序

與汪文祥老師相識(shí)源于2016年籌辦全國大學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力大賽。彼時(shí)，以本科生開發(fā)CPU、操作系統(tǒng)、編譯器為目標(biāo)的系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)改革已進(jìn)入第10個(gè)年頭。在教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“教指委”）的大力推動(dòng)下，在北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、南京大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)這8所系統(tǒng)能力培養(yǎng)示范高校的帶動(dòng)下，全國數(shù)十所高校加入教學(xué)改革的行列，系統(tǒng)能力培養(yǎng)逐漸成為計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)研究與改革的熱點(diǎn)之一。面對(duì)教學(xué)改革蓬勃推進(jìn)的態(tài)勢(shì)，一個(gè)關(guān)鍵問題擺在我們面前：如何檢驗(yàn)教學(xué)改革后的學(xué)生能力培養(yǎng)成效？

在教指委的支持和指導(dǎo)下，經(jīng)過深入考慮和多方調(diào)研，我們決定舉辦面向全國大學(xué)生的系統(tǒng)能力大賽，希望通過大賽來檢驗(yàn)教學(xué)改革的成效，進(jìn)一步推進(jìn)教學(xué)改革，同時(shí)將企業(yè)融入人才培養(yǎng)的生態(tài)。這個(gè)想法得到了龍芯公司的積極響應(yīng)，并指派汪老師加入大賽的技術(shù)組。

大賽從哪個(gè)環(huán)節(jié)開始呢？從技術(shù)來看，CPU是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)乃至信息技術(shù)領(lǐng)域的基石。從產(chǎn)業(yè)的角度，如果我國有一大批熟知CPU等硬件系統(tǒng)原理與特性的人才，那么他們必將在我國信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮重要作用。從教學(xué)改革成熟度的角度，CPU相關(guān)的教學(xué)改革歷史久、體系全、影響大。從學(xué)生培養(yǎng)的角度，能做出CPU的學(xué)生必定是一流的學(xué)生，其專業(yè)基礎(chǔ)與能力毋庸置疑，更重要的是這些學(xué)生有過做出CPU的“巔峰體驗(yàn)”，這勢(shì)必極大地增強(qiáng)其挑戰(zhàn)未來的信心與雄心。最終，我們決定于2017年先行啟動(dòng)CPU賽道，一定程度上這也是為其他賽道“探路”。

從2017年到2020年，連續(xù)四屆大賽讓我們看到了學(xué)生們對(duì)CPU設(shè)計(jì)的熱情，他們的學(xué)習(xí)能力、工程能力與創(chuàng)新能力超乎我們的想象。更可喜的是，一些高校將系統(tǒng)能力大賽的技術(shù)方案融入課程教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)支撐競(jìng)賽、競(jìng)賽牽引教學(xué)的良性迭代。同時(shí)，我們也看到，參賽團(tuán)隊(duì)主要由本科二年級(jí)、三年級(jí)的學(xué)生組成。雖然他們具有極強(qiáng)的學(xué)習(xí)熱情與能力，但無論從技術(shù)還是工程上，開發(fā)一個(gè)CPU對(duì)于他們來說都并非易事。

人才培養(yǎng)的核心要義在于普惠。因此，教育者必須努力尋找和構(gòu)建一個(gè)適合絕大多數(shù)學(xué)生的技術(shù)路線，不僅要降低他們的學(xué)習(xí)曲線的陡峭程度，還應(yīng)使他們能運(yùn)用工程化的方法完成具有挑戰(zhàn)性的成果。如何才能讓更多僅學(xué)習(xí)和實(shí)踐過有限的CPU知識(shí)的學(xué)生參與CPU設(shè)計(jì)呢？這就必須要進(jìn)一步縮小教學(xué)與競(jìng)賽的難度差。

在我們技術(shù)組幾位成員的“游說”下，汪老師勇挑重?fù)?dān)，用了一年多的時(shí)間為零基礎(chǔ)的讀者編寫了這本CPU設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)之書。這本書的獨(dú)特之處很多，印象最深的有以下幾點(diǎn)：

