叢書序言
序
前言
第1章 CPU芯片研發過程概述 1
1.1 處理器和處理器核 1
1.2 芯片產品的研制過程 2
1.3 芯片設計的工作階段 3
第2章 硬件實驗平臺及FPGA設計流程 5
2.1 硬件實驗平臺 5
2.1.1 龍芯CPU設計與體繫結構教學實驗繫統 5
2.1.2 龍芯計算機繫統能力培養遠程實驗平臺 7
2.2 FPGA的設計流程 8
2.2.1 FPGA的一般設計流程 9
2.2.2 基於Vivado的FPGA設計流程 10
2.2.3 Vivado使用小貼士 33
2.3 任務與實踐 35
第3章 數字邏輯電路設計基礎 36
3.1 數字邏輯電路設計與Verilog代碼開發 36
3.1.1 面向硬件電路的設計思維方式 37
3.1.2 行為描述的Verilog編程風格 38
3.1.3 自頂向下的設計劃分過程 38
3.1.4 常用數字邏輯電路的Verilog描述 39
3.2 數字邏輯電路功能仿真的常見錯誤及其調試方法 55
3.2.1 功能仿真波形分析 56
3.2.2 波形異常類錯誤的調試 60
3.3 進一步使用Vivado 66
3.3.1 定制同步RAM IP核 66
3.3.2 定制異步RAM IP核 68
3.3.3 查看時序結果和資源利用率 69
3.4 任務與實踐 69
3.4.1 實踐任務一：寄存器堆仿真 70
3.4.2 實踐任務二：同步RAM和異步RAM仿真、綜合與實現 71
3.4.3 實踐任務三：數字邏輯電路的設計與調試 72
第4章 簡單流水線CPU設計 74
4.1 設計一個簡單的單周期CPU 75
4.1.1 設計單周期CPU的總體思路 75
4.1.2 單周期CPU的數據通路設計 76
4.1.3 單周期CPU的控制信號生成 88
4.1.4 復位的處理 91
4.2 不考慮相關衝突的流水線CPU設計 92
4.2.1 添加流水級間緩存 92
4.2.2 同步RAM的引入 93
4.2.3 調整更新PC的數據通路 96
4.2.4 不考慮相關衝突情況下流水線控制信號的設計 96
4.3 CPU設計開發環境（CPU_CDE） 97
4.3.1 快速上手CPU設計的開發環境 97
4.3.2 CPU設計開發環境的組織與結構 99
4.3.3 CPU設計開發環境使用進階 113
4.4 CPU設計的功能仿真調試技術 117
4.4.1 為什麼要用基於Trace比對的調試輔助手段 117
4.4.2 基於Trace比對調試手段的盲區及其對策 119
4.4.3 學會閱讀彙編程序和反彙編代碼 119
4.4.4 CPU調試中要抓取的信號以及如何看這些信號 124
4.5 指令相關與流水線衝突 125
4.5.1 處理寄存器寫後讀數據相關引發的流水線衝突 126
4.5.2 轉移計算未完成 127
4.6 流水線數據的前遞設計 127
4.6.1 前遞的數據通路設計 128
4.6.2 前遞的流水線控制信號調整 130
4.6.3 前遞引發的主頻下降 131
4.7 任務與實踐 131
4.7.1 實踐任務一：簡單CPU參考設計調試 132
4.7.2 實踐任務二：用阻塞技術解決相關引發的衝突 132
4.7.3 實踐任務三：用前遞技術解決相關引發的衝突 133
第5章 在流水線中添加運算類指令 134
5.1 算術邏輯運算類指令的添加 134
5.1.1 ADD、ADDI和SUB指令的添加 134
5.1.2 SLTI和SLTIU指令的添加 135
5.1.3 ANDI、ORI和XORI指令的添加 135
5.1.4 SLLV、SRLV和SRAV指令的添加 135
5.2 乘除法運算類指令的添加 136
5.2.1 調用Xilinx IP實現乘除法運算部件 136
5.2.2 電路級實現乘法器 140
5.2.3 電路級實現除法器 147
5.3 乘除法配套數據搬運指令的添加 154
5.3.1 乘法運算實現為單周期的情況 155
5.3.2 乘法運算實現為多周期流水的情況 155
5.4 任務與實踐 156
第6章 在流水線中添加轉移指令和訪存指令 157
6.1 轉移指令的添加 157
6.1.1 BGEZ、BGTZ、BLEZ和BLTZ指令 158
6.1.2 J指令 158
6.1.3 BLTZAL和BGEZAL指令 158
6.1.4 JALR指令 158
6.2 訪存指令的添加 158
6.2.1 LB、LBU、LH和LHU指令的添加 158
6.2.2 SB和SH指令的添加 159
6.2.3 非對齊訪存指令的說明 160
6.2.4 LWL和LWR指令的添加 162
6.2.5 SWL和SWR指令的添加 164
6.3 任務與實踐 164
第7章 例外和中斷的支持 166
7.1 例外和中斷的基本概念 166
7.1.1 例外是一套軟硬件協同處理的機制 166
7.1.2 精確例外 167
7.2 MIPS指令繫統中與例外相關的功能定義 168
7.2.1 CP0寄存器 168
7.2.2 例外產生條件的判定 168
7.2.3 例外入口 170
7.2.4 MFC0和MTC0指令 170
7.2.5 ERET指令 170
7.3 流水線CPU實現例外和中斷的設計要點 170
7.3.1 例外檢測邏輯 170
7.3.2 精確例外的實現 172
7.3.3 CP0寄存器 173
7.3.4 CP0衝突 179
7.4 任務與實踐 180
7.4.1 實踐任務一：添加syscall例外支持 181
7.4.2 實踐任務二：添加其他例外支持 181
第8章 
8.1 類SRAM總線 184
8.1.1 主方和從方 185
8.1.2 類SRAM總線接口信號的定義 185
8.1.3 類SRAM總線的讀寫時序 186
8.1.4 類SRAM

