三國鼎立唯一開源CPU架構：RISC-V處理器設計快速上手 pdf epub mobi txt 电子书下载 2025

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胡振波

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RISC-V
CPU架构
处理器设计
三國鼎立
开源硬件
嵌入式系统
数字电路
计算机体系结构
快速上手
硬件开发

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具体描述

☆★☆ AIoT 時代三國鼎立，動手設計屬於自己的 CPU 開闢新時代，從本書開始！☆★☆

　　RISC-V是一個開放、開源的架構，人人都可獲取，因此，企業、學校和個人都可以主動參與相關的研發，這勢必能夠帶來更多的創新。

　　憑藉著簡潔、模組化且擴充性強的特點，RISC-V的晶片產品源源不絕地被推向市場，使得晶片產業得以蓬勃發展。這樣的發展趨勢終將推動RISC-V成為ISA領域的一項開放標準。每一次技術變遷都會帶來一個新生產業的崛起。從主機時代到PC時代，成就了Intel；從PC時代到行動時代，成就了ARM；從行動時代到AIoT時代，我們能否抓住RISC-V的機遇？

　　本書作者是著名RISC-V公司芯來科技的創辦人，曾在世界最大的半導體公司擔任高級工程師，也是華人地區少見專注於RISC-V的硬體公司。

　　本書以蜂鳥E203，為開發平台，這是中文地區最早被RISC-V基金會官方首页收錄的開放原始碼核心。在X86、ARM、之外，我們是否能靠著RISC-V再開闢出一條新的捷徑？看看Linux的成功，或許你已經參與了一個新時代的降臨。

