手把手教你设计CPU（蜂鸟书）读书笔记

写在最前

这本书讲的是如何用verilog，以riscv为指令集，设计一款CPU。也就是书中说的蜂鸟E200。之前没有看过类似的书，对CPU的工作流程也不熟悉。这本书以verilog为载体，介绍了CPU的基本原理，对于第一次接触CPU内部眼里的菜鸟来说，简直不要太神奇。而且本书开源代码，只要有一块fpga，你也能够自己做出一块CPU来。

第一章~第四章

这是本书的第一部分，主要是一些介绍。诸如RISCV之前的一些架构，以及RV指令集的特性。第三章介绍不同的RV版本，第四章介绍本书的E200的特性。

第五章 E200设计总览

讲了一些很有用的基础知识

1. 架构指的是指令集架构，微架构是根据架构设计的硬件布局
2. 处理器或者CPU往往是一个完整的SOC，和处理器核或者core是处理器的运算核心。

E200的设计哲学

1. 模块化和可重用性
2. 面积最小化
3. 结构简单化
4. 性能不追求极端，够用即可

E200的代码风格

1. 使用标准DFF模块例化生成寄存器
2. 使用assign语句代替ifelse和case
   • 不能传播不定态
   • 面积大
3. 代码即注释
4. 禁止使用CLOCK和RESET

第六章 流水线

五级流水线：取指，译码，执行，访存，写回

流水线也不是必须的，有的处理器用的是状态机。并且流水线的深度不同的处理器也有不同的设置。

流水线的冲突

1. 数据冲突
   • WAR，先读后写
   • WAW，先写后写
   • RAW，先写后读

   这是三种数据依赖性，其中WAW,WAR可以通过寄存器重命名的方式去除依赖，而RAW是真数据相关，就是它必须要读已经写了的这个数据。如果发生这种情况，就要等待写完才可以。有一些解决方法， 比如找个东西记录这种相关性。

E200的流水线

1. IFU取指
2. EXU用来译码和执行
3. LSU用来访存
4. WB用来写回

第七章 取指

概述

1. 对于非分支跳转指令，就连续不断地进行取指即可，就算是不是对齐的32位指令，最好也能够每个周期都能够读一条指令
2. 对于分支跳转指令，能够快速判断是否需要跳转。如果需要跳转，就从新的PC取出指令。
3. 从ITCM或者ICACHE中取指令，E200用的是ITCM，很快。
4. 非对齐的指令，对于顺序执行的，只需要缓存下来，等下次取指拼接到一起就可以了，不耽误时间。但是对于跳转的那种，就用多bank，并行一次取俩，也可以在一个周期内完成。

分支

1. 无条件直接跳转，比如jal x5,offset。这种，立即数就能跳
2. 无条件简洁跳转，不是立即数了，需要从寄存器读跳转的地址
3. 带条件直接跳
4. 带条件间接跳，这个RV里没有

为了提升性能，就要进行分支预测。首先要预测方向，也就是到底跳不跳，还有就是预测地址。

预测方向就有各种方法，比如静态预测和动态预测。

预测地址是除了直接跳转，间接跳转是需要读寄存器的，很耗费时间。就用比如保存之前的分支语句，如果匹配，就直接跳到那个地址之类的方法。

RV对于取指的简化

1. 规整的编码指令格式
2. 指令长度指示码放于低位
3. 简单的分支跳转指令
4. 没有分支延迟槽指令。分支延迟槽是在分支后面放一些不受分支影响的指令，默认现在的分支预测精度已经很高，为了减少硬件成本。
5. 提供明确的静态分支预测依据
6. 提供明确的RAS依据，这个是预测跳转地址的一个方法

IFU的实现

1. 首先从ITCM取指，然后放到IR和PC里，IR是指令寄存器。同时用minidecode进行初步地译码来判断当前指令是普通指令还是分支跳转，然后生成用BPU来做分支预测，生成下一个PC
2. 如果取指令的地址不在ITCM里，就会通过BIU访问外部存储。

第八章 执行

1. 根据IR中的指令，译码和派遣
2. 读寄存器，RD-Regfile
3. 维护数据的相关性，OITF
4. 给各种运算单元执行，ALU，长指令，LSU,EAI等
5. 交付指令
6. 写回寄存器，WB-Regfile

• 系统中有一些特殊的寄存器，叫CSR寄存器，为了存储系统的一些状态。
• 实际的派遣是ALU进行的

流水线冲突，长指令和OITF

1. 资源冲突：就是运算单元的冲突，就等待
2. 数据冲突：正在派遣的指令和尚未执行完成的长指令存在RAW和WAW依赖。

为了检测出这种数据依赖，E200实现了一个OITF模块。其中存储的是已经派遣但是还未写回的长指令信息。然后每次在进行指令派遣的时候，就把本指令的操作数和长指令的向比较，如果有相同的，就说明有相关性，就等待。

ALU+浮点单元

做各种计算

第九章 交付

我理解的交付就是这条指令能够执行，而不是执行完成。

首先ALU会计算是否需要跳转，计算出来之后就发给交付模块。如果交付模块发现结果和预测结果一样，就不会冲刷流水线，否则就冲刷流水线。

第十章 写回

两个仲裁

1. 最终写回仲裁：长指令比单指令有更高优先级。如果没有长指令写回，单指令可以比更早位置的长指令写回。
2. 长指令写回仲裁：根据OITF判断长指令的先后关系，严格控制长指令的写回顺序

第十一章 存储器架构

AGU address generation unit

是ALU的一部分，用于产生访存地址。

LSU ITCM DTCM

A字扩展指令

这里是用于多核操作的原子指令，包括互斥操作等的实现。

第十二章 BIU Bus Interface Unit

E200提出了自己的总线协议ICB

实现了一从多主和多主一从以及多主多从的总线连接方式。

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第十三章 中断和异常

广义上的异常包含了狭义的中断和异常。异常主要包括

1. 同步异常：由于执行程序指令或者试图执行程序指令而造成的异常。这个原因能够被精确定位到某一个指令，而且无论运行多少次，都能够被精确地复现
2. 异步异常：最常见的异步异常就是外部中断，称之为精确异步异常。还有非精确异步异常。

异常处理机制

1. 停止执行当前指令，转而从CSR寄存器mtvec定义的PC地址开始执行
2. 更新其他几个寄存器：异常原因，异常PC，异常值，状态
3. 退出异常
   • 从mepc定义的pc开始执行
   • 更新CSR寄存器mstatus

RV架构中断定义

1. 外部中断：来自处理器核外部的中断，还有一个中断控制器PLIC，用来仲裁外部中断
2. 计时器中断：mtime,mtimecmp
3. 软件中断：软件自己往msip寄存器里写1触发中断
4. 调试中断

一般外部中断优先级最高，软件中断次之，计时器中断再次。

其他章

第十四章是讲如何调试，十五章讲低功耗的各方面优化，十六章讲RV能够进行协处理器扩展。第三部分主要讲如何在实际平台上实现E200。附录讲了RV的指令集等其他RV基础知识。在此不多赘述。