前言

CPU，中文全称为中央处理单元，简称处理器，是现代电子计算机的核心器件。如果你想了解一台计算机是如何构建并工作起来的，那么深入了解CPU的设计非常有用。不过，这个美好的愿望是否会遭遇骨感的现实呢？毕竟一谈及CPU，大家马上会想到的是英特尔（Intel）、超微半导体（AMD）、苹果（Apple）、安谋（ARM）、高通（Qualcomm）这些国际知名公司生产的产品，进而认为CPU设计是一件遥不可及的事情，普通学习者要想掌握它简直就是天方夜谭。

那么CPU设计到底难不难呢？实话实说，要做出具有世界一流水平的产品确实不容易。别看CPU个头不大，它却是一个复杂度极高的系统。设计CPU挑战的是一个团队进行复杂系统工程研发的能力。不过，从20世纪60年代第一款CPU问世至今，CPU设计所涉及的基本技术已经很成熟了。同时，自动化设计工具的水平也有了大幅度提升。普通学习者想在CPU设计领域初窥堂奥，不再是无法实现的梦想。

本书作者在给新入行的工程师进行培训以及给高校学生授课的过程中，得到的反馈却并不乐观。对于大多数新人来说，设计一个入门级的CPU还是很有难度的。结合我们在研发工作中的成长经历，以及在培训和教学过程中获得的反馈，我们认为最大的难点在于设计一个CPU需要综合掌握多方面的知识，而初学者往往在“综合”这个环节遇到了困难。毫不夸张地说，对于设计一个入门级CPU所需要的各方面知识，我们都能找出很多对应的优秀教材、讲义、论文、代码。如果仅仅把这些资料交给一个初学者，让他通过自学这些资料来设计CPU，那么能把CPU设计出来的只有少数“悟性高”的人。我们都知道，一个国家要想切实提高某项体育运动的整体水平，关键是要增加参与和从事该项运动的人员数量。同理，要想在信息技术的核心领域做到世界一流，没有一大批“懂行”的技术开发人员是很难实现的。面对当前急需芯片开发人才的形势，要想在短时间内培养出大量行业急需的高素质人才，仅仅指望学习者自身“悟性高”是行不通的，需要找到行之有效的学习和训练方法。

本书作者所在的龙芯团队进行CPU产品自主研发20余年，在CPU设计方面积累了丰富的实战经验。在本书中，我们将结合自身的研发实践，尽可能深入浅出地介绍如何从零开始一步步设计出一个入门级的CPU，以及在这个过程中应该掌握哪些知识、遵守哪些设计原则、规避哪些设计风险、可以使用哪些开发技巧。我们希望这些从工程实践中总结的经验能作为高校相关课程教学中知识讲授环节的有益补充，帮助更多初学者更快、更扎实地掌握CPU设计的知识，具备CPU设计能力。

本书内容安排

本书分为三个部分。第1～3章为第一部分，介绍产业界进行CPU研发的过程以及本地及远程FPGA实验平台、FPGA上板实现、Verilog应用实例等CPU设计中必要的基础知识。第4～10章为第二部分。在第二部分，我们从一个仅实现5条指令的单周期CPU设计开始，逐步引入流水线设计，添加指令，增加异常和中断的支持，并完成AXI总线接口、TLB MMU和高速缓存（Cache）的设计与实现，最终完成一个入门级的CPU的设计。这样一个CPU已经不再是一个大作业级别的课程设计，而是一个能够满足绝大多数实际的嵌入式应用场景需求、可以运行教学用的操作系统的真实作品。第11～12章为第三部分，在这一部分，我们为准备进阶设计的读者给出一些指导和建议，包括进阶实验开发环境与常用的设计优化方案。

全书各章的内容简要介绍如下。

第1章简要介绍CPU芯片产品的研发过程，使读者对CPU产品开发的全过程有初步的认识和了解，为后续各章的学习奠定基础。

第2章介绍硬件实验平台及FPGA设计流程。包括龙芯体系结构教学硬件实验平台的介绍，以及FPGA的一般设计流程和基于Vivado工具的FPGA设计流程。

第3章复习数字逻辑电路设计相关内容。通过结合CPU的实际设计开发需求，对如何使用Verilog代码进行数字逻辑电路设计给出建议，并给出CPU设计中常用的数字逻辑电路的可综合Verilog描述示例。此外，这一章还会讲述数字逻辑电路功能仿真常见的错误及其调试方法。对于缺少电路仿真调试经验的初学者来说，这部分内容具有很好的指导作用。

第4章介绍单周期CPU设计。该章将从一个支持5条指令的单周期CPU设计开始，然后逐步扩展设计直至支持20条指令。在讲述设计的过程中，还将穿插介绍验证设计所需的实验环境以及基于trace比对的仿真调试方法。

