RISC-V处理器与片上系统设计:基于FPGA与云平台的实验教程
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RISC-Ⅴ是一种开源的处理器指令集架构,具有开放性、模块化、可扩展的特点,同时具有进入门槛较低的优势,在近期掀起一股热潮。在全球看到很多有潜力的芯片设计公司也已采用RISC-Ⅴ指令集来开发下一代的芯片,甚至是高性能的处理器。我曾经跟作者陈宏铭博士共事,陈博士近期提供了免费的网络课程来普及RISC-Ⅴ指令集的相关技术,很高兴看到他撰写这本跟RISC-Ⅴ相关的书籍来推广RISC-Ⅴ技术,这也是他对中国集成电路行业尽一份心力。

——创意电子 严亦宽博士

因为开放的架构和生态,RISC-Ⅴ被比作“半导体行业的Linux”,获得了广泛的支持,RISC-Ⅴ生态体系正在全球范围内快速崛起。本书作者是从事RISC-Ⅴ推广和设计支持的一线专业人士,是RISC-Ⅴ生态体系的积极倡导者和构建者。作者的精彩描述为读者提供了一本能快速入门、学习FPGA的基础知识、掌握相关流程细节并轻松实践的专业书籍。

——华中科技大学 屈代明教授

RISC-Ⅴ是近几年热起来的开源指令集架构。具有设计小型、快速、低功耗的特点,非常适合于嵌入式系统应用。而其开源的特性,使基于RISC-Ⅴ的SoC芯片拥有广阔市场前景。宏铭师弟的书,从架构到芯片,从设计到验证,从硬件到软件,从技术到应用,都有详细说明,是了解和推广RISC-Ⅴ的好教材。

——上海燧原科技有限公司董事长 赵立东

科技竞争日益激烈,中国和美国这两个战略竞争对手同时选择投资RISC-Ⅴ,这也充分说明RISC-Ⅴ是个战略机遇。但开源芯片的性质与开源软件有很大不同,需要先行者不断地探索。2019年,我担任了在北京举办的Bench Council“国际芯片大会”程序委员会主席,邀请陈宏铭博士在“芯片教育与人才培养论坛”分享RISC-Ⅴ开源芯片教学。很高兴见到陈博士在这个领域做了很多有益的探索,希望这本书的出版会吸引更多的年轻人一起推动该领域的发展。

——中科院计算所研究员,国科大岗位教授,Bench Council委员会主席 詹剑锋博士

伴随着2020年5G规模化商用的进程,AIoT及云端的应用场景将迎来前所未有的繁荣与机遇,更多智能化的边缘设备需要具有深度定制且“自主可控”的处理器芯片,如此才能助力我们屹立在第四次工业革命的潮头且不在最上游遭人处处掣肘。在工业界互联网巨头的造芯运动背后,矗立着一个无比闪耀的名字——RISC-Ⅴ。在学术界,图灵奖得主David Patterson与John Hennessy教授口中的“未来计算机体系结构黄金十年”与RISC-Ⅴ也有着千丝万缕的联系。然而,目前市面上能够将业界经验与学术界教研充分融合的RISC-Ⅴ相关著作十分稀缺,在听闻作者陈宏铭博士有意撰写此书之初,就让我十分期待。

陈博士在半导体业界有超过20年的资深经历,辅以作为武汉大学客座教授的育人经验,在本书中将RISC-Ⅴ处理器介绍及SoC设计的FPGA实现等内容写得淋漓尽致。从RISC-Ⅴ的前世今生到FPGA设计流程,从领域专用语言(DSL)Chisel到云端SoC开发平台,从SystemVerilog到移植多任务实时操作系统,作者将自己多年的工程实践经验与RISC-Ⅴ领军企业SiFive的技术及工具无缝整合,以Digilent FPGA平台为载体,将RISC-Ⅴ指令架构、处理器核心设计、SoC系统搭建、FPGA硬件部署、嵌入式OS适配等一系列内容在读者面前缓缓展开,循序渐进,环环相扣。

本书中作者所选用的Nexys A7 FPGA硬件开发平台被全球上万名工程师及2 000多所高校应用于科研与教学工作中,便于读者在动手实践中借鉴业界经验,并与全球同行、同学无缝交流。期待你能和我一样在成为本书读者的同时,能跟随作者在动手实践中体会处理器及SoC设计的快乐。

