自己動手寫CPU pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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圖書標籤:

• CPU
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• 電子工程
• 計算機體係結構

　　本書將帶領您使用Verilog HDL 設計實現一款兼容MIPS32指令集架構的處理器：OpenMIPS。

　　全書共分為三篇。第一篇是理論篇，介紹瞭指令集架構、Verilog HDL的相關知識。第二篇是基礎篇，採用增量模型，實現瞭教學版OpenMIPS處理器。首先實現瞭僅能執行一道指令的處理器，從這個最簡單的情況齣發，逐步實現邏輯操作指令、移位操作指令、空指令、移動操作指令、算術操作指令、轉移指令、加載儲存指令、協處理器存取指令、異常相關指令，逐步完成教學版OpenMIPS處理器。第三篇是進階篇，透過為教學版OpenMIPS加上Wishbone總綫接口，從而實現瞭實踐版OpenMIPS處理器，並與SDRAM控製器、GPIO模塊、Flash控製器、UART控製器、Wishbone總綫互聯矩陣等模塊組成一個小型SOPC，然後下載到FPGA晶片以驗證實現效果，最後為實踐版OpenMIPS處理器移植瞭嵌入式實時操作係統μC/OS-II。

作者簡介

雷思磊

　　理工男，好靜，倡導低碳生活，常以環保人士自居，喜讀書，自幼篤信「博觀而約取，厚積而薄發」。是故，所讀書籍甚為駁雜，年近而立，尚不確定根本興趣目標，一日，駐足書架之前，細覽所讀書籍，驚覺隨歲月增長，關注點依次從程式設計、作業係統、驅動程式設計轉移至處理器結構，此一脈絡極其清晰，遂如醍醐灌頂，幡然醒悟，原來根本興趣目標在「底層」，在於從根本上理解世界之運行，遂耗數年時間鑽研處理器工作原理，乃有些微收獲，拙作當為數年辛苦之小結，然學無止境，科技發展亦日新月異，唯有持續鑽研，方能大成，屈子曰：路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。此言甚是，餘定謹記而遵行之。

第1章 處理器與MIPS
介紹目前主流的指令集架構，由於OpenMIPS採用MIPS32指令集架構，所以本章將特彆著重MIPS32指令集架構的說明。

第2章 可程式設計邏輯裝置與Verilog HDL
介紹瞭FPGA、Verilog HDL的基礎知識，FPGA是可程式設計邏輯裝置的一種，本書的實踐版OpenMIPS處理器就將在FPGA上執行。

第3章 教學版OpenMIPS 處理器藍圖
介紹瞭教學版OpenMIPS處理器的設計藍圖，包括設計目標、處理器介麵，以及最終完成時組成OpenMIPS的各個模組的作用。

第4章 第一條指令ori 的實現
實現瞭OpenMIPS處理器的第一道指令ori，之所以選擇這條指令作爲第一道指令，就是因爲它夠簡單，指令ori用來實現邏輯“或”運算，透過這道簡單指令的實現，初步建立瞭OpenMIPS的五階管綫架構。

第5章 邏輯、移位操作與空指令的實現
討論並解決瞭管綫資料的相依問題，然後修改第4章的OpenMIPS，實現瞭MIPS32指令集架構中定義的邏輯、移位操作與空指令。

第6章 移動操作指令的實現
介紹並實作MIPS32指令集架構中定義的移動操作指令。

第7章 算術操作指令的實現
介紹並實作MIPS32指令集架構中定義的算術操作指令。

第8章 轉移指令的實現
介紹並實作MIPS32指令集架構中定義的轉移指令，OpenMIPS支援延遲轉移。

第9章 載入儲存指令的實現
介紹並實作MIPS32指令集架構中定義的載入儲存指令。

第10章 協同處理器存取指令的實現
介紹並實作MIPS32指令集架構中定義的協同處理器CP0，以及協同處理器存取指令。

第11章 異常相關指令的實現
介紹並實作MIPS32指令集架構中定義的異常相關指令，並實現瞭異常處理。
在每一類指令的實現程式中，都是先介紹該類指令的格式、作用和用法，然後介紹實現思路，接著透過修改程式碼實現該類指令，最後，編寫測試程式，使用模擬的方式驗證實現的正確性。

第12章 實踐版OpenMIPS處理器設計與實現
介紹在教學版OpenMIPS處理器的基礎上，透過Wishbone匯流排介麵模組的加入，實現瞭實踐版OpenMIPS處理器。

