功耗　272
15．3．4　蜂鸟E203处理器在寄存器层面的低功耗　272
15．3．5　蜂鸟E203处理器在锁存器层面的低功耗　275
15．3．6　蜂鸟E203处理器在SRAM层面的低功耗　276
15．3．7　蜂鸟E203处理器在组合逻辑层面的低功耗　277
15．3．8　蜂鸟E203处理器在工艺层面的低功耗　278
15．4　小结　278
第　16章 工欲善其事，必先利其器—RISC-V可扩展协处理器　279
16．1　领域特定架构　280
16．2　RISC-V架构的可扩展性　281
16．2．1　RISC-V架构的预留指令编码空间　281
16．2．2　RISC-V架构的预定义指令　282
16．3　蜂鸟E203处理器的协处理器扩展机制—NICE　282
16．3．1　NICE指令的编码　282

16．3．2　NICE协处理器的接口信号　283
16．3．3　NICE协处理器的流水线接口　284
16．3．4　NICE协处理器的存储器接口　285
16．3．5　NICE协处理器的接口时序　286
16．4　蜂鸟E203处理器的协处理器参考示例　290
16．4．1　示例协处理器的实现需求　290
16．4．2　示例协处理器的自定义指令　291
16．4．3　示例协处理器的硬件实现　292
16．4．4　示例协处理器的软件驱动　292
16．4．5　示例协处理器的性能分析　294

第三部分　开发实战
第　17章 先冒个烟—运行Verilog仿真测试　298
17．1　E203开源项目的代码层次结构　299
17．2　E203开源项目的测试用例　300
17．2．1　riscv-tests自测试用例　300
17．2．2　编译ISA自测试用例　301
17．3　E203 开源项目的测试平台　304
17．4　在测试平台中运行测试用例　304
第　18章 套上壳子上路—更多实践　308

附录A　RISC-V架构的指令集　311
附录B　RISC-V架构的CSR　341
附录C　RISC-V架构的PLIC　351
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