1）對(duì)初學(xué)者非常友好。這本書從介紹工業(yè)界真實(shí)的CPU設(shè)計(jì)流程開始，一步步帶領(lǐng)讀者從單周期CPU設(shè)計(jì)逐步深入到流水線、添加指令、增加異常與中斷的支持，并完成AXI總線接口、TLB MMU和Cache的設(shè)計(jì)，最終開發(fā)出一個(gè)入門級(jí)CPU。在此基礎(chǔ)上還可以增加指令、運(yùn)行Linux，進(jìn)一步完善CPU的功能和性能。讀者完全可以按照書中的指導(dǎo)設(shè)計(jì)出自己的CPU。

2）融入了很多工程經(jīng)驗(yàn)。產(chǎn)品化的CPU開發(fā)要考慮很多工程因素、注意很多工程細(xì)節(jié)，這些知識(shí)通常在教科書中是不會(huì)講到的。汪老師結(jié)合自己豐富的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在書中給出了很多提示和指引來幫助讀者解決設(shè)計(jì)過程中那些看似不起眼但常常會(huì)困擾大家的問題。甚至對(duì)如何閱讀、理解指令系統(tǒng)規(guī)范，汪老師也分享了自己的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于讀者來說，這些實(shí)踐中的真知灼見不僅對(duì)于設(shè)計(jì)CPU是非常寶貴的，對(duì)于未來的工作也具有重要的參考價(jià)值。

3）適合作為計(jì)算機(jī)組成、體系結(jié)構(gòu)相關(guān)課程的配套實(shí)踐教材。汪老師長(zhǎng)期兼任國科大本科體系結(jié)構(gòu)課程的教師，深諳系統(tǒng)類課程實(shí)踐教學(xué)中的痛點(diǎn)和難點(diǎn)。本書很多素材來源于汪老師在教學(xué)中的實(shí)踐和思考。這套實(shí)踐方案很好地將理論課程中離散的知識(shí)點(diǎn)熔接為一套系統(tǒng)化的知識(shí)體系，從而有助于提升教學(xué)的質(zhì)量。

系統(tǒng)能力培養(yǎng)是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的一次教育、教學(xué)改革的重大探索與實(shí)踐。面對(duì)正在或即將開展系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)改革的眾多高校與任課教師，面對(duì)積極備戰(zhàn)全國大學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力大賽的廣大參賽選手，我們熱切期盼更多志同道合之士加入這個(gè)行列，將更多優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源提供給廣大學(xué)子。

祝各位閱讀愉快！

高小鵬

北京航空航天大學(xué)

PREFACE

前　　言

CPU，中文全稱為中央處理單元，簡(jiǎn)稱處理器，是現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的核心器件。如果你想了解一臺(tái)計(jì)算機(jī)是如何構(gòu)建并工作的，那么深入了解CPU的設(shè)計(jì)非常有用。不過，這個(gè)美好的愿望是否會(huì)遭遇“骨感”的現(xiàn)實(shí)呢？畢竟一談及CPU，大家馬上想到的是英特爾（Intel）、超微半導(dǎo)體（AMD）、蘋果（Apple）、安謀（ARM）、高通（Qualcomm）這些國際知名公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，進(jìn)而認(rèn)為CPU設(shè)計(jì)是一件遙不可及的事情，普通學(xué)習(xí)者要想掌握它簡(jiǎn)直就是天方夜譚。

那么CPU設(shè)計(jì)到底難不難呢？實(shí)話說，要做出具有世界一流水平的產(chǎn)品確實(shí)不容易。別看CPU個(gè)頭不大，它卻是一個(gè)復(fù)雜度極高的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)CPU挑戰(zhàn)的是一個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)工程研發(fā)的能力。不過，從20世紀(jì)60年代第一款CPU問世至今，CPU設(shè)計(jì)所涉及的基本技術(shù)已經(jīng)很成熟了。同時(shí)，自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具的水平也有了大幅度提升。普通學(xué)習(xí)者想在CPU設(shè)計(jì)領(lǐng)域初窺堂奧，不再是無法實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想。

