自己动手写CPU pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　本书将带领您使用Verilog HDL 设计实现一款兼容MIPS32指令集架构的处理器：OpenMIPS。

　　全书共分为三篇。第一篇是理论篇，介绍了指令集架构、Verilog HDL的相关知识。第二篇是基础篇，採用增量模型，实现了教学版OpenMIPS处理器。首先实现了仅能执行一道指令的处理器，从这个最简单的情况出发，逐步实现逻辑操作指令、移位操作指令、空指令、移动操作指令、算术操作指令、转移指令、加载储存指令、协处理器存取指令、异常相关指令，逐步完成教学版OpenMIPS处理器。第三篇是进阶篇，透过为教学版OpenMIPS加上Wishbone总线接口，从而实现了实践版OpenMIPS处理器，并与SDRAM控制器、GPIO模块、Flash控制器、UART控制器、Wishbone总线互联矩阵等模块组成一个小型SOPC，然后下载到FPGA晶片以验证实现效果，最后为实践版OpenMIPS处理器移植了嵌入式实时操作系统μC/OS-II。

好的，以下是一本假设的书籍简介，该书名为《深入探索：现代操作系统内核的构建与原理》，内容与《自己动手写CPU》完全无关。 --- 书名：深入探索：现代操作系统内核的构建与原理 简介： 在信息技术的广袤疆域中，操作系统（OS）无疑是连接硬件与应用程序的最核心桥梁。它不仅管理着我们日常所见的桌面、服务器乃至移动设备上的资源调度，更是决定系统性能、稳定性和安全性的基石。然而，大多数用户和应用开发者仅仅停留在使用层面，对操作系统内部的运作机制知之甚少，仿佛它是一个神秘的“黑箱”。 《深入探索：现代操作系统内核的构建与原理》旨在撕开这层神秘的面纱，为读者提供一个全面、深入且高度实践性的视角，剖析当代主流操作系统（如Linux、类UNIX系统及其衍生版本）内核的架构、核心功能与实现细节。本书并非空泛的理论阐述，而是以一种自底向上、模块化的方式，引导读者理解操作系统的设计哲学和关键算法的工程实现。 一、奠定基石：从硬件交互到内核启动 本书伊始，我们将回顾计算机体系结构的基础，特别是处理器模式（内核态与用户态）、内存管理单元（MMU）的工作原理，以及系统调用（Syscall）机制的硬件支持。随后，我们将详细解析一个现代操作系统从上电到用户程序得以执行的整个“冷启动”过程。这包括引导加载程序（Bootloader，如GRUB或UEFI固件）如何加载内核镜像，内核的自解压、初始化阶段（如早期内存管理器的建立），以及最终如何设置初始进程（如`init`或`systemd`）的完整流程。我们不仅会描述这些步骤，还会穿插分析具体代码片段，揭示其中蕴含的同步与容错设计。 二、资源调度的艺术：进程与线程管理 进程和线程是操作系统并发执行的基本单元。本书的第二部分聚焦于进程与线程的管理。我们将深入探讨内核如何维护进程控制块（PCB）和线程控制块（TCB），以及进程间的通信（IPC）机制，包括信号量、消息队列、共享内存等。 更关键的是，调度算法的实现是内核性能的生命线。我们将详细分析现代调度器（如Linux的CFS——完全公平调度器）的设计思想，包括时间片分配、优先级继承、实时任务处理的特殊机制。通过对不同调度策略（如分时、抢占式、多级反馈队列）的对比，读者将能理解为何某些调度决策能显著提升系统的响应速度和吞吐量。 三、内存的魔术师：虚拟内存与地址翻译 内存是操作系统最宝贵的资源之一。本书用相当大的篇幅来解析虚拟内存（Virtual Memory）系统。读者将学习到虚拟地址如何通过页表映射到物理地址，MMU在其中的关键作用，以及内核如何处理缺页中断（Page Fault）。 内容不会止步于基础的内存映射。我们将深入探讨内核如何实现按需调页（Demand Paging）、内存保护、内存的缓存一致性问题，以及最重要的——交换（Swapping）和内存压缩（Memory Compression）技术，这些都是确保系统在高负载下依然稳定的关键技术。对于内存碎片整理（Fragmentation）的策略和 Slab/Slub 分配器的内部结构，也将进行详尽的剖析。 四、I/O系统的核心：设备驱动与文件系统 操作系统的另一项核心职责是管理所有输入/输出（I/O）设备。本书将系统地介绍I/O子系统的架构，包括中断处理机制、DMA（直接内存访问）的原理，以及I/O调度器（如Deadline、CFQ）如何优化块设备的访问性能。 文件系统是用户与持久化数据交互的接口。我们将超越FAT或NTFS的范畴，重点剖析现代日志式文件系统（如Ext4、XFS）的数据结构，包括superblock、inode表、数据块的分配策略，以及日志记录如何确保文件系统在崩溃后的一致性。此外，虚拟文件系统（VFS）层如何提供统一的API接口以抽象化底层存储差异，也将是重点讲解的内容。 五、安全与隔离：权限控制与沙箱技术 随着系统复杂性的增加，安全性成为重中之重。本书的最后部分将探讨内核层面的安全机制。这包括访问控制列表（ACL）、权限分离（如Linux中的Capabilities），以及更先进的安全模型，例如安全增强型Linux（SELinux）或AppArmor所采用的强制访问控制（MAC）。对于容器技术（如Docker、LXC）背后的核心隔离机制——命名空间（Namespaces）和控制组（cgroups）——我们将进行深入的源码级别分析，揭示它们如何高效地在操作系统内核中创建“虚拟化”环境。 目标读者： 本书面向对计算机底层原理有浓厚兴趣的系统程序员、操作系统内核开发者、嵌入式系统工程师，以及希望深入理解其所使用的开发环境的资深软件工程师。阅读本书需要具备C语言基础，并对汇编语言和计算机体系结构有初步了解。本书将提供充足的伪代码和真实内核代码片段作为例证，引导读者真正掌握现代操作系统内核的精髓。通过阅读此书，你将不再满足于使用API，而是能够理解API背后的强大驱动力。

