胡振波：我的芯片之路

國內(nèi)CPU產(chǎn)業(yè)方興未艾，x86、ARM和MIPS等傳統(tǒng)商用處理器架構(gòu)呈現(xiàn)“百花齊放”之勢。龍芯、兆芯、飛騰等資深專業(yè)CPU公司在不斷突破，華為、展訊等一線大公司相繼開始研發(fā)自主的處理器核心，海光、華芯通等新銳也開始摩拳擦掌。此時，開放的RISC-V架構(gòu)的誕生，更是錦上添花。可以說，學(xué)習(xí)CPU設(shè)計正當(dāng)時，學(xué)習(xí)RISC-V正當(dāng)時！

胡老師說：“在培訓(xùn)新入門工程師，或與愛好者、學(xué)生交流的過程中，能夠感到CPU設(shè)計這門要求計算機體系結(jié)構(gòu)和軟硬件皆通的技術(shù)令初學(xué)者難以學(xué)習(xí)和掌握，時常遺憾于沒有很好的通俗讀本。”正所謂“曲高和寡，妙伎難工”，CPU設(shè)計過于專業(yè)，相關(guān)的書籍或卷帙浩繁，或晦澀難懂，令初學(xué)者不知從何下手，且難以理解。在實際的練習(xí)中，也難以找到易于學(xué)習(xí)和上手的例程，更別說完整地設(shè)計一款處理器了。如上種種，《手把手教你設(shè)計CPU——RISC-V處理器篇》誕生了，希望本書能夠作為一本通俗讀本，幫助初學(xué)者和愛好者順利越過初期的陡峭學(xué)習(xí)曲線，進(jìn)入CPU設(shè)計的坦途。

異步社區(qū)： 可以介紹一下自己嗎？現(xiàn)在正在做哪些事情？

胡振波：我近十年來主要的學(xué)習(xí)和工作內(nèi)容就是CPU內(nèi)核設(shè)計，從高性能的ARM處理器到低功耗的ARC處理器，再到特殊用途的人工智能處理器，設(shè)計過各種級別的處理器內(nèi)核。自從2016年接觸了開放的RISC-V架構(gòu)之后，便深信其對于重塑IoT產(chǎn)業(yè)和中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的巨大意義，因此便一直在進(jìn)行RISC-V處理器內(nèi)核的相關(guān)開發(fā)和儲備，并且在業(yè)余時間做了大量的RISC-V在國內(nèi)科普和推廣的工作。

此外，我還在推動我們團隊開源的蜂鳥E200在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界的普及，希望為中國IoT產(chǎn)業(yè)賦能，更希望為真正實現(xiàn)“國產(chǎn)自主可控”且“普世通用”的處理器而貢獻(xiàn)自己的綿薄之力。

異步社區(qū)： 推動RISC-V架構(gòu)在國內(nèi)的傳播您覺得最大的阻力是什么？

胡振波：最大的阻力來自兩個方面：

一方面是ARM在中國的影響力太巨大了，中國由于在芯片處理器內(nèi)核方面長期缺乏自主的通用處理器內(nèi)核，幾乎都是購買國外的ARM處理器內(nèi)核核心，這已經(jīng)形成了習(xí)慣。對于RISC-V這樣一種新的架構(gòu)出現(xiàn)，很長一段時間大家都是持懷疑態(tài)度。ARM在中國還成立了合資公司（在全球范圍內(nèi)唯一的國家），所以ARM在中國市場尤其顯得強勢，使得RISC-V在中國的傳播相比別的國家顯得更加緩慢。

另一方面是RISC-V被人曲解而忽略了它在其他層面上的意義。精確地說：RISC-V架構(gòu)是一種Free的指令集架構(gòu)，F(xiàn)ree準(zhǔn)確地說應(yīng)該被翻譯為“自由“而不是“免費”，指令集架構(gòu)也不是一款具體的處理器內(nèi)核。大多數(shù)人對處理器的一些基本的概念并不了解，譬如免費與自由的區(qū)別、指令集架構(gòu)與微架構(gòu)的區(qū)別、RISC-V與RISC的區(qū)別等，導(dǎo)致將RISC-V與“一款免費開源的處理器“劃等號，而“免費”往往成為劣質(zhì)的代名詞。這些曲解，都嚴(yán)重影響了RISC-V在中國的正常傳播和發(fā)展。RISC-V需要被正確地認(rèn)識和理解，它對產(chǎn)業(yè)有更加深遠(yuǎn)的意義。