本書作者在給新入行的工程師進(jìn)行培訓(xùn)以及給高校學(xué)生授課的過程中，得到的反饋卻并不樂觀。對(duì)于大多數(shù)新手來說，設(shè)計(jì)一個(gè)入門級(jí)的CPU還是很有難度的。結(jié)合我們?cè)谘邪l(fā)工作中的成長(zhǎng)經(jīng)歷，以及在培訓(xùn)和教學(xué)過程中獲得的反饋，我們認(rèn)為最大的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)一個(gè)CPU需要綜合掌握多方面的知識(shí)，而初學(xué)者往往在“綜合”這個(gè)環(huán)節(jié)遇到了困難。毫不夸張地說，對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)入門級(jí)CPU所需要的各方面知識(shí)，我們都能找出很多優(yōu)秀的教材、講義、論文、代碼。如果僅僅把這些資料交給一個(gè)初學(xué)者，讓他通過自學(xué)這些資料來設(shè)計(jì)CPU，那么能把CPU設(shè)計(jì)出來的只有少數(shù)“悟性高”的人。我們都知道，一個(gè)國家要想提高某項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)的水平，關(guān)鍵的因素是從事該項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的人數(shù)足夠多。同理，要想在信息技術(shù)的核心領(lǐng)域做到世界一流，沒有一大批“懂行”的技術(shù)開發(fā)人員是很難實(shí)現(xiàn)的。面對(duì)當(dāng)前急需芯片開發(fā)人才的形勢(shì)，要想在短時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)出大量行業(yè)急需的高素質(zhì)人才，僅僅指望學(xué)習(xí)者自身“悟性高”是行不通的，需要找到行之有效的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練方法。

本書作者所在的龍芯團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)CPU產(chǎn)品近20年，在CPU設(shè)計(jì)方面積累了豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。在本書中，我們將結(jié)合自身的研發(fā)實(shí)踐，盡可能深入淺出地介紹如何從零開始一步步設(shè)計(jì)出一個(gè)入門級(jí)的CPU，以及在這個(gè)過程中應(yīng)該掌握哪些知識(shí)、遵守哪些設(shè)計(jì)原則、規(guī)避哪些設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、使用哪些開發(fā)技巧。我們希望這些從工程實(shí)踐中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)茏鳛楦咝Ｕn程教學(xué)中知識(shí)講授環(huán)節(jié)的有益補(bǔ)充，幫助更多初學(xué)者更快、更扎實(shí)地掌握CPU設(shè)計(jì)的知識(shí)，具備CPU設(shè)計(jì)能力。

本書的內(nèi)容安排

本書分為三個(gè)部分。第1～3章為第一部分，介紹業(yè)界進(jìn)行CPU研發(fā)的過程以及硬件/云端平臺(tái)、FPGA設(shè)計(jì)、Verilog等CPU設(shè)計(jì)中必要的基礎(chǔ)知識(shí)。第4～10章為第二部分。在第二部分，我們從設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的單周期CPU開始，逐步引入流水線設(shè)計(jì)，添加指令，增加例外和中斷的支持，并完成AXI總線接口、TLB MMU和高速緩存（Cache）的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最終完成一個(gè)入門級(jí)CPU的設(shè)計(jì)。這樣一個(gè)處理器核已經(jīng)不再是用來玩“過家家”游戲的玩具，而是一個(gè)能夠滿足絕大多數(shù)實(shí)際的嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景需求、可以運(yùn)行教學(xué)用的操作系統(tǒng)的真實(shí)產(chǎn)品。第11章為第三部分，在這里，我們會(huì)對(duì)一些進(jìn)階設(shè)計(jì)內(nèi)容給出建議，例如會(huì)介紹如何在第二部分完成的產(chǎn)品基礎(chǔ)上添加少量的指令和功能，再在CPU上運(yùn)行Linux內(nèi)核。