作者简介

雷思磊

　　理工男，好静，倡导低碳生活，常以环保人士自居，喜读书，自幼笃信「博观而约取，厚积而薄发」。是故，所读书籍甚为驳杂，年近而立，尚不确定根本兴趣目标，一日，驻足书架之前，细览所读书籍，惊觉随岁月增长，关注点依次从程式设计、作业系统、驱动程式设计转移至处理器结构，此一脉络极其清晰，遂如醍醐灌顶，幡然醒悟，原来根本兴趣目标在「底层」，在于从根本上理解世界之运行，遂耗数年时间钻研处理器工作原理，乃有些微收获，拙作当为数年辛苦之小结，然学无止境，科技发展亦日新月异，唯有持续钻研，方能大成，屈子曰：路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。此言甚是，余定谨记而遵行之。

第1章 处理器与MIPS
介绍目前主流的指令集架构，由于OpenMIPS採用MIPS32指令集架构，所以本章将特别着重MIPS32指令集架构的说明。

第2章 可程式设计逻辑装置与Verilog HDL
介绍了FPGA、Verilog HDL的基础知识，FPGA是可程式设计逻辑装置的一种，本书的实践版OpenMIPS处理器就将在FPGA上执行。

第3章 教学版OpenMIPS 处理器蓝图
介绍了教学版OpenMIPS处理器的设计蓝图，包括设计目标、处理器介面，以及最终完成时组成OpenMIPS的各个模组的作用。

第4章 第一条指令ori 的实现
实现了OpenMIPS处理器的第一道指令ori，之所以选择这条指令作爲第一道指令，就是因爲它够简单，指令ori用来实现逻辑“或”运算，透过这道简单指令的实现，初步建立了OpenMIPS的五阶管线架构。

第5章 逻辑、移位操作与空指令的实现
讨论并解决了管线资料的相依问题，然后修改第4章的OpenMIPS，实现了MIPS32指令集架构中定义的逻辑、移位操作与空指令。

第6章 移动操作指令的实现
介绍并实作MIPS32指令集架构中定义的移动操作指令。

第7章 算术操作指令的实现
介绍并实作MIPS32指令集架构中定义的算术操作指令。

第8章 转移指令的实现
介绍并实作MIPS32指令集架构中定义的转移指令，OpenMIPS支援延迟转移。

第9章 载入储存指令的实现
介绍并实作MIPS32指令集架构中定义的载入储存指令。

第10章 协同处理器存取指令的实现
介绍并实作MIPS32指令集架构中定义的协同处理器CP0，以及协同处理器存取指令。

第11章 异常相关指令的实现
介绍并实作MIPS32指令集架构中定义的异常相关指令，并实现了异常处理。
在每一类指令的实现程式中，都是先介绍该类指令的格式、作用和用法，然后介绍实现思路，接着透过修改程式码实现该类指令，最后，编写测试程式，使用模拟的方式验证实现的正确性。

第12章 实践版OpenMIPS处理器设计与实现
介绍在教学版OpenMIPS处理器的基础上，透过Wishbone汇流排介面模组的加入，实现了实践版OpenMIPS处理器。

