手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇

图书目录:

第 一部分 CPU与RISC-V综述

第 1章 一文读懂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与RISC 5

1.1.3 32位与64位架构 6

1.1.4 ISA众生相 6

1.1.5 CPU的领域之分 10

1.2　ISA请扛起这口锅——为什么国产CPU尚未足够成功 12

1.2.1 MIPS系——龙芯和君正 12

1.2.2 x86系——北大众志、兆芯和海光 13

1.2.3 Power系——中晟宏芯 13

1.2.4 Alpha系——申威 14

1.2.5 ARM系——飞腾、华为海思、展讯和华芯通 14

1.2.6 背锅侠ISA 15

1.3　人生已是如此艰难，你又何必拆穿——CPU从业者的无奈 17

1.4　无敌是多么寂寞——ARM统治着的世界 18

1.4.1 独乐乐与众乐乐——ARM公司的盈利模式 18

1.4.2 小个子有大力量——无处不在的Cortex-M系列 21

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

1.5　东边日出西边雨，道是无晴却有晴——RISC-V登场 25

1.6　原来你是这样的“薯片”——ARM的免费计划 28

1.7　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 28

第 2章 大道至简——RISC-V架构之魂 29

2.1　简单就是美——RISC-V架构的设计哲学 30

2.1.1 无病一身轻——架构的篇幅 30

2.1.2 能屈能伸——模块化的指令集 32

2.1.3 浓缩的都是精华——指令的数量 32

2.2　RISC-V指令集架构简介 33

2.2.1 模块化的指令子集 33

2.2.2 可配置的通用寄存器组 34

2.2.3 规整的指令编码 34

2.2.4 简洁的存储器访问指令 34

2.2.5 高效的分支跳转指令 35

2.2.6 简洁的子程序调用 36

2.2.7 无条件码执行 37

2.2.8 无分支延迟槽 37

2.2.9 零开销硬件循环 38

2.2.10 简洁的运算指令 38

2.2.11 优雅的压缩指令子集 39

2.2.12 特权模式 40

2.2.13 CSR寄存器 40

2.2.14 中断和异常 40

2.2.15 矢量指令子集 40

2.2.16 自定制指令扩展 41

2.2.17 总结与比较 41

2.3　RISC-V软件工具链 42

2.4　RISC-V和其他开放架构有何不同 44

2.4.1 平民英雄——OpenRISC 44

2.4.2 豪门显贵——SPARC 44

2.4.3 名校优生——RISC-V 45

第3章 乱花渐欲迷人眼——盘点RISC-V商业版本与开源版本 46

3.1　各商业版本与开源版本综述 47

3.1.1 Rocket Core（开源） 47

3.1.2 BOOM Core（开源） 49

3.1.3 Freedom SoC（开源） 50

3.1.4 LowRISC SoC（开源） 50

3.1.5 PULPino Core and SoC（开源） 50

3.1.6 PicoRV32 Core（开源） 51

3.1.7 SCR1 Core（开源） 51

3.1.8 ORCA Core（开源） 51

3.1.9 Andes Core（商业IP） 52

3.1.10 Microsemi Core（商业IP） 52

3.1.11 Codasip Core（商业IP） 53

3.1.12 蜂鸟E200 Core与SoC（开源） 53

3.2　总结 53

第4章 开源RISC-V——蜂鸟E200系列超低功耗Core与SoC 54

4.1　与众不同的蜂鸟E200处理器 55

4.2　蜂鸟E200简介——蜂鸟虽小，五脏俱全 56

4.3　蜂鸟E200型号系列 57

4.4　蜂鸟E200性能指标 58

4.5　蜂鸟E200配套SoC 59

4.6　蜂鸟E200配置选项 60

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E200设计总览和顶层介绍 65

5.1　处理器硬件设计概述 66

5.1.1 架构和微架构 66

5.1.2 CPU、处理器、Core和处理器核 66

5.1.3 处理器设计和验证的特点 66

5.2　蜂鸟E200处理器核设计哲学 67