各章的內(nèi)容簡(jiǎn)要介紹如下。

第1章介紹CPU芯片產(chǎn)品的研發(fā)過程，使讀者對(duì)CPU產(chǎn)品開發(fā)的全過程有初步的認(rèn)識(shí)和了解，為后續(xù)各章的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

第2章介紹硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及FPGA設(shè)計(jì)流程，包括“龍芯CPU設(shè)計(jì)與體系結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的介紹，以及FPGA的一般設(shè)計(jì)流程和基于Vivado工具的FPGA設(shè)計(jì)流程。

第3章介紹數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)。這一章會(huì)結(jié)合CPU的實(shí)際設(shè)計(jì)開發(fā)工作，對(duì)如何使用Verilog代碼進(jìn)行數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)給出建議，并給出CPU設(shè)計(jì)中常用的數(shù)字邏輯電路的可綜合Verilog描述。此外，這一章還會(huì)介紹數(shù)字邏輯電路功能仿真中常見的錯(cuò)誤及其調(diào)試方法。對(duì)于缺少電路仿真調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的初學(xué)者來說，這部分內(nèi)容具有很好的指導(dǎo)作用。

第4章介紹簡(jiǎn)單流水線CPU設(shè)計(jì)。這一章將從一個(gè)支持19條指令的單周期CPU設(shè)計(jì)開始，先討論如何將其改造成不考慮相關(guān)沖突的流水線，然后考慮用阻塞解決相關(guān)沖突，最后引入數(shù)據(jù)前遞設(shè)計(jì)。在介紹設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，這一章還對(duì)書中所采用的實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境進(jìn)行介紹，并講解相關(guān)的仿真調(diào)試技術(shù)。

第5章介紹如何在流水線CPU中添加運(yùn)算類指令。主要內(nèi)容包括如何在第4章完成的簡(jiǎn)單流水線CPU基礎(chǔ)之上添加算術(shù)邏輯運(yùn)算類指令、乘除法運(yùn)算類指令，以及乘除法配套的數(shù)據(jù)搬運(yùn)指令。

第6章介紹如何在流水線CPU中添加轉(zhuǎn)移指令和訪存指令。主要內(nèi)容包括如何在第5章完成的CPU基礎(chǔ)之上添加條件分支、間接跳轉(zhuǎn)和Link類轉(zhuǎn)移三類轉(zhuǎn)移指令，以及添加對(duì)齊與非對(duì)齊訪存指令。

第7章介紹例外和中斷。這一章首先對(duì)例外和中斷的基本概念，以及MIPS指令系統(tǒng)中的例外和中斷的定義進(jìn)行簡(jiǎn)要的梳理，然后介紹如何在第6章完成的CPU基礎(chǔ)之上添加對(duì)于例外和中斷的支持。CPU有了這兩部分的支持之后，就可以運(yùn)行一些簡(jiǎn)單的嵌入式操作系統(tǒng)了。

第8章介紹AXI總線接口設(shè)計(jì)。這一章首先對(duì)完成CPU設(shè)計(jì)所需要的AXI總線協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容加以回顧，然后通過實(shí)現(xiàn)類SRAM總線接口、實(shí)現(xiàn)類SRAM-AXI轉(zhuǎn)接橋、集成類SRAM-AXI轉(zhuǎn)接橋三個(gè)階段性任務(wù)來完成CPU中AXI總線接口的添加。

第9章介紹TLB MMU的設(shè)計(jì)。這一章首先對(duì)TLB相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理，然后通過TLB模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、TLB相關(guān)CP0寄存器與指令的實(shí)現(xiàn)、將TLB模塊集成到流水線中完成虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換功能并支持TLB例外這三個(gè)階段性任務(wù)來完成整個(gè)TLB MMU的設(shè)計(jì)。

第10章介紹高速緩存（Cache）設(shè)計(jì)。這一章只介紹最簡(jiǎn)單的Cache設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)任務(wù)同樣被分解成Cache模塊設(shè)計(jì)、Cache模塊集成、CACHE指令支持三個(gè)循序漸進(jìn)的階段性任務(wù)。