——美国Digilent(迪芝伦)科技有限公司大中华区总经理 李甫成

处理器指令集是软件和硬件的接口,也是制约我国处理器产业发展的核心顽疾之一。RISC-Ⅴ指令集架构,以其精简的技术风格及完全开放的模式特性,将开源的理念真正地落实到了硬件层面。发展RISC-Ⅴ及其相关的产业对实现我国自主可控的生态链至关重要。

我国的RISC-Ⅴ产业还处于起步阶段,其未来成功与否最终取决于对相关人才的培养。陈宏铭师兄是工业界中少数有无限激情,且愿意把时间花在教育的第一线,为学生手把手答疑解惑的人。陈师兄将其宝贵的经验进行系统的梳理进而形成了这本书,用真实示例引导读者由浅入深掌握全流程。这在市面上已有书籍中是很少见的,也因此弥足珍贵。相信各位读者无论是初学的爱好者,或是有基础的开发人员,一定都会从中获得你们需要的知识,帮助你们少走一些弯路。和各位读者一样,我也很期待这本新书的面世。

——上海交通大学微纳电子学系教授、系主任助理 纪志罡

AIoT时代,越来越多的RISC-Ⅴ芯片,如MCU、AI芯片涌现,让我们看到RISC-Ⅴ生态欣欣向荣的发展趋势。操作系统是RISC-Ⅴ落地重要的一环,RT-Thread是一款由中国开源社区主导开发的loT操作系统,全面兼容RISC-Ⅴ,当前已在市场大批量出货的RISC-Ⅴ芯片厂商,如中科蓝讯、芯智等,均选择RT-Thread作为其芯片原生系统。

很高兴看到陈宏铭博士撰写RISC-Ⅴ处理器应用书籍,讲解RT-Thread在RISC-Ⅴ上的移植和使用,可以给众多正在或有意设计RISC-Ⅴ芯片及使用RISC-Ⅴ芯片的开发者借鉴参考,意义重大,让RISC-Ⅴ技术链接更多开发者!

——RT-Thread创始人 熊谱翔

RISC-Ⅴ的重要性毋庸置疑,它起源于加州大学伯克利分校的处理器项目,经过多次迭代,其指令集和参考处理器设计全部开源,是新兴的处理器IP生态,特别适合电子信息类及计算机类大学生学习和实践。陈宏铭博士作为我校客座教授,也是我院电子信息工程专业“卓越工程师计划”企业导师,一直为卓工班的同学讲授RISC-Ⅴ系列课程,课程深入浅出,实战性强,学生上手快,深受学生好评!我相信本书的出版,对于普及RISC-Ⅴ具有极高的推动作用,能够帮助大学生快速掌握RISC-Ⅴ基本知识及相关应用。本书既是一本关于RISC-Ⅴ课程极好的实践类教程,也是一本极好的关于RISC-Ⅴ及嵌入式系统软硬件设计参考书,值得大力推荐!

——武汉大学电子信息学院电子科学与技术系 邹炼教授

AI、5G和IoT时代的来临,加上政府推动集成电路自主可控的方向及相关政策,让开源RISC-Ⅴ架构在国内深受关注。陈宏铭博士有深厚的半导体产业实战经历,在国际知名的集成电路设计及EDA/IP公司都曾任要职,目前还担任武汉大学客座教授。及时出版的这本图书,由浅入深介绍了RISC-Ⅴ架构,加上三种主流硬件设计语言,最后引领读者实际应用在FPGA上实现案例。相信对RISC-Ⅴ有学习兴趣的同业人员来说是非常好的实用参考书籍。我有幸成为陈博士在台湾清华的学长,并曾经在Mentor共事,在此祝贺陈博士新书发表顺利成功!