第13章 基于实践版OpenMIPS的小型SOPC
讲述设计实现了基于实践版OpenMIPS处理器的小型可程式设计系统单晶片SOPC的整个过程。

第14章 验证实践版OpenMIPS处理器
将第13章实作的小型SOPC下载到实际的硬体平台上，编写测试程式，验证实践版OpenMIPS处理器实现的正确性。

第15章 为OpenMIPS 处理器移植μC/OS-II
介绍了嵌入式即时作业系统μC/OS-II，并将其移植到本书设计的OpenMIPS处理器上，进一步验证了实践版OpenMIPS处理器实现的正确性，也爲OpenMIPS处理器发挥实际作用奠定了基础。

序

　　自1971年世界上第一款单晶片微处理器4004诞生已逾40多年，使用“日新月异”来形容这40多年处理器的发展变化亦不爲过，无论是速度、整合度，还是架构等许多方面都有了前人难以想像的变化。不过可惜的是，处理器设计制造一直都是高科技行业，轻易无法涉足。大多数人对处理器的直观印象就是一个银白色的小晶片，有许多接脚，至于里面是如何工作的，则不甚了解，更不用说自己制作处理器了。

　　幸运的是，在处理器发展的同时，可程式设计逻辑装置也在持续发展。可程式设计逻辑装置不仅是技术的革新，也带来了观念的革新、设计流程的革新。如今透过编写程式码可以在可程式设计逻辑装置上实现十分复杂的电路设计，比如处理器。于是，普罗大衆也能有机会了解处理器内部的实现原理，甚至参与处理器的设计、研发。

　　实际上，目前已经有很多可以下载到可程式设计逻辑装置上执行的处理器，这些处理器称爲软核心处理器，例如：NiosII、OR1200、LEON3、OpenSparc等，这些软核心处理器有的是开源的，有的不是开源的。笔者在前期深入阅读了几款开源软核心处理器的程式码，包括：OC8051、OR1200、LEON3。其中，OC8051是OpenCores提供的一款8位元两阶管线处理器，与Intel 8051相容，是CISC（Complex Instruction Set Computer）类型，採用Verilog HDL编写程式码。OR1200是OpenCores提供的一款32位元五阶管线处理器，是RISC（Reduced Instruction Set Computer）类型，也採用Verilog HDL编写程式码。LEON3是由Gaisler Research公司设计发布的一款32位元七阶管线处理器，也是RISC类型，但採用的是VHDL编写程式码。

　　透过阅读上述开源软核心处理器的程式码，一方面消除了笔者对处理器的神秘印象，另一方面也激发了笔者强烈的创作冲动，陆游曾言：纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。是啊！爲何不自己也写入一个处理器？于是世间又多了一款开源处理器OpenMIPS。OpenMIPS是具有哈佛架构的32位元五阶管线纯量处理器，相容MIPS32架构，这样可以使用现有的MIPS编译开发环境。它分爲教学版和实践版两个版本，每个版本都使用VHDL和Verilog HDL两种语言编写。

　　本书以Verilog HDL编写的版本爲例，详细介绍了OpenMIPS从无到有、从小到大、一步一步成长完善的过程。

评分☆☆☆☆☆

這本《自己動手寫CPU》的確是一本讓人愛不釋手的好書。作為一個在資訊科技領域摸爬滾打多年的老兵，我曾經接觸過不少關於計算機架構的書籍，但很多都流於理論，或是過於針對特定架構，缺乏一種通用的、引人入勝的引導。而這本書，則是以一種非常「實戰」的角度，讓我們理解CPU的設計脈絡。它沒有迴避那些相對複雜的部分，例如指令解碼、快取機制等，而是將它們拆解成易於理解的單元，並解釋其在整個CPU工作流程中的作用。我尤其欣賞書中對於「為什麼要這樣設計」的深入探討。很多時候，我們只是知道CPU有某個功能，但不知道為何它會以這種方式實現。這本書卻能追溯到最初的設計考量，比如為了提高性能、降低功耗，或是為了相容性等。這種「溯源」式的講解，讓我對CPU的理解上升了一個層次。而且，書中似乎也暗示了透過軟體模擬來驗證設計的思路，這對於學習者來說是一個非常寶貴的切入點。我個人認為，這本書非常適合那些有一定程式基礎，但想更深入了解硬體運作原理的讀者。