第11章就一些進(jìn)階設(shè)計(jì)問題給出我們的建議，主要涉及啟動(dòng)內(nèi)核需要補(bǔ)充哪些設(shè)計(jì)、如何進(jìn)一步提升主頻、如何進(jìn)行超標(biāo)量設(shè)計(jì)、如何設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制、如何設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)器、如何優(yōu)化訪存性能、如何設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制以及如何添加多核支持。

本書的附錄分別對(duì)本書案例相關(guān)的開發(fā)板、Vivado的安裝與進(jìn)階使用、MIPS指令系統(tǒng)規(guī)范、在線調(diào)試等內(nèi)容進(jìn)行了補(bǔ)充介紹。

可以看到，本書主體內(nèi)容是圍繞著一系列進(jìn)階任務(wù)展開的。在第二部分的每一章中，都會(huì)給出有針對(duì)性的任務(wù)，同時(shí)給出與之對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)與設(shè)計(jì)建議。完成本書各章“任務(wù)與實(shí)踐”部分所需資源可登錄華章網(wǎng)站（www.hzbook.com）下載。我們希望讀者在時(shí)間和精力允許的情況下，先嘗試根據(jù)自己的想法完成設(shè)計(jì)任務(wù)，有了自己的深入思考和親身實(shí)踐后，再來看書中給出的講解，相信會(huì)有不一樣的體會(huì)，正所謂“不憤不啟，不悱不發(fā)”。之所以推薦這種比較“虐”自己的學(xué)習(xí)方式，源于作者在長(zhǎng)期的研發(fā)工作中得到的一個(gè)感悟：好的工程師是bug“喂”出來的。對(duì)于CPU設(shè)計(jì)與開發(fā)這種工程性、實(shí)踐性極強(qiáng)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(cuò)，非要自己錯(cuò)過一次才能刻骨銘心；教科書上、論文中已經(jīng)寫得清清楚楚的設(shè)計(jì)思路，只有自己在設(shè)計(jì)的路上碰壁無數(shù)次之后才會(huì)有如獲至寶的欣喜。要想真正進(jìn)入CPU設(shè)計(jì)的大門，僅僅靠坐在圖書館里看書幾十個(gè)小時(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，它需要走路、吃飯甚至是睡覺的時(shí)候都在思考如何設(shè)計(jì)的那種“為伊消得人憔悴”，更需要通宵達(dá)旦調(diào)試的那份執(zhí)著與堅(jiān)持。

致謝

本書的寫作得到了作者所任職的龍芯中科技術(shù)有限公司的大力支持。正是在多個(gè)部門的眾多同事的幫助之下，我們才能從零開始寫完本書并完成了所有的實(shí)驗(yàn)任務(wù)的開發(fā)。在此感謝他們對(duì)本書無私的支持！特別感謝龍芯公司芯片研發(fā)部IP組的全體同事、通用事業(yè)部和教育事業(yè)部的同事們，沒有他們的辛勤付出，本書將無法面世。

我們非常感謝教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)研究專家組、機(jī)械工業(yè)出版社華章分社的各位專家和老師，感謝所有致力于我國大學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的老師們，正是他們的滿腔熱情和不懈努力激勵(lì)著我們寫出這本書。我們衷心希望這本書能為我國大學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)事業(yè)盡一份綿薄之力。

我們還要特別感謝中國科學(xué)院大學(xué)參與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研討課的同學(xué)們，以及歷屆“龍芯杯”全國大學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽的參賽選手們，他們的反饋?zhàn)屵@本書的內(nèi)容更加充實(shí)和完整。

由于CPU設(shè)計(jì)和開發(fā)工作體系龐大、內(nèi)容繁多，盡管我們已經(jīng)盡力展現(xiàn)其中的核心內(nèi)容，但難免有掛一漏萬之處，懇請(qǐng)各位老師和讀者批評(píng)、指正。

作者