5.3　蜂鸟E200处理器核RTL代码风格介绍 68

5.3.1 使用标准DFF模块例化生成寄存器 68

5.3.2 推荐使用assign语法替代if-else和case语法 70

5.3.3 其他若干注意事项 71

5.3.4 小结 72

5.4　蜂鸟E200模块层次划分 72

5.5　蜂鸟E200处理器核源代码 73

5.6　蜂鸟E200处理器核配置选项 73

5.7　蜂鸟E200处理器核支持的RISC-V指令子集 74

5.8　蜂鸟E200处理器流水线结构 74

5.9　蜂鸟E200处理器核顶层接口介绍 74

5.10　总结 77

第6章 流水线不是流水账——蜂鸟E200流水线介绍 78

6.1　处理器流水线概述 79

6.1.1 从经典的五级流水线说起 79

6.1.2 可否不要流水线——流水线和状态机的关系 81

6.1.3 深处种菱浅种稻，不深不浅种荷花——流水线的深度 81

6.1.4 向上生长——越来越深的流水线 82

6.1.5 向下生长——越来越浅的流水线 83

6.1.6 总结 83

6.2　处理器流水线中的乱序 83

6.3　处理器流水线中的反压 84

6.4　处理器流水线中的冲突 84

6.4.1 流水线中的资源冲突 84

6.4.2 流水线中的数据冲突 85

6.5　蜂鸟E200处理器的流水线 86

6.5.1 流水线总体结构 86

6.5.2 流水线中的冲突 87

6.6　总结 87

第7章 万事开头难吗—— 一切从取指令开始 88

7.1　取指概述 89

7.1.1 取指特点 89

7.1.2 如何快速取指 90

7.1.3 如何处理非对齐指令 91

7.1.4 如何处理分支指令 92

7.2　RISC-V架构特点对于取指的简化 97

7.2.1 规整的指令编码格式 97

7.2.2 指令长度指示码放于低位 97

7.2.3 简单的分支跳转指令 98

7.2.4 没有分支延迟槽指令 100

7.2.5 提供明确的静态分支预测依据 100

7.2.6 提供明确的RAS依据 101

7.3　蜂鸟E200处理器的取指实现 101

7.3.1 IFU总体设计思路 102

7.3.2 Mini-Decode 103

7.3.3 Simple-BPU分支预测 105

7.3.4 PC生成 109

7.3.5 访问ITCM和BIU 111

7.3.6 ITCM 115

7.3.7 BIU 116

7.4　总结 116

第8章 一鼓作气，执行力是关键——执行 117

8.1　执行概述 118

8.1.1 指令译码 118

8.1.2 指令执行 118

8.1.3 流水线的冲突 119

8.1.4 指令的交付 119

8.1.5 指令发射、派遣、执行、写回的顺序 119

8.1.6 分支解析 121

8.1.7 小结 121

8.2　RISC-V架构特点对于执行的简化 121

8.2.1 规整的指令编码格式 122

8.2.2 优雅的16位指令 122

8.2.3 精简的指令个数 122

8.2.4 整数指令都是两操作数 122

8.3　蜂鸟E200处理器的执行实现 123

8.3.1 执行指令列表 123

8.3.2 EXU总体设计思路 123

8.3.3 译码 124

8.3.4 整数通用寄存器组 130

8.3.5 CSR寄存器 133

8.3.6 指令发射派遣 134

8.3.7 流水线冲突、长指令和OITF 139

8.3.8 ALU 145

8.3.9 高性能乘除法 157

8.3.10 浮点单元 158

8.3.11 交付 159

8.3.12 写回 159

8.3.13 协处理器扩展 160

8.3.14 小结 160

第9章 善始者实繁，克终者盖寡——交付 161

9.1　处理器交付、取消、冲刷 162

9.1.1 处理器交付、取消、冲刷简介 162

9.1.2 处理器交付常见实现策略 163

9.2　RISC-V架构特点对于交付的简化 164

9.3　蜂鸟E200处理器交付硬件实现 164

9.3.1 分支预测指令的处理 165

9.3.2 中断和异常的处理 168

9.3.3 多周期执行指令的交付 169

9.3.4 小结 169

第 10章 让子弹飞一会儿——写回 170

10.1　处理器的写回 171

10.1.1 处理器写回功能简介 171

10.1.2 处理器写回常见策略 171

10.2　蜂鸟E200处理器的写回硬件实现 171

10.2.1 最终写回仲裁 172

10.2.2 OITF和长指令写回仲裁 174