　　【本書特點】

　　● CPU 的基礎知識、指令集架構的歷史。

　　● RISC-V 架構及其特點。

　　● 當前全世界的商業或開放原始碼 RISC-V 處理器。

　　● RISC-V 處理器核心的整體設計思想和頂層介面。

　　● RISC-V 處理器單選指單元、執行單元、交付單元微架構和原始程式。

　　● RISC-V 匯流排協定，以及該模組的微架構和原始程式、處理器的記憶體架構。

　　● RISC-V 的中斷和異常機制，硬體實現微架構和原始程式。

　　● RISC-V 架構定義的偵錯方案，硬體實現微架構和原始程式。

　　● RISC-V 的可擴充性，訂製一款輔助處理器。

好的，为您撰写一份关于《三國鼎立唯一開源CPU架構：RISC-V處理器設計快速上手》的图书简介，内容将着重于该领域的技术深度和行业影响，不包含对书中具体章节或内容的描述，旨在展现该主题的广阔背景和重要性。 --- 图书简介：《三國鼎立唯一開源CPU架構：RISC-V處理器設計快速上手》時代變革：處理器架構的「寒武紀大爆發」在當今數位化時代，中央處理器（CPU）作為資訊處理的核心引擎，其架構的選擇與演進，直接決定了整個產業鏈的發展方向與技術格局。長期以來，處理器市場由兩大閉源巨頭——x86和ARM——所主導，形成了事實上的「雙寡頭壟斷」。然而，隨著物聯網（IoT）、邊緣運算（Edge Computing）的興起，以及對數據安全、客製化需求的激增，傳統商業授權模式的弊端日益顯現：高昂的授權費用、受限的設計靈活性，以及潛在的「後門」風險。正是在這樣一個歷史性的轉折點上，一個顛覆性的力量悄然崛起，它被譽為「處理器領域的Linux」——RISC-V（精簡指令集電腦第五版）。RISC-V不僅僅是一種新的指令集架構（ISA），它更代表了一場由開源精神驅動的、深刻的產業範式轉移。它提供了一個完全開放、免費且可擴展的基礎平台，允許全球的設計者、研究人員和企業自由地進行創新、客製化和商業化，從根本上改變了處理器生態的競爭格局。 RISC-V：重塑半導體製造業的基石本書所探討的RISC-V架構，其核心價值在於其極致的簡潔性、模組化設計和可擴展性。這使得晶片設計不再是少數擁有龐大專利池企業的專屬領域，而是向全球的學術界和新創公司敞開了大門。在技術層面，RISC-V的優勢體現在以下幾個關鍵維度： 1. 指令集的精簡與正交性： RISC-V的基礎指令集極為精簡，易於實現高效能的流水線設計。這種設計哲學減少了硬體複雜度，從而降低了功耗，並極大地簡化了編譯器和作業系統的移植工作。 2. 高度模組化的擴展機制：這是RISC-V區別於其他架構的決定性特徵。通過標準化的「基礎指令集」（Base ISA）與可選的「擴展指令集」（Extensions），設計者可以根據特定應用的需求（如嵌入式AI加速、即時控制、向量運算等）選擇性地添加功能模組。這種靈活性極大地優化了從微控制器（MCU）到超級電腦的各類應用場景，避免了為不需要的功能支付冗餘設計成本。 3. 開源的信任與透明度：由於其指令集完全開放，RISC-V避免了專有架構中可能存在的隱藏邏輯或不可審視的安全漏洞。對於需要高度安全和可驗證性的國防、金融或關鍵基礎設施領域而言，這種透明度是無可替代的競爭優勢。挑戰與機遇：開源生態的建設與成熟儘管RISC-V展現出強大的潛力，要真正實現「三國鼎立」的格局，需要克服多方面的工程和生態挑戰。首先，軟體生態系統的成熟度是關鍵。相較於歷史悠久的x86和ARM，RISC-V的工具鏈（編譯器、除錯器、作業系統核心支持）仍在快速迭代中。如何確保編譯器能充分發揮RISC-V客製化擴展的性能優勢，是擺在所有架構設計者面前的一大難題。其次，效能與功耗的極限突破需要依賴先進的製程技術與創新的微架構設計。雖然ISA是開放的，但如何將其高效地映射到28nm、14nm乃至更先進的製程上，並在實際產品中達到與商業巨頭相媲美的效能功耗比，需要大量的工程投入與深厚的半導體知識積累。最後，IP授權與商業模式的轉變正在重塑產業鏈。傳統的晶片設計流程依賴於購買大量的預先驗證好的IP核（如CPU核心、總線控制器、介面等）。RISC-V生態的蓬勃發展，催生了眾多專注於提供RISC-V核心IP（包括商用級與開源級）的公司，這要求設計者具備更強的整合能力，並對IP的選擇與驗證流程有更深入的理解。展望：下一代運算平台的藍圖 RISC-V的崛起，標誌著半導體設計正在從「購買藍圖」轉向「自主設計」。它為全球半導體行業提供了一個公平的競爭平台，鼓勵創新不再受制於高額的專利門檻。無論是加速AI推理的專用處理單元、極低功耗的感測器晶片，還是下一代超大規模資料中心處理器，RISC-V都已成為各方角力的焦點。本書的深度探討，旨在為廣大硬體工程師、軟體開發者、電子系統架構師以及決策者，提供一個理解和駕馭這場技術革命的堅實基礎。它不僅關乎技術的學習，更關乎如何參與構建這個開放、協作的未來運算平台，從而在全球半導體格局中佔據有利地位。 ---

著者信息

作者簡介

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。

图书目录

第一部分 CPU 與RISC-V 整體說明

第1章 CPU 之三生三世
1.1 眼看他起高樓，眼看他宴賓客，眼看他樓塌了——CPU 眾生相
1.2 人生已如此艱難，你又何必拆穿——CPU 從業者的無奈
1.3 無敵者是多麼寂寞——ARM 統治著的世界
1.4 東邊日出西邊雨，道是無晴卻有晴—RISC-V 登場
1.5 舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家——你也可以設計自己的處理器

第2章大道至簡——RISC-V 架構之魂
2.1 簡單就是美——RISC-V 架構的設計理念
2.2 RISC-V 架構簡介
2.3 RISC-V 軟體工具鏈
2.4 RISC-V 和其他開放架構有何不同

第3章亂花漸欲迷人眼——盤點RISC-V 商業版本與開放原始碼版本
3.1 各商業版本與開放原始碼版本整體說明
3.2 小結

第4章開放原始碼RISC-V——蜂鳥E203 處理器核心與SoC
4.1 與眾不同的蜂鳥E203 處理器
4.2 蜂鳥E203 處理器簡介——蜂鳥雖小，五臟俱全
4.3 蜂鳥E203 處理器的性能指標
4.4 蜂鳥E203 處理器的搭配SoC
4.5 蜂鳥E203 處理器的設定選項