第13章 基於實踐版OpenMIPS的小型SOPC
講述設計實現瞭基於實踐版OpenMIPS處理器的小型可程式設計係統單晶片SOPC的整個過程。

第14章 驗證實踐版OpenMIPS處理器
將第13章實作的小型SOPC下載到實際的硬體平颱上，編寫測試程式，驗證實踐版OpenMIPS處理器實現的正確性。

第15章 為OpenMIPS 處理器移植μC/OS-II
介紹瞭嵌入式即時作業係統μC/OS-II，並將其移植到本書設計的OpenMIPS處理器上，進一步驗證瞭實踐版OpenMIPS處理器實現的正確性，也爲OpenMIPS處理器發揮實際作用奠定瞭基礎。

序

　　自1971年世界上第一款單晶片微處理器4004誕生已逾40多年，使用“日新月異”來形容這40多年處理器的發展變化亦不爲過，無論是速度、整閤度，還是架構等許多方麵都有瞭前人難以想像的變化。不過可惜的是，處理器設計製造一直都是高科技行業，輕易無法涉足。大多數人對處理器的直觀印象就是一個銀白色的小晶片，有許多接腳，至於裏麵是如何工作的，則不甚瞭解，更不用說自己製作處理器瞭。

　　幸運的是，在處理器發展的同時，可程式設計邏輯裝置也在持續發展。可程式設計邏輯裝置不僅是技術的革新，也帶來瞭觀念的革新、設計流程的革新。如今透過編寫程式碼可以在可程式設計邏輯裝置上實現十分復雜的電路設計，比如處理器。於是，普羅大衆也能有機會瞭解處理器內部的實現原理，甚至參與處理器的設計、研發。

　　實際上，目前已經有很多可以下載到可程式設計邏輯裝置上執行的處理器，這些處理器稱爲軟核心處理器，例如：NiosII、OR1200、LEON3、OpenSparc等，這些軟核心處理器有的是開源的，有的不是開源的。筆者在前期深入閱讀瞭幾款開源軟核心處理器的程式碼，包括：OC8051、OR1200、LEON3。其中，OC8051是OpenCores提供的一款8位元兩階管綫處理器，與Intel 8051相容，是CISC（Complex Instruction Set Computer）類型，採用Verilog HDL編寫程式碼。OR1200是OpenCores提供的一款32位元五階管綫處理器，是RISC（Reduced Instruction Set Computer）類型，也採用Verilog HDL編寫程式碼。LEON3是由Gaisler Research公司設計發布的一款32位元七階管綫處理器，也是RISC類型，但採用的是VHDL編寫程式碼。

　　透過閱讀上述開源軟核心處理器的程式碼，一方麵消除瞭筆者對處理器的神秘印象，另一方麵也激發瞭筆者強烈的創作衝動，陸遊曾言：紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。是啊！爲何不自己也寫入一個處理器？於是世間又多瞭一款開源處理器OpenMIPS。OpenMIPS是具有哈佛架構的32位元五階管綫純量處理器，相容MIPS32架構，這樣可以使用現有的MIPS編譯開發環境。它分爲教學版和實踐版兩個版本，每個版本都使用VHDL和Verilog HDL兩種語言編寫。

　　本書以Verilog HDL編寫的版本爲例，詳細介紹瞭OpenMIPS從無到有、從小到大、一步一步成長完善的過程。

评分☆☆☆☆☆

坦白說，一開始在書店看到《自己動手寫CPU》這本書名，我其實有點猶豫。畢竟「寫CPU」聽起來就不是一件簡單的事，我自認對電腦硬體並非專傢，擔心內容會過於艱澀難懂，看不下去。但架不住好奇心，還是翻瞭翻，結果意外地發現這本書的切入點非常巧妙。它沒有一味地強調理論，而是結閤瞭實際操作的思路，甚至會讓你思考「如果我是設計者，我會怎麼做？」這種問題。書中討論到指令集架構（ISA）的部分，讓我印象深刻。作者並沒有死記硬背各種指令的用途，而是從CPU需要處理的任務齣發，解釋為何需要這些指令，以及指令如何被翻譯成機器碼。這個思考過程，比起單純記憶指令錶，更能讓你理解指令集的設計理念。而且，書中似乎也提到瞭一些關於如何模擬CPU運作的工具或方法，這點對我來說非常實用。我一直對「軟體如何驅動硬體」感到好奇，而這本書就像是打通瞭這兩者之間的任督二脈。它讓我瞭解到，即使是一個微小的指令，背後都牽涉到複雜的邏輯和硬體設計。我迫不及待想把我學到的知識，應用到一些小型的程式設計練習中，看看能不能更深層次地理解。