——Mentor,a Siemens Business全球资深副总裁兼亚太区总裁 彭启煌

随着人工智能算法及计算系统的发展,模型可以做到更小、更实时,硬件可以做到更高效、更可靠,越来越多的智能系统开始向端上迁移。正逢5G时代大踏步将至,“新基建”的热潮也已掀起,AIoT应用系统将拥有广阔的市场发展前景。RISC-Ⅴ是应用系统的灵魂,依靠其开放、可定制、可扩展的特点,受到了业内的广泛关注,成了“自主可控”芯片方案操作系统的优秀选项。陈博士在人工智能与物联网行业内深耕多年,基于丰富的经验积累,将架构、芯片、软件、应用等各方面的内容为读者做了详细而清晰的解读,有助于读者快速而系统地学习RISC-Ⅴ的相关知识。期待能有更多的有志之士接触此书,将RISC-Ⅴ运用于自己的领域应用中,创造价值,造福民众,共同推动领域技术的进步。

——清华大学电子工程系主任、信息科学技术学院副院长 汪玉教授

近来,迅速发展的RISC-Ⅴ处理器技术已经成为信息技术领域极为耀眼的角色,其先进的技术架构和开源的授权模式,正在激发全新的商业模式和全球的应用热潮。毫无疑问,RISC-Ⅴ将成为开源硬件界的Linux,推动信息技术产业的硬件基础发展产生重大的变革。

当前,RISC-Ⅴ处理器技术在AI、云计算和物联网等方面的应用方兴未艾。陈宏铭博士在SoC设计领域具多年丰富的经验,近年来尤其在RISC-Ⅴ应用推广方面颇有建树,他编写的这本书结合了赛昉科技业内领先的RISC-Ⅴ实现和一套系统完整的嵌入式处理器IP应用教程,具有相当高的学术水平。我相信本书的出版,对于从事芯片设计和电子系统开发的工程师、初学者和大学生具有极高的参考价值,能帮助他们快速地掌握RISC-Ⅴ处理器技术的应用,并为推动我国集成电路行业的创新水平提升做出一定的贡献。

——上海道生物联技术有限公司总经理 何辉

作为新一代RISC架构处理器的代表,RISC-Ⅴ在未来智能硬件领域具有广泛的应用前景。陈博士在集成电路与系统设计领域浸润多年,对集成电路前后端设计有深入的理解,积累了深厚的设计和项目管理经验。陈博士的专著聚焦基于开源RISC-Ⅴ处理器的FPGA系统设计,令我非常期待。特别是陈博士于2020年暑期在北京大学开设暑期学校课程——基于RISC-Ⅴ处理器的系统级芯片设计流程,与北大学子及来自全世界的IC才俊分享基于RISC-Ⅴ架构的SoC设计理念。借开源之春风,籍RISC-Ⅴ之翼,共圆强芯之梦!

——北京大学 贾嵩副教授

数年来,RISC-Ⅴ改变的已经不仅仅是微处理器设计这个细分领域,而是已经不断地向整个数字设计和敏捷开发方法等领域渗透。陈博士的这本书及时抓住了这个时机,脚踏实地地向读者展示了如何用这些新技术构建一个完整的系统,值得一读。为陈博士的热情和奉献精神点赞!

——RISC-Ⅴ推广者、爱好者 郭雄飞

为应对新一轮科技革命和产业变革的挑战,服务国家战略和区域发展需求,教育部提出不断推动新工科建设再深化、再拓展、再突破、再出发的要求。当前国内各高校都积极主动地把新工科建设作为专业建设和人才培养改革的主战场,重点方向包括加强学科交叉、推动校企合作、加快知识更新等。

在众多新工科领域中,信息技术最为活跃,涉及高校、专业、学生人数均遥遥领先。随着当今信息技术朝着数字化、集成化、智能化方向快速发展,移动互联网、云计算、物联网、大数据、人工智能等新兴产业呈现了爆发式增长的局面,产业也对掌握最新信息开发技术的数字逻辑工程师提出了海量的需求。

以陈宏铭博士为首的作者团队撰写的这本新教材,跨接了电子信息和计算机两大学科领域,深度贴合新工科发展理念。具体内容涵盖新一代FPGA硬件编程开发技术、开源RISC-Ⅴ处理器构架技术、RT-Thread实时多任务操作系统技术等,抓住行业急需和关键热点,具有突出的时代性和先进性。

同时,该教材的编排很有特色,所有知识点均以系列实验为支撑,既是工程师培养最快速有效的方式,也便于高校的课程教学应用。特此向电子信息类的各个专业和计算机相关专业师生推荐此教材。