第二部分一步步教你使用Verilog 設計CPU

第5章先見森林，後觀樹木——蜂鳥E203 處理器核心設計總覽和頂層
5.1 處理器硬體設計概述
5.2 蜂鳥E203 處理器核心的設計理念
5.3 蜂鳥E203 處理器核心的RTL程式風格
5.4 蜂鳥E203 模組層次劃分
5.5 蜂鳥E203 處理器核心的原始程式碼
5.6 蜂鳥E203 處理器核心的設定選項
5.7 蜂鳥E203 處理器核心支援的RISC-V指令子集
5.8 蜂鳥E203 處理器核心的管線結構
5.9 蜂鳥E203 處理器核心的頂層介面
5.10 小結

第6章管線不是流水帳——蜂鳥E203 處理器核心管線
6.1 處理器管線概述
6.2 處理器管線中的亂數
6.3 處理器管線中的反壓
6.4 處理器管線中的衝突
6.5 蜂鳥E203 處理器的管線
6.6 小結

第7章萬事開頭難——一切從取指令開始
7.1 取指概述
7.2 RISC-V 架構特點對於取指的簡化
7.3 蜂鳥E203 處理器的取指實現
7.4 小結

第8章一鼓作氣，執行力是關鍵——執行
8.1 執行概述
8.2 RISC-V 架構的特點對於執行的簡化
8.3 蜂鳥E203 處理器的執行實現
8.4 小結

第9章善始者實繁，克終者蓋寡——交付
9.1 處理器中指令的交付、取消、更新
9.2 RISC-V 架構特點對於交付的簡化
9.3 蜂鳥E203 處理器中指令交付的硬體實現
9.4 小結

第10章讓子彈飛一會兒——寫回
10.1 處理器的寫回
10.2 蜂鳥E203 處理器的寫回硬體實現
10.3 小結

第11章記憶體
11.1 記憶體概述
11.2 RISC-V 架構特點對於記憶體存取指令的簡化
11.3 RISC-V 架構的記憶體存取指令
11.4 蜂鳥E203 處理器核心的記憶體子系統硬體實現
11.5 小結

第12章黑盒子的視窗—匯流排界面單元
12.1 單晶片匯流排協定概述
12.2 自訂匯流排協定ICB
12.3 ICB 的硬體實現
12.4 蜂鳥E203 處理器核心BIU
12.5 蜂鳥E203 處理器SoC 匯流排
12.6 小結

第13章不得不說的故事—中斷和異常
13.1 中斷和異常概述
13.2 RISC-V 架構異常處理機制
13.3 RISC-V 架構中斷定義
13.4 RISC-V 架構中與中斷和異常相關的CSR
13.5 蜂鳥E203 處理器中異常處理的硬體實現
13.6 小結

第14章最不起眼的其實是最難的—偵錯機制
14.1 偵錯機制概述
14.2 RISC-V 架構的偵錯機制
14.3 蜂鳥E203 處理器中的偵錯機制
14.4 小結

第15章動如脫兔，靜若處子—低功耗的訣竅
15.1 處理器低功耗技術概述
15.2 RISC-V 架構的低功耗機制
15.3 蜂鳥E203 處理器低功耗機制的硬體實現
15.4 小結

第16章工欲善其事，必先利其器—RISC-V 可擴充輔助處理器
16.1 領域特定架構
16.2 RISC-V 架構的可擴充性
16.3 蜂鳥E203 處理器的輔助處理器擴充機制——NICE
16.4 蜂鳥E203 處理器的輔助處理器參考範例

第三部分開發實戰

第17章先冒個煙——執行Verilog 模擬測試
17.1 E203 開放原始碼專案的程式層次結構
17.2 E203 開放原始碼專案的測試用例
17.3 E203 開放原始碼專案的測試平台
17.4 在測試平台中執行測試用例