上述描述的種種現(xiàn)象和阻力使我認(rèn)識到，RISC-V要在國內(nèi)更好地傳播，讓大多數(shù)人正確地認(rèn)識和理解RISC-V很有必要，這也是我撰寫此書的原因之一。本書的第1章用最通俗和生動的語言來徹底科普相關(guān)CPU和RISC-V基本概念，任何一位毫無基礎(chǔ)的讀者都可以迅速地認(rèn)識并理解RISC-V的偉大之處，從而開始接納和學(xué)習(xí)RISC-V這一新興的開放架構(gòu)。

異步社區(qū)：為什么會寫《手把手教你設(shè)計CPU——RISC-V處理器篇》這本書？

胡振波：仔細(xì)計算一下，RISC-V進(jìn)入中國的時間還不到兩年的時間，2016年知道RISC-V者寥寥無幾，2017年有關(guān)RISC-V的報道陸續(xù)開始見諸報端，而2018年RISC-V已被很多人熟知。但是，由于誕生時間太短，RISC-V目前在國內(nèi)的普及存在著如下幾個明顯的問題：

很多對計算機體系結(jié)構(gòu)不是很了解的用戶，由于缺乏相關(guān)的知識背景，對RISC-V的意義難以理解，而有關(guān)RISC-V的中文資料又太過分散。因此，急需一本中文書籍對計算機體系結(jié)構(gòu)知識進(jìn)行通俗的科普，繼而系統(tǒng)翔實地對RISC-V的背景、特點、與其他架構(gòu)的對比等進(jìn)行解讀，以幫助讀者快速了解并理解RISC-V的意義。

對于試圖對RISC-V進(jìn)行深入了解的用戶而言，目前的RISC-V文檔是英文原版的指令集手冊，該文檔比較專業(yè)晦澀，對處理器架構(gòu)研究不深的讀者難以理解，很難快速入門。因此，急需一本中文書籍，通俗易懂地講解RISC-V指令集架構(gòu)詳情（不是照本宣科地生硬翻譯）以普及RISC-V的基本知識，讓更多人了解，讓更多學(xué)校開始傳授RISC-V的知識。

目前開源的RIS-CV內(nèi)核基本上來自國外，難以與其開發(fā)者取得交流，并且文檔非常匱乏，用戶只能將其當(dāng)作“黑盒”學(xué)習(xí)。因此，需要一款本土的、簡單易上手的、使用Verilog HDL編寫的開源處理器內(nèi)核，且需配套相關(guān)資料詳細(xì)講解，將其“白盒化”，以推動RISC-V內(nèi)核在國內(nèi)的普及。

綜上，雖然專業(yè)人士已經(jīng)能夠嫻熟地使用RISC-V，但是初學(xué)者卻摸不著門道無從下手。為了促進(jìn)RISC-V在國內(nèi)的普及，尤其是被廣大初學(xué)愛好者接受，我決定撰寫一本RISC-V的中文書籍，以解決RISC-V在國內(nèi)傳播的問題。寫書是一個枯燥的過程，幾乎耗盡所有的業(yè)余和休息時間，且專業(yè)書籍受眾太少，因此幾度意欲放棄，但最終還是堅持下來完成此書《手把手教你設(shè)計CPU——RISC-V處理器篇》，作為全球第一本RISC-V中文書籍終于面世，希望為RISC-V在國內(nèi)的傳播和普及貢獻(xiàn)自己一份綿薄之力。

異步社區(qū)：針對剛?cè)腴T的小白，有什么建議嗎？

胡振波：由于中文資料的匱乏，英文資料又過于分散，對于剛?cè)腴T的讀者，本書是快速入門RISC-V的最佳讀物。建議讀者先閱讀本書的第一大部分（第1~4章）對RISC-V有一個系統(tǒng)全面的了解，然后閱讀本書的附錄部分對指令集架構(gòu)部分進(jìn)行深入了解。之后，如果想直接動手，可以閱讀本書的第三大部分（第17~20章）。只有對CPU設(shè)計細(xì)節(jié)感興趣的讀者才需要閱讀本書的第二大部分（第5~16章）。

異步社區(qū)： 芯片行業(yè)的現(xiàn)狀是什么樣的?您怎么看待“中興事件”？

胡振波：中國在眾多芯片領(lǐng)域正在奮力追趕，逐步實現(xiàn)國產(chǎn)自主替代，芯片的從業(yè)者都很努力，我很看好中國芯片產(chǎn)業(yè)的未來。

“中興事件”再一次讓中國意識到芯片國產(chǎn)自主可控的重要性，這對于國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)是個很大的激勵。