评分☆☆☆☆☆

坦白說，一開始在書店看到《自己動手寫CPU》這本書名，我其實有點猶豫。畢竟「寫CPU」聽起來就不是一件簡單的事，我自認對電腦硬體並非專家，擔心內容會過於艱澀難懂，看不下去。但架不住好奇心，還是翻了翻，結果意外地發現這本書的切入點非常巧妙。它沒有一味地強調理論，而是結合了實際操作的思路，甚至會讓你思考「如果我是設計者，我會怎麼做？」這種問題。書中討論到指令集架構（ISA）的部分，讓我印象深刻。作者並沒有死記硬背各種指令的用途，而是從CPU需要處理的任務出發，解釋為何需要這些指令，以及指令如何被翻譯成機器碼。這個思考過程，比起單純記憶指令表，更能讓你理解指令集的設計理念。而且，書中似乎也提到了一些關於如何模擬CPU運作的工具或方法，這點對我來說非常實用。我一直對「軟體如何驅動硬體」感到好奇，而這本書就像是打通了這兩者之間的任督二脈。它讓我了解到，即使是一個微小的指令，背後都牽涉到複雜的邏輯和硬體設計。我迫不及待想把我學到的知識，應用到一些小型的程式設計練習中，看看能不能更深層次地理解。

评分☆☆☆☆☆

收到《自己動手寫CPU》這本書，我真的感到非常驚喜！我一直覺得，學習電腦知識，不能僅僅停留在操作介面，而是應該深入了解其核心是如何運轉的。這本書正好滿足了我這個願望。它以一種非常紮實的步驟，帶領讀者一步一步地建構一個CPU。從最基礎的邏輯閘開始，到組合邏輯電路，再到時序邏輯電路，以及最後的指令集架構和控制單元，整個過程都寫得相當清晰。最讓我感動的是，書中並非僅僅列出各種組件，而是會探討這些組件是如何相互配合，共同完成指令的執行的。例如，當CPU接收到一個指令時，控制單元是如何指揮ALU進行運算，暫存器又是如何儲存中間結果的，這些流程都被詳細地描述了。我甚至在閱讀的過程中，會試著在腦海中想像這些電路工作的樣子，感覺就像是在觀看一場微型的、精密的機械表演。這本書的內容，對於我理解電腦科學的一些經典問題，例如馮紐曼架構、圖靈機等，都有了更直觀的認識。我相信，透過這本書，我對CPU的理解將會更加深刻，也更能體會到工程師們在設計這些精巧裝置時所付出的智慧。

评分☆☆☆☆☆

我必須說，《自己動手寫CPU》這本書的內容實在是讓人耳目一新！通常談到CPU，大家的第一印象都是一片片的矽晶片，或是高不可攀的技術規格。但這本書卻讓我們有機會扮演「創作者」的角色，從零開始，一步一步地建構出一個CPU。書中對於CPU的核心元件，像是暫存器、ALU（算術邏輯單元）、控制單元等的介紹，都非常到位。作者沒有使用過於學術化的語言，而是用一種「我們一起來解決這個問題」的語氣，帶領讀者思考如何設計出這些關鍵部件。我特別喜歡它在解釋「時序」和「流水線」這些概念時，所用的例子。原本以為這些會是極度抽象的內容，沒想到透過書中的圖示和說明，我竟然能大致理解CPU內部運作的節奏感，以及如何透過流水線來提升效率。這本書的價值不只在於傳授知識，更在於激發讀者的創造力和解決問題的能力。它讓我覺得，原來設計一個CPU，並非遙不可及的夢想，而是可以透過系統性的學習和實踐來達成的。我強烈推薦給所有對電腦硬體有興趣，或是想進一步了解計算機科學的讀者。

评分☆☆☆☆☆

這本《自己動手寫CPU》實在太對我的胃口了！我一直以來都對電腦底層的運作原理很好奇，但坊間的書籍動輒就是複雜的電路圖和一堆我看得懂又看不懂的術語，讓人望之卻步。沒想到這本書以一種非常友善、循序漸進的方式，帶領讀者從最基礎的概念開始，一步一步理解CPU是如何誕生的。作者的文字功力很不錯，即使是講述非常抽象的邏輯閘、指令集這些，也能用生活化的比喻和淺顯的語言來解釋，讓人不會感到壓力。我最喜歡的部分是它沒有直接丟給你一個完整的CPU設計，而是讓你從頭開始，先學會畫邏輯閘，然後組成加法器、多工器，再慢慢擴展到更複雜的單元。這個過程就像是在搭樂高積木，每完成一個小單元，都有成就感，也更能理解整個CPU是如何組合起來的。書中的圖解也相當用心，不是那種隨便貼幾張圖充數，而是能夠真正幫助讀者理解概念的輔助工具。我甚至已經開始動手在紙上畫一些簡單的電路圖，試著模擬書中的例子。這本書真的讓我對電腦不再只是“使用”的工具，而是能“理解”它為何能運作的奇妙機器。