第18章套上殼子上路—更多實踐

附錄A RISC-V 架構的指令集
A.1 RV32GC 架構概述
A.2 RV32E 架構概述
A.3 蜂鳥E203 處理器支援的指令清單
A.4 暫存器組
A.5 指令的PC
A.6 定址空間劃分
A.7 大端格式或小端格式
A.8 工作模式
A.9 Hart
A.10 重定模式
A.11 中斷和異常
A.12 記憶體位址管理
A.13 記憶體模型
A.14 指令類型
A.15 虛擬指令
A.16 指令編碼

附錄B RISC-V 架構的CSR
B.1 蜂鳥E203 處理器支援的CSR 列表
B.2 RISC-V 標準CSR
B.3 蜂鳥E203 處理器自訂的CSR

附錄C RISC-V 架構的PLIC
C.1 概述
C.2 PLIC 中斷目標
C.3 PLIC 中斷源
C.4 PLIC 中斷處理機制
C.5 PLIC 暫存器小結
C.6 複習與比較

附錄D 記憶體模型背景
D.1 為何要有記憶體模型的概念
D.2 記憶體模型定義的內容
D.3 記憶體模型應用實例
D.4 RISC-V 架構的記憶體模型

附錄E 記憶體原子操作指令背景
E.1 上鎖問題
E.2 透過原子操作解決上鎖問題
E.3 透過互斥操作解決上鎖問題
E.4 RISC-V 架構的相關指令

附錄F RISC-V 指令編碼清單

附錄G RISC-V 虛擬指令列表

图书序言

ISBN：9786267146873
規格：平裝 / 464頁 / 17 x 23 x 2.27 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
出版地：台灣

本書分類：電腦資訊> 程式設計/APP開發> 其他程式設計相關

图书试读

前言

　　● 您是否想學習工業級 Verilog RTL 數位 IC 設計的精髓與技巧？

　　● 您是否閱讀了許多電腦系統結構的圖書仍不明就裡？

　　● 您是否想揭開 CPU 設計神秘的面紗，並親自設計一款處理器？

　　● 您是否想學習國際一流公司真實的 CPU 設計案例？

　　● 您是否想用最短的時間熟悉並掌握 RISC-V 架構？

　　● 您是否想深入理解並使用一款免費可靠的開放原始碼 RISC-V 處理器和完整的SoC 平台？

　　如果您對上述任意一個問題感興趣，本書都將是您很好的選擇。

　　芯來科技公司的團隊彙整了國際一流公司多年從事CPU設計工作的豐富經驗，開發了一款超低功耗RISC-V處理器（蜂鳥E203），蜂鳥E203處理器也是一款開放原始碼的RISC-V處理器。

　　本書將用通俗易懂的語言，深入淺出地剖析RISC-V處理器的微架構以及程式實現，為讀者揭開CPU設計的神秘面紗，打開深入了解電腦系統結構的大門。

　　作為一本系統介紹RISC-V架構且結合實際RISC-V開放原始碼範例進行講解的技術圖書，本書對配套的開放原始碼實例蜂鳥E203專案進行全面介紹。透過對本書的學習，讀者能夠快速掌握並輕鬆使用RISC-V處理器。本書旨在為推廣RISC-V架構造成促進作用，同時透過對蜂鳥E203處理器的開放原始碼與解析，為RISC-V 處理器的普及貢獻綿薄之力。

　　本書共分3部分，各部分主要內容如下。

　　第一部分概述CPU與RISC-V，包括第1 ∼ 4章。該部分將介紹CPU的一些基礎背景知識、RISC-V架構的誕生和特點。

　　第1章主要介紹CPU的基礎知識、指令集架構的歷史、自主研發CPU的發展現狀及原因、CPU的應用領域、各領域的主流架構、RISC-V架構的誕生背景等。

　　第2章主要介紹RISC-V架構及其特點，著重分析其大道至簡的設計理念，並闡述RISC-V和以往曾經出現過的開放架構有何不同。

　　第3章主要對當前全世界的商業或開放原始碼RISC-V處理器進行盤點，分析其優缺點。

　　第4章主要對蜂鳥E203處理器核心和SoC的特性介紹。

　　第二部分主要講解如何使用Verilog設計CPU，包括第5 ∼ 16章。該部分將對蜂鳥E203處理器核心的微架構和原始程式碼進行深度剖析，結合該處理器核心進行處理器設計案例分析。