第5章介绍简单流水线CPU设计。这一章将对前一章完成的单周期CPU设计进行流水化改进，先讨论如何将其改造成不考虑相关冲突的流水线，然后考虑用阻塞解决相关冲突，最后引入数据前递设计。在介绍设计方法的同时，这一章还将分享一些CPU设计的仿真调试技术。

第6章介绍如何在流水线CPU中继续实现更多普通用户态指令的支持，具体包括算术逻辑运算类指令、乘除法运算类指令、转移指令和访存指令。

第7章介绍异常和中断的实现。这一章首先对异常和中断的基本概念，以及LoongArch指令系统中的异常和中断的具体定义进行简要的梳理，然后介绍如何在前一章完成的CPU基础之上实现异常和中断的支持。CPU有了这两部分的支持之后，就可以运行一些简单的嵌入式操作系统了。

第8章介绍AXI总线接口设计。这一章首先对完成CPU设计所需要的AXI总线协议的相关内容加以简要回顾，然后通过实现类SRAM总线接口、实现类SRAM-AXI转接桥、集成类SRAM-AXI转接桥三个阶段性任务来完成CPU中AXI总线接口的添加。

第9章介绍存储管理单元（MMU）的设计。这一章首先对MMU相关的知识点进行梳理，然后通过TLB模块的设计实现、MMU 相关控制状态寄存器与指令的实现以及TLB模块集成到流水线中并支持MMU相关异常几个阶段性任务来完成整个MMU的设计。

第10章介绍高速缓存（Cache）设计。这一章只介绍最简单的Cache设计，其设计任务同样被分解成Cache模块设计、Cache模块集成、Cache维护指令支持三个循序渐进的阶段性任务。

第11章介绍进阶实验开发环境。这一介绍的实验环境主要基于龙芯教育开源芯片开发平台Chiplab构建，具体涉及整个开发环境的组织与构成、软件仿真验证和FPGA上板功能验证几方面内容的介绍。

第12章就一些进阶设计优化方案给出我们的建议，主要涉及如何进一步提升主频、如何进行超标量设计、如何设计动态调度机制、如何设计转移预测器、如何优化访存性能以及如何添加多核支持。

本书的附录分别对本书使用的本地实验环境、Vivado软件的安装和使用等内容进行了补充介绍。

可以看到，本书主体内容是围绕着一系列进阶任务展开的。在第二部分的每一章中，都会给出有针对性的任务，同时给出与之对应的知识点与设计建议。我们希望读者在时间和精力允许的情况下，先尝试根据自己的想法完成设计任务，有了自己的深入思考和亲身实践后，再来看书中给出的讲解，相信一定会有不一样的体会，正所谓“不愤不启，不悱不发”。之所以推荐这种比较“虐”自己的学习方式，源于作者在长期的研发工作中得到的一个感悟：好的工程师是bug“喂”出来的。对于CPU设计与开发这种工程性、实践性极强的工作来说，眼观千遍不如手过一遍。前辈们千叮咛、万嘱咐不要犯的错，非要自己错过一次才能刻骨铭心；教科书上、论文中已经写得清清楚楚的设计思路，只有自己在设计的路上碰壁无数次之后才会有如获至宝的欣喜。要想真正进入CPU设计的大门，仅仅靠坐在图书馆里看书几十个小时是远远不够的，它需要走路、吃饭甚至是睡觉的时候都在思考如何设计的那种“为伊消得人憔悴”，更需要通宵达旦调试的那份执着与坚持。

致谢

本书的写作得到了作者所任职的龙芯中科技术股份有限公司的大力支持。正是在多个部门的众多同事的帮助之下，我们才能从零开始写完本书并完成了所有的实验任务的开发。在此感谢他们对本书无私的支持！特别感谢龙芯公司芯片研发部、教育事业部和龙芯实验室的同事和同学们，没有他们的辛勤付出，本书将无法面世。

我们也非常感谢教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会、系统能力培养教学研究专家组、机械工业出版社华章分社的各位专家和老师，感谢所有致力于我国大学生计算机系统能力培养的老师们，正是他们的满腔热情和不懈努力激励着我们写出这本书。我们衷心希望这本书能为我国大学生计算机系统能力培养事业尽一份绵薄之力。

我们还要特别感谢中国科学院大学参与计算机体系结构研讨课的同学们，以及历届“龙芯杯”全国大学生计算机系统能力培养大赛的参赛选手们，他们的反馈让这本书的内容更加充实和完整。

由于CPU设计和开发工作体系庞大、内容繁多，尽管我们已经尽力展现其中的核心内容，但难免有挂一漏万之处，恳请各位老师和读者批评、指正。