10.2.3 小结 177

第 11章 哈弗还是比亚迪——存储器架构 178

11.1　存储器架构概述 179

11.1.1 谁说处理器一定要有缓存 179

11.1.2 处理器一定要有存储器 180

11.1.3 ITCM和DTCM 182

11.2　RISC-V架构特点对于存储器访问指令的简化 183

11.2.1 仅支持小端格式 183

11.2.2 无地址自增自减模式 183

11.2.3 无“一次读多个数据”和“一次写多个数据”指令 183

11.3　RISC-V架构的存储器相关指令 184

11.3.1 Load和Store指令 184

11.3.2 Fence指令 184

11.3.3 “A”扩展指令 184

11.4　蜂鸟E200处理器存储器子系统硬件实现 185

11.4.1 存储器子系统总体设计思路 185

11.4.2 AGU 186

11.4.3 LSU 190

11.4.4 ITCM和DTCM 192

11.4.5 “A”扩展指令处理 195

11.4.6 Fence与Fence.I指令处理 200

11.4.7 BIU 202

11.4.8 ECC 202

11.4.9 小结 202

第 12章 黑盒子的窗口——总线接口单元BIU 203

12.1　片上总线协议概述 204

12.1.1 AXI 204

12.1.2 AHB 204

12.1.3 APB 205

12.1.4 TileLink 205

12.1.5 总结比较 205

12.2　自定义总线协议ICB 206

12.2.1 ICB总线协议简介 206

12.2.2 ICB总线协议信号 207

12.2.3 ICB总线协议时序 207

12.3　ICB总线的硬件实现 210

12.3.1 一主多从 210

12.3.2 多主一从 211

12.3.3 多主多从 212

12.4　蜂鸟E200处理器核BIU 212

12.4.1 BIU简介 212

12.4.2 BIU微架构 213

12.4.3 BIU源码分析 214

12.5　蜂鸟E200处理器SoC总线 214

12.5.1 SoC总线简介 215

12.5.2 SoC总线微架构 215

12.5.3 SoC总线源码分析 216

12.6　总结 216

第 13章 不得不说的故事——中断和异常 217

13.1　中断和异常概述 218

13.1.1 中断概述 218

13.1.2 异常概述 219

13.1.3 广义上的异常 219

13.2　RISC-V架构异常处理机制 221

13.2.1 进入异常 221

13.2.2 退出异常 224

13.2.3 异常服务程序 225

13.3　RISC-V架构中断定义 226

13.3.1 中断类型 226

13.3.2 中断屏蔽 228

13.3.3 中断等待 229

13.3.4 中断优先级与仲裁 230

13.3.5 中断嵌套 230

13.3.6 总结比较 231

13.4　RISC-V架构异常相关CSR寄存器 232

13.5　蜂鸟E200异常处理的硬件实现 232

13.5.1 蜂鸟E200处理器的异常和中断实现要点 232

13.5.2 蜂鸟E200处理器的异常类型 233

13.5.3 蜂鸟E200处理器对于mepc的处理 234

13.5.4 蜂鸟E200处理器的中断接口 234

13.5.5 蜂鸟E200处理器CLINT微架构及源码分析 235

13.5.6 蜂鸟E200处理器PLIC微架构及源码分析 238

13.5.7 蜂鸟E200处理器交付模块对中断和异常的处理 242

13.5.8 小结 245

第 14章 最不起眼的，其实是最难的——调试机制 246

14.1　调试机制概述 247

14.1.1 交互调试概述 247

14.1.2 跟踪调试概述 249

14.2　RISC-V架构的调试机制 249

14.2.1 调试器软件的实现 250

14.2.2 调试模式 250

14.2.3 调试指令 251

14.2.4 调试机制CSR 251

14.2.5 调试中断 251

14.3　蜂鸟E200调试机制的硬件实现 251

14.3.1 蜂鸟E200交互式调试概述 251

14.3.2 DTM模块 253

14.3.3 硬件调试模块 253

14.3.4 调试中断处理 257

14.3.5 调试机制CSR寄存器的实现 258

14.3.6 调试机制指令的实现 258

14.3.7 小结 259

第 15章 动如脱兔，静若处子——低功耗的诀窍 260