　　第5章主要從宏觀的角度著手，介紹若干處理器設計的技巧、蜂鳥E203處理器核心的整體設計思想和頂層介面，幫助讀者整體認識蜂鳥E203處理器的設計要點，為後續各章針對不同部分展開詳述奠定基礎。

　　第6章說明處理器的一些常見管線結構，並介紹蜂鳥E203處理器核心的管線結構。

　　第7章說明處理器的取指功能，並介紹蜂鳥E203處理器單選指單元的微架構和原始程式。

　　第8章說明處理器的執行功能，並介紹蜂鳥E203處理器核心執行單元的微架構和原始程式。

　　第9章說明處理器的交付功能和常見策略，並介紹蜂鳥E203處理器核心交付單元的微架構和原始程式。

　　第10章說明處理器的寫回功能和常見策略，並介紹蜂鳥E203處理器核心的寫回硬體實現和原始程式。

　　第11章說明處理器的記憶體架構，並介紹蜂鳥E203處理器核心記憶體子系統的微架構和原始程式。

　　第12章說明蜂鳥E203處理器核心的匯流排界面模組，介紹其使用的匯流排協定，以及該模組的微架構和原始程式。

　　第13章說明RISC-V架構定義的中斷和異常機制，討論蜂鳥E203處理器核心中斷和異常的硬體微架構及其原始程式。

　　第14章說明處理器的偵錯機制，介紹RISC-V架構定義的偵錯方案、蜂鳥E203處理器偵錯機制的硬體實現微架構和原始程式。

　　第15章說明處理器的低功耗技術，並以蜂鳥E203處理器為例闡述其低功耗設計的訣竅。

　　第16章說明如何利用RISC-V的可擴充性，並以蜂鳥E203的輔助處理器介面為例詳細闡述如何訂製一款輔助處理器。

　　第三部分是開發實戰，包括第17章和第18章。該部分將對蜂鳥E203開放原始碼專案結構及內容介紹，並詳細講解蜂鳥E203的系統模擬平台以及如何進行Verilog模擬測試。