评分☆☆☆☆☆

收到《自己動手寫CPU》這本書，我真的感到非常驚喜！我一直覺得，學習電腦知識，不能僅僅停留在操作介麵，而是應該深入瞭解其核心是如何運轉的。這本書正好滿足瞭我這個願望。它以一種非常紮實的步驟，帶領讀者一步一步地建構一個CPU。從最基礎的邏輯閘開始，到組閤邏輯電路，再到時序邏輯電路，以及最後的指令集架構和控製單元，整個過程都寫得相當清晰。最讓我感動的是，書中並非僅僅列齣各種組件，而是會探討這些組件是如何相互配閤，共同完成指令的執行的。例如，當CPU接收到一個指令時，控製單元是如何指揮ALU進行運算，暫存器又是如何儲存中間結果的，這些流程都被詳細地描述瞭。我甚至在閱讀的過程中，會試著在腦海中想像這些電路工作的樣子，感覺就像是在觀看一場微型的、精密的機械錶演。這本書的內容，對於我理解電腦科學的一些經典問題，例如馮紐曼架構、圖靈機等，都有瞭更直觀的認識。我相信，透過這本書，我對CPU的理解將會更加深刻，也更能體會到工程師們在設計這些精巧裝置時所付齣的智慧。

评分☆☆☆☆☆

這本《自己動手寫CPU》實在太對我的胃口瞭！我一直以來都對電腦底層的運作原理很好奇，但坊間的書籍動輒就是複雜的電路圖和一堆我看得懂又看不懂的術語，讓人望之卻步。沒想到這本書以一種非常友善、循序漸進的方式，帶領讀者從最基礎的概念開始，一步一步理解CPU是如何誕生的。作者的文字功力很不錯，即使是講述非常抽象的邏輯閘、指令集這些，也能用生活化的比喻和淺顯的語言來解釋，讓人不會感到壓力。我最喜歡的部分是它沒有直接丟給你一個完整的CPU設計，而是讓你從頭開始，先學會畫邏輯閘，然後組成加法器、多工器，再慢慢擴展到更複雜的單元。這個過程就像是在搭樂高積木，每完成一個小單元，都有成就感，也更能理解整個CPU是如何組閤起來的。書中的圖解也相當用心，不是那種隨便貼幾張圖充數，而是能夠真正幫助讀者理解概念的輔助工具。我甚至已經開始動手在紙上畫一些簡單的電路圖，試著模擬書中的例子。這本書真的讓我對電腦不再隻是“使用”的工具，而是能“理解”它為何能運作的奇妙機器。

评分☆☆☆☆☆

這本《自己動手寫CPU》的確是一本讓人愛不釋手的好書。作為一個在資訊科技領域摸爬滾打多年的老兵，我曾經接觸過不少關於計算機架構的書籍，但很多都流於理論，或是過於針對特定架構，缺乏一種通用的、引人入勝的引導。而這本書，則是以一種非常「實戰」的角度，讓我們理解CPU的設計脈絡。它沒有迴避那些相對複雜的部分，例如指令解碼、快取機製等，而是將它們拆解成易於理解的單元，並解釋其在整個CPU工作流程中的作用。我尤其欣賞書中對於「為什麼要這樣設計」的深入探討。很多時候，我們隻是知道CPU有某個功能，但不知道為何它會以這種方式實現。這本書卻能追溯到最初的設計考量，比如為瞭提高性能、降低功耗，或是為瞭相容性等。這種「溯源」式的講解，讓我對CPU的理解上升瞭一個層次。而且，書中似乎也暗示瞭透過軟體模擬來驗證設計的思路，這對於學習者來說是一個非常寶貴的切入點。我個人認為，這本書非常適閤那些有一定程式基礎，但想更深入瞭解硬體運作原理的讀者。

评分☆☆☆☆☆

我必須說，《自己動手寫CPU》這本書的內容實在是讓人耳目一新！通常談到CPU，大傢的第一印象都是一片片的矽晶片，或是高不可攀的技術規格。但這本書卻讓我們有機會扮演「創作者」的角色，從零開始，一步一步地建構齣一個CPU。書中對於CPU的核心元件，像是暫存器、ALU（算術邏輯單元）、控製單元等的介紹，都非常到位。作者沒有使用過於學術化的語言，而是用一種「我們一起來解決這個問題」的語氣，帶領讀者思考如何設計齣這些關鍵部件。我特別喜歡它在解釋「時序」和「流水線」這些概念時，所用的例子。原本以為這些會是極度抽象的內容，沒想到透過書中的圖示和說明，我竟然能大緻理解CPU內部運作的節奏感，以及如何透過流水線來提升效率。這本書的價值不隻在於傳授知識，更在於激發讀者的創造力和解決問題的能力。它讓我覺得，原來設計一個CPU，並非遙不可及的夢想，而是可以透過係統性的學習和實踐來達成的。我強烈推薦給所有對電腦硬體有興趣，或是想進一步瞭解計算機科學的讀者。