但是，往往被人忽視的是芯片SoC（System on Chip）內(nèi)部的處理器內(nèi)核，實現(xiàn)國產(chǎn)自主其實更加艱巨。由于主流生態(tài)優(yōu)勢，目前幾乎所有的芯片SoC內(nèi)部的處理器內(nèi)核都是使用ARM內(nèi)核IP。

并且，ARM在被日本軟銀收購后，更加激進(jìn)，還在中國成立了合資公司，進(jìn)一步加大對中國市場的控制和壟斷，使得國產(chǎn)自主的處理器內(nèi)核在市場上更加舉步維艱。并且就在中興事件之后，今年ARM中國的合資公司還會在中國A股上市。

這不由得讓我也想起了歷史上的幾件事情：

1990年，中國汽車產(chǎn)業(yè)采取市場換技術(shù)的策略（簡稱汽車路線），大量合資汽車廠出現(xiàn)，至今中國市場仍然主要為國外汽車品牌所占據(jù)，且核心技術(shù)仍舊匱乏。

2000年，中國高鐵開始走引進(jìn)消化吸收路線（簡稱高鐵路線），目前中國高鐵成為了中國的名片，并且自己掌握了大量的核心技術(shù)。

2017年，ARM中國成立了合資公司，將對中國市場提供特供產(chǎn)品線，并且針對中國市場部分產(chǎn)品實行免費策略。2018年，就在“中興事件”之后，ARM中國合資公司準(zhǔn)備在中國A股上市，還得到了國內(nèi)很多專家和機構(gòu)的鼓噪?yún)群爸С郑踔凉拇邓^合資的“國產(chǎn)自主”，有望實現(xiàn)高溢價，由中國股民買單ARM在中國的投入。中國的處理器內(nèi)核市場狀況有可能將進(jìn)一步被ARM公司壟斷。

談及此處，也不由得讓我想起了想起來兩句話：

秦人不暇自哀，而后人哀之；后人哀之而不鑒之，亦使后人而復(fù)哀后人也。

人類在歷史上汲取的唯一教訓(xùn)就是“人類從來不汲取教訓(xùn)”。

核心技術(shù)是“合資”不過來的，“核心技術(shù)”是“丟失的市場”換不來的。只有堅持自主研發(fā)，才能真正實現(xiàn)國產(chǎn)自主可控的核心技術(shù)。我們團隊會繼續(xù)使用開放的RISC-V架構(gòu)開發(fā)更多的處理器內(nèi)核IP，為中國IoT產(chǎn)業(yè)賦能，更希望能夠為真正實現(xiàn)“國產(chǎn)自主可控”且“普世通用”的處理器而貢獻(xiàn)自己的綿薄之力。

異步社區(qū)： 您覺得離RISC-V架構(gòu)讓國產(chǎn)CPU真正“自主研發(fā)”還有多遠(yuǎn)？

胡振波：國產(chǎn)CPU自主研發(fā)早就實現(xiàn)了，譬如我們的龍芯，兆芯等早已經(jīng)實現(xiàn)了“自主研發(fā)”，真正困擾國產(chǎn)CPU的問題是指令集架構(gòu)的缺失。目前主流的x86和ARM架構(gòu)都掌握在歐美商業(yè)公司之手，在指令集架構(gòu)層面上受制于人。

RISC-V給中國提供了一個新的機會，RISC-V很有可能成為未來世界的一個新的主流架構(gòu)，且完全開放，因此使得中國能夠真正實現(xiàn)普世通用主流且國產(chǎn)自主的處理器內(nèi)核。RISC-V還在發(fā)展，目前在深嵌入式和低功耗IoT領(lǐng)域已經(jīng)具備了替代ARM的實力，但是在往上的中高端領(lǐng)域還需要一定時間的生態(tài)發(fā)展。

異步社區(qū)： 學(xué)習(xí)實例蜂鳥E200的Verilog代碼，將能成為一名合格的數(shù)字IC設(shè)計工程師嗎？

胡振波：肯定的。蜂鳥E200的研發(fā)團隊來自業(yè)界一流的處理器設(shè)計公司，使用穩(wěn)健的Verilog 2001語法編寫的可綜合RTL代碼，以工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)。

相比而言，我們可以看到國外其他的開源內(nèi)核：

大多數(shù)的開源實現(xiàn)或來自于個人愛好者、或者來自于高校，其開發(fā)語言或使用VHDL、或使用高級的System Verilog。來自產(chǎn)業(yè)界工程團隊且使用最穩(wěn)健的Verilog RTL實現(xiàn)的開源RISC-V處理器尚不多見。