15.1　处理器低功耗技术概述 261

15.1.1 软件层面低功耗 261

15.1.2 系统层面低功耗 261

15.1.3 处理器层面低功耗 262

15.1.4 单元层面低功耗 262

15.1.5 寄存器层面低功耗 263

15.1.6 锁存器层面低功耗 264

15.1.7 SRAM层面低功耗 264

15.1.8 组合逻辑层面低功耗 264

15.1.9 工艺层面低功耗 265

15.2　RISC-V架构的低功耗机制 265

15.3　蜂鸟E200低功耗机制的硬件实现 265

15.3.1 蜂鸟E200系统层面低功耗 265

15.3.2 蜂鸟E200处理器层面低功耗 267

15.3.3 蜂鸟E200单元层面低功耗 269

15.3.4 蜂鸟E200寄存器层面低功耗 269

15.3.5 蜂鸟E200锁存器层面低功耗 272

15.3.6 蜂鸟E200 SRAM层面低功耗 273

15.3.7 蜂鸟E200组合逻辑层面低功耗 274

15.3.8 蜂鸟E200工艺层面低功耗 275

15.4　总结 275

第 16章 工欲善其事，必先利其器——RISC-V可扩展协处理器 276

16.1　专用领域架构DSA 277

16.2　RISC-V架构的可扩展性 278

16.2.1 RISC-V的预留指令编码空间 278

16.2.2 RISC-V的预定义的Custom指令 279

16.3　蜂鸟E200的协处理器接口EAI 279

16.3.1 EAI指令的编码 279

16.3.2 EAI接口信号 280

16.3.3 EAI流水线接口 281

16.3.4 EAI存储器接口 282

16.3.5 EAI接口时序 283

16.4　蜂鸟E200的协处理器参考示例 286

16.4.1 示例协处理器需求 286

16.4.2 示例协处理器指令 287

16.4.3 示例协处理器实现 288

16.4.4 示例协处理器性能 289

16.4.5 示例协处理器代码 290

第三部分 使用Verilog进行仿真和在FPGA SoC原型上运行软件

第 17章 冒个烟先——运行Verilog仿真测试 292

17.1　E200开源项目的代码层次结构 293

17.2　E200开源项目的测试用例 294

17.2.1 riscv-tests 自测试用例 294

17.2.2 编译ISA自测试用例 295

17.3　E200开源项目的测试平台（TestBench） 298

17.4　在Verilog TestBench中运行测试用例 299

第 18章 套上壳子上路——实现SoC和FPGA原型 302

18.1　Freedom E310 SoC简介 303

18.2　HBird-E200-SoC简介 304

18.2.1 HBird-E200-SoC组成结构 304

18.2.2 HBird-E200-SoC代码结构 309

18.3　HBird-E200-SoC FPGA原型平台 311

18.3.1 FPGA开发板 311

18.3.2 生成mcs文件烧写FPGA 314

18.3.3 JTAG调试器 317

18.3.4 FPGA原型平台DIY总结 320

18.4　蜂鸟E200专用FPGA开发板 320

第 19章 画龙点睛——运行和调试软件示例 321

19.1　Freedom-E-SDK平台简介 322

19.2　SIRV-E-SDK平台简介 323

19.2.1 SIRV-E-SDK简介 323

19.2.2 SIRV-E-SDK代码结构 324

19.3　使用SIRV-E-SDK运行示例程序 325

19.4　使用GDB和OpenOCD调试示例程序 328

19.5　Windows图形化IDE开发工具 331

第 20章 是骡子是马？拉出来遛遛——运行跑分程序 332

20.1　跑分程序简介 333

20.2　Dhrystone简介 333

20.3　运行Dhrystone Benchmark 335

20.4　CoreMark简介 337

20.5　运行CoreMark Benchmark 338

20.6　总结与比较 340

附录部分 RISC-V架构详述

附录A RISC-V架构指令集介绍 342

附录B RISC-V架构CSR寄存器介绍 374

附录C RISC-V架构的PLIC介绍 384

附录D 存储器模型背景介绍 392

附录E 存储器原子操作指令背景介绍 397

附录F RISC-V指令编码列表 400

附录G RISC-V伪指令列表 404