　　第17章主要介紹在蜂鳥E203開放原始碼平台上如何運行Verilog模擬測試。

　　第18章主要概括基於蜂鳥E203 SoC進行嵌入式開發與工程實踐的大綱。

　　附錄A∼附錄G將對RISC-V 架構進行詳細介紹，對RISC-V架構細節感興趣的讀者可以先行閱讀附錄部分。

　　附錄A主要介紹RISC-V架構的指令集。

　　附錄B主要介紹RISC-V架構的CSR。

　　附錄C主要介紹RISC-V架構定義的平台級中斷控制器（Platform Level Interrupt Controller，PLIC）。

　　附錄D主要介紹記憶體模型（memory model）的相關背景知識，幫助讀者更深入地理解RISC-V架構的記憶體模型。

　　附錄E主要結合多執行緒「鎖」的範例對記憶體原子操作指令的應用背景進行簡介。

　　附錄F和附錄G分別介紹RISC-V指令編碼清單和RISC-V虛擬指令列表。

用户评价

评分☆☆☆☆☆

这本关于RISC-V的书籍简直是为我这种对处理器架构知之甚少却又对底层技术充满好奇的“小白”量身定做的入门指南。我一直听说RISC-V是未来的趋势，但那些动辄几百页的官方手册和晦涩难懂的学术论文，总是让我望而却步。这本书的结构设计非常巧妙，它没有一上来就抛出复杂的指令集细节，而是先用非常生动的语言勾勒出RISC-V的“生态位”和它与其他主流架构的本质区别。我特别喜欢作者在开篇对“精简指令集”哲学思想的阐述，那种大道至简的智慧，让我瞬间对这个开源项目产生了浓厚的兴趣。书中对不同扩展模块的介绍也很有条理，不像有些技术书籍那样堆砌术语，而是结合实际的应用场景，让我能清晰地理解为什么需要这些特定的扩展。更重要的是，它似乎总能在我快要迷失在技术细节的泥潭时，及时把我拉回到宏观的视角，让我明白我们正在构建的是什么，以及为什么它很重要。这本书成功地降低了进入RISC-V世界的门槛，让我第一次感觉到，原来处理器设计并非遥不可及的“高冷”技术。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和视觉呈现方面做得相当出色，这对于一本技术工具书来说，往往是容易被忽视却又至关重要的细节。我拿到的纸质版本，墨迹清晰，图表设计简洁明了，不会出现那种为了炫技而堆砌的、让人眼花缭乱的流程图。特别是涉及到寄存器和内存布局的部分，作者使用了非常清晰的区块划分和色彩标记，使得原本复杂的位操作和地址映射关系变得一目了然。我常常在阅读其他书籍时，需要频繁地来回翻页以对照图表和文字描述，但在这本书中，这种需求大大减少了。这种注重用户体验的设计哲学，体现了作者对读者阅读感受的尊重。同时，书中对复杂概念的解释采用了多角度论证的方法，即同一知识点可能在不同章节以不同的侧重点被提及，这确保了知识的深度和广度都能被覆盖到，真正做到了融会贯通，而不是死记硬背孤立的知识点。

评分☆☆☆☆☆

我是一名资深的嵌入式软件工程师，过去几年里，我们团队的项目一直被困在特定商业CPU架构的授权和版本迭代的限制中，这极大地限制了我们的创新速度。因此，我急切地寻找一本能够快速将我们团队的技术栈迁移到RISC-V的实战手册，这本书无疑是极大的惊喜。它没有停留在理论层面，而是大量篇幅用于指导如何搭建开发环境、如何进行工具链的配置与交叉编译。书中关于如何将一个简单的C语言程序编译成RISC-V汇编，以及如何用仿真器（Simulator）进行初步的调试过程，描述得细致入微，每一个步骤都配有清晰的命令行示例。这种“手把手”的教学方式对于我们这种急需产出成果的工程团队来说，效率提升是立竿见影的。我尤其欣赏作者对编译流程中各个阶段（从预处理到链接）的剖析，这帮助我们更好地理解编译器优化对最终代码性能的影响，使我们能更有效地进行性能调优，这比单纯阅读GCC或Clang的官方文档要直观得多。

评分☆☆☆☆☆

我最欣赏这本书的地方在于其对“开源”精神的贯彻和应用。它不仅仅是介绍RISC-V这个开源架构，更像是提供了一套“开源”的学习方法论。书中对于如何利用社区资源、如何阅读和理解开源工具链（如GCC、LLVM）的源代码来进行调试和二次开发，给出了非常实用的建议。很多技术书籍写完就结束了，但这本书似乎预设了读者会进入下一阶段的学习——参与到生态建设中去。作者在章节末尾提出的若干个“可供探索的进阶问题”以及推荐的参考资料，质量非常高，这些都指向了最前沿的、仍在发展中的RISC-V技术分支，比如向量扩展（V Extension）的最新进展。这使得这本书的价值远远超出了一个纯粹的教程范畴，它更像是一份长期的学习路线图，激励着读者不断探索和贡献，而不是简单地掌握知识点后就束之高阁。

评分☆☆☆☆☆

对于那些有一定数字逻辑基础，希望深入理解现代CPU流水线设计原理的技术爱好者来说，这本书提供了一个绝佳的、基于RISC-V指令集的实践平台。作者在讲解指令集的背后，巧妙地穿插了关于流水线冲突、分支预测等核心计算机体系结构概念的讨论。通过分析特定RISC-V指令是如何在不同深度的流水线中执行的，我们不仅学到了指令集本身，更重要的是领悟了现代处理器设计中性能瓶颈和优化策略的关键所在。书中对模拟硬件实现的讨论，虽然没有深入到Verilog/VHDL的层面，但其对指令译码、执行单元和访存单元行为的抽象描述，已经足够让有志于FPGA或ASIC设计的读者找到进一步深化的方向。这本书更像是一座桥梁，它将高层次的软件概念与底层的硬件实现紧密地联系起来，让人感觉到理论不再是空中楼阁，而是可以通过实际的指令集落地实现的蓝图。