有些開源RISC-V處理器使用了高級的Chisel語言轉(zhuǎn)換生成Verilog RTL代碼，造成代碼可讀性很差，給業(yè)界只熟悉Verilog的芯片工程師使用造成了困難。

所以，開源的蜂鳥E200在全世界范圍內(nèi)都是最佳的學(xué)習(xí)CPU設(shè)計的示例。讀者可以深入學(xué)習(xí)下本書的第5章，了解蜂鳥E200的設(shè)計原則和工業(yè)級代碼風(fēng)格，另外也推薦讀者關(guān)注我的公眾號“硅農(nóng)亞歷山大”，關(guān)注其中的“Verilog就該這么學(xué)”專欄，讓初學(xué)者成為一名優(yōu)秀的數(shù)字IC設(shè)計工程師。

異步社區(qū)： 您曾說：“學(xué)習(xí)CPU設(shè)計正當(dāng)時，學(xué)習(xí)RISC-V正當(dāng)時！”為什么這么說？

胡振波：CPU設(shè)計技術(shù)雖然已經(jīng)非常成熟，但是由于CPU架構(gòu)長期以來主要由以Intel（x86架構(gòu)）與ARM（ARM架構(gòu)）為代表的商業(yè)巨頭公司所掌控，成為普通的公司與個人無法逾越的天塹。因此，CPU設(shè)計只是權(quán)貴們的盤中餐，有點曲高和寡。但是，開放的RISC-V基金會的誕生，使得任何公司與個人均可依據(jù)開放的RISC-V架構(gòu)設(shè)計自己所需的處理器，很多科研機構(gòu)開始使用RISC-V開發(fā)處理器，很多獨立的RISC-V 處理器IP公司開始出現(xiàn)，很多實力雄厚的巨頭（如NVIDIA、三星等）均開始使用RISC-V架構(gòu)開發(fā)其自有的處理器內(nèi)核。可以說是“舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”，因此，掌握CPU設(shè)計，尤其是RISC-V的CPU設(shè)計技能，變成了一個通用技術(shù)，對科研、學(xué)習(xí)和就業(yè)都大有裨益。

此外，當(dāng)前國內(nèi)CPU產(chǎn)業(yè)熱潮方興未艾，x86、ARM、MIPS等傳統(tǒng)商用處理器架構(gòu)在國內(nèi)呈全面開花之勢。龍芯、兆芯、飛騰等資深專業(yè)CPU公司在不斷突破；華為、展訊等一線大公司相繼開始研發(fā)自主的處理器核心；海光、華芯通等新銳也開始摩拳擦掌。此時，開放的RISC-V架構(gòu)的誕生，更是為此番繁華增添了精彩。同時，各種人工智能AI處理器也采納RISC-V作為核心，CPU設(shè)計的技巧也完全能夠應(yīng)用于AI處理器芯片領(lǐng)域。

綜上所述，筆者慨言，學(xué)習(xí)CPU設(shè)計正當(dāng)時，學(xué)習(xí)RISC-V正當(dāng)時！

異步社區(qū)： 有沒有寫下一本書的打算？可以“劇透”一下嗎？

胡振波：確實正在寫下一本書《RISC-V架構(gòu)與嵌入式開發(fā)快速入門》，之所以寫這本書，是因為雖然《手把手教你設(shè)計CPU——RISC-V處理器篇》能夠讓更多人了解并認(rèn)識RISC-V架構(gòu)，但有關(guān)RISC-V嵌入式軟件開發(fā)方面的中文資料仍然欠缺，體現(xiàn)在如下幾個方面：

對于RISC-V的軟件開發(fā)工具鏈，包括嵌入式和Windows軟件開發(fā)工具的下載和使用方法、簡單嵌入式開發(fā)平臺的搭建等，沒有很好的中文資料系統(tǒng)介紹。

對于RISC-V的匯編語言開發(fā)、典型的RISC-V嵌入式開發(fā)平臺和環(huán)境的使用、典型示例程序等，也沒有很好的中文資料系統(tǒng)介紹。

綜上，雖然專業(yè)人士已經(jīng)能夠嫻熟地使用RISC-V進(jìn)行嵌入式開發(fā)，但是初學(xué)者卻無處下手。為了促進(jìn)RISC-V在國內(nèi)的普及，尤其是被廣大初學(xué)愛好者接受和普及，我決定寫第二本書分享一些使用RISC-V進(jìn)行嵌入式開發(fā)的相關(guān)經(jīng)驗和總結(jié)，主要面向?qū)ISC-V感興趣的入門用戶，包括嵌入式軟件開發(fā)和硬件設(shè)計人員。

IoT ARM

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