CPU，中文全稱為中央，簡稱處理器，是現代電子計算機的核心器件。如果你想了解一臺計算機是如何構建並工作的，那麼深入了解CPU的設計非常有用。不過，這個美好的願望是否會遭遇“骨感”的現實呢？畢竟一談及CPU，大家馬上想到的是英特爾（Intel）、超微半導體（AMD）、蘋果（Apple）、安謀（ARM）、高通（Qualcomm）這些國際知名公司生產的產品，進而認為CPU設計是一件遙不可及的事情，普通學習者要想掌握它簡直就是天方夜譚。
那麼CPU設計到底難不難呢？實話說，要做出具有世界一流水平的產品確實不容易。別看CPU個頭不大，它卻是一個復雜度極高的繫統。設計CPU挑戰的是一個團隊進行復雜繫統工程研發的能力。不過，從20世紀60年代款CPU問世至今，CPU設計所涉及的基本技術已經很成熟了。同時，自動化設計工具的水平也有了大幅度提升。普通學習者想在CPU設計領域初窺堂奧，不再是無法實現的夢想。
本書作者在給新入行的工程師進行培訓以及給高校學生授課的過程中，得到的反饋卻並不樂觀。對於大多數新手來說，設計一個入門級的CPU還是很有難度的。結合我們在研發工作中的成長經歷，以及在培訓和教學過程中獲得的反饋，我們認為的難點在於設計一個CPU需要綜合掌握多方面的知識，而初學者往往在“綜合”這個環節遇到了困難。毫不誇張地說，對於設計一個入門級CPU所需要的各方面知識，我們都能找出很多優秀的教材、講義、論文、代碼。如果僅僅把這些資料交給一個初學者，讓他通過自學這些資料來設計CPU，那麼能把CPU設計出來的隻有少數“悟性高”的人。我們都知道，一個國家要想提高某項體育運動的水平，關鍵的因素是從事該項運動的人數足夠多。同理，要想在信息技術的核心領域做到世界一流，沒有一大批“懂行”的技術開發人員是很難實現的。面對當前急需芯片開發人纔的形勢，要想在短時間內培養出大量行業急需的高素質人纔，僅僅指望學習者自身“悟性高”是行不通的，需要找到行之有效的學習和訓練方法。
本書作者所在的龍芯團隊自主研發CPU產品近20年，在CPU設計方面積累了豐富的實戰經驗。在本書中，我們將結合自身的研發實踐，盡可能深入淺出地介紹如何從零開始一步步設計出一個入門級的CPU，以及在這個過程中應該掌握哪些知識、遵守哪些設計原則、規避哪些設計風險、使用哪些開發技巧。我們希望這些從工程實踐中總結的經驗能作為高校課程教學中知識講授環節的有益補充，幫助更多初學者更快、更扎實地掌握CPU設計的知識，具備CPU設計能力。

可以看到，本書主體內容是圍繞著一繫列進階任務展開的。在第二部分的每一章中，都會給出有針對性的任務，同時給出與之對應的知識點與設計建議。完成本書各章“任務與實踐”部分所需資源可登錄華章網站（www.hzbook.com）下載。我們希望讀者在時間和精力允許的情況下，先嘗試根據自己的想法完成設計任務，有了自己的深入思考和親身實踐後，再來看書中給出的講解，相信會有不一樣的體會，正所謂“不憤不啟，不悱不發”。之所以這種比較“虐”自己的學習方式，源於作者在長期的研發工作中得到的一個感悟：好的工程師是bug“喂”出來的。對於CPU設計與開發這種工程性、實踐性極強的工作來說，眼觀千遍不如手過一遍。前輩們千叮嚀、萬囑咐不要犯的錯，非要自己錯過一次纔能刻骨銘心；教科書上、論文中已經寫得清清楚楚的設計思路，隻有自己在設計的路上踫壁無數次之後纔會有如獲至寶的欣喜。要想真正進入CPU設計的大門，僅僅靠坐在圖書館裡看書幾十個小時是遠遠不夠的，它需要走路、喫飯甚至是睡覺的時候都在思考如何設計的那種“為伊消得人憔悴”，更需要通宵達旦調試的那份執著與堅持。
致謝
本書的寫作得到了作者所任職的龍芯中科技術有限公司的大力支持。正是在多個部門的眾多同事的幫助之下，我們纔能從零開始寫完本書並完成了所有的實驗任務的開發。在此感謝他們對本書無私的支持！特別感謝龍芯公司芯片研發部IP組的全體同事、通用事業部和教育事業部的同事們，沒有他們的辛勤付出，本書將無法面世。
我們非常感謝高等學校計算機類專業教學指導委員會、繫統能力培養教學研究專家組、機械工業出版社華章分社的各位專家和老師，感謝所有致力於我國大學生計算機繫統能力培養的老師們，正是他們的滿腔熱情和不懈努力激勵著我們寫出這本書。我們衷心希望這本書能為我國大學生計算機繫統能力培養事業盡一份綿薄之力。
我們還要特別感謝中國科學院大學參與計算機體繫結構研討課的同學們，以及歷屆“龍芯杯”全國大學生計算機繫統能力培養大賽的參賽選手們，他們的反饋讓這本書的內容更加充實和完整。
由於CPU設計和開發工作體繫龐大、內容繁多，盡管我們已經盡力展現其中的核心內容，但難免有掛一漏萬之處，懇請各位老師和讀者批評、指正。

作者