——东南大学教师教学发展中心主任(原电子科学与工程学院书记) 汤勇明

由于RISC-Ⅴ的诸多优秀特性,如简单、高效、精巧、可扩展性、免费与开放带来的低成本及创新,越来越多的大公司及优秀的工程师把目光投向了这一领域,国家与地方政府也越来越重视,这一转变越发明显。陈宏铭博士的书籍从理论、代码到实践,从芯片工程师最常用的Verilog语言到最新的Chisel语言,深入浅出地为广大初学者学习或芯片从业人员转型,切入RISC-Ⅴ内核的开发提供了很好的教材及参考读物。

——菁音科技创始人、CEO 何小学

RISC-Ⅴ凭借其开放性和先进性,短时间内在处理器设计领域掀起了一阵革命之风。随着AIoT时代的到来,RISC-Ⅴ架构精简高效的优势更能发挥得淋漓尽致,有望成为x86、ARM两种主流架构之外的强劲势力。RISC-Ⅴ在技术界的风靡也吸引了大批工程从业者、学生及业余爱好者的广泛关注。然而,目前在国内系统性的教材资料还较为缺乏。本书围绕RISC-Ⅴ的架构、SoC设计、嵌入式开发等方面展开,循序渐进,环环相扣,不失为一本全面且高质量的RISC-Ⅴ入门书籍。

——南京大学电子科学与工程学院特聘教授、IEEE Fellow 王中风

陈博士是易百德微电子的合作伙伴和朋友,他知识渊博、乐观和蔼,在半导体行业深耕20余年。在RISC-Ⅴ的萌芽阶段,陈博士就毫不犹豫地进入这个开拓性领域,并常年不辞辛劳地在企业和学校进行RISC-Ⅴ的推广和技术指导,其心可敬。本书的推出,是他为RISC-Ⅴ处理器的发展做出的实实在在的贡献,其内容适合有志于开发RISC-Ⅴ片上系统的学生参考,可以在软硬件的开发上获得启发。

——航油易百德微电子有限公司CTO 何舒风

二十世纪八九十年代是处理器架构百花齐放的黄金时代,第一代RISC处理器诞生于1981年,经过了与CISC处理器长时间的PK和互相借鉴,在二十一世纪初的时候,世界上基本只剩下了x86、ARM这两大架构和Power、MIPS这两个相对影响力较小的架构。2010年在加州大学伯克利分校又诞生了第五代RISC处理器RISC-Ⅴ(V这里是罗马数字五),至今也已经十年了。期间RISC-Ⅴ也经历了从被怀疑到逐渐被认可的过程。这得益于RISC-Ⅴ的开源、灵活与进入门槛较低的特点。然而进入门槛较低并不意味着做好RISC-Ⅴ就容易。与之相反,想要开发一款成功的RISC-Ⅴ处理器需要具备从处理器微架构设计到操作系统软件等各方面的知识及深厚的实践经验。我有幸在多年前与陈宏铭博士相识,对他在技术方面的专注与积累十分佩服。很高兴得知陈博士撰写这本RISC-Ⅴ的书籍,并且从FPGA设计开始,带领读者们实现一个RISC-Ⅴ的处理器设计及操作系统的移植。相信本书会有助于众多希望入门RISC-Ⅴ的朋友们快速熟悉相关技术。

——Imagination Technologies 中国区战略市场与生态高级总监 时昕博士

This book allows the reader to delve in the wonderful land of RISC-Ⅴ.It pedagogically introduces the topic,from the basics to the technical notions related to the instruction set.Implementation aspects are also covered,which provides to the user with a 360° view on RISC-Ⅴ architecture and performance.Eventually,my friend Hongming shares his experience of successful integrations,at several levels: system-on-chip,application,and in specialized domains.Legacy CPUs have revealed as extremely vulnerable to real-world attacks.RISC-Ⅴ is renowned for reversing the CPUs architecture in its correct order.In addition,RISC-Ⅴ is the announcement of a new paradigm for trustworthy computing.Users value the openness/transparency of the design which limits the risks of stealthy side-channels leaks or misconfigurations leading to aforementioned DVFS-attacks.A new area is opened for solid foundation of trusted computing,fueled by secure-by-design root-of-trusts from device to cloud.Throughout this book,enjoy learning about RISC-Ⅴ and become an expert in modern CPU-centric device design! Have a rich read!

——CTO of Secure-IC (France),Professor at Telecom Paris,associate researcher at Ecole Normale Superieure (ENS),and Adjunct Professor at Chinese Academy of Sciences,Sylvain Guilley.