具体描述
一直以来CPU内部是绝大多数IT工程师难以触及的领域。纵使学习过计算机架构相关课程，自己动手实现CPU也始终遥不可及，因为这涉及计算机系统的最底层——芯片设计。而近年来FPGA芯片产品的发展与普及打破了这一阻碍，利用内部电路可重编程的FPGA，我们几乎可以实现任何逻辑电路，自然也包括CPU。
本书就是在这样一个背景下孕育而生的。本书利用FPGA，为读者开启了一个崭新的自制CPU的世界。全书分为3章，分别介绍计算机系统最底层的3个部分：CPU设计制作、电路板设计制造以及汇编编程。将如此广泛的技术内容以实践的方式融合成一册，该书可谓首屈一指。
本书可以帮助软件工程师深入了解硬件与底层，开发出高效代码。硬件工程师可以在本书基础上设计定制硬件，开发高速计算机系统。相信所有读者都可以在本书的阅读过程中，体会到自制计算机系统的乐趣与热情。
作者简介
作者简介：
水头 一寿（KAZUTOSHI SUITOU）
庆应义塾大学硕士毕业。现在在庆应义塾大学攻读博士学位。目前从事实时嵌入式系统的系统LSI相关研究和开发。兴趣为音乐、摄影、自行车等。在RESPON小组担任逻辑设计工作。
米泽 辽（RYO YONEZAWA）
庆应义塾大学硕士毕业后，进入东芝株式会社半导体与存储子公司工作。目前从事高速串行接口IP的开发。兴趣为电子制作、家庭服务器管理等。在RESPON小组担任电路板设计与封面设计工作。
藤田 裕士（YUJI FUJITA）
庆应义塾大学硕士毕业后，进入日本电气株式会社工作。目前从事固件开发工作。兴趣为音乐欣赏、吉他演奏等。在RESPON小组担任软件设计工作。
译者简介：
赵谦
2007年于青岛科技大学取得学士学位。2008年至今在日本熊本大学攻读博士学位。目前从事容错性FPGA架构及其CAD相关研究与开发。在FPGA领域著名国际会议FPGA、FPL以及ICFPT等发表过多篇学术论文。
目录信息
1.1 序 2
1.2 计算机系统 4
1.2.1 什么是计算机 4
1.2.2 什么是CPU 5
专栏 CPU的位宽 8
1.2.3 什么是内存 8
1.2.4 什么是I/O 9
专栏 字节序 10
1.2.5 什么是总线 12
专栏 总线的优缺点 14
1.2.6 小结 14
专栏 计算机相关书籍 14
1.3 数字电路基础 15
1.3.1 什么是数字电路 15
1.3.2 数值表达 15
1.3.3 有符号二进制数 16
专栏 比特和字节 17
专栏 1K字节有多大 17
1.3.4 MOSFET的结构 17
1.3.5 逻辑运算 19
1.3.6 CMOS基本逻辑门电路 20
1.3.7 存储元件 21
专栏 建立时间与保持时间 24
1.3.8 组合电路和时序电路 25
1.3.9 时钟同步设计 25
1.3.10 小结 25
专栏 数字电路相关书籍 25
1.4 Verilog HDL语言 26
1.4.1 什么是Verilog HDL 26
1.4.2 电路描述 27
专栏 默认网络类型 32
专栏 组合电路描述中锁存器的推定与Don’t care 37
专栏 正逻辑与负逻辑 42
1.4.3 电路仿真 43
专栏 同步电路中信号变化的时序 45
1.4.4 Verilog HDL的仿真环境 50
1.4.5 小结 56
专栏 Verilog HDL相关书籍 56
1.5 系统蓝图 57
1.5.1 目标系统整体介绍 57
1.5.2 关于本章中的代码 58
专栏 字编址与字节位移 62
1.6 总线的设计与实现 63
1.6.1 总线的设计 63
1.6.2 总线的实现 66
1.6.3 小结 78
1.7 存储器的设计与实现 79
1.7.1 FPGA的RAM区域 79
1.7.2 ROM的设计与实现 81
1.7.3 小结 83
专栏 存储器相关书籍 83
1.8 AZ Processor的设计与实现 84
1.8.1 关于CPU 84
专栏 CPI和MIPS值 93
1.8.2 AZ Processor的设计 93
专栏 指令集架构与微架构 105
1.8.3 AZ Processor的实现 106
1.8.4 小结 159
专栏 计算机架构相关书籍 159
1.9 I/O的设计与实现 162
1.9.1 定时器 162
1.9.2 UART 167
专栏 UART实例 168
1.9.3 GPIO 181
1.9.4 小结 188
专栏 I/O相关书籍 188
1.10 AZPR SoC整体连接 189
1.10.1 各模块的连接 189
1.10.2 时钟模块的实现 191
1.10.3 顶层模块的实现 193
1.10.4 小结 193
1.11 AZPR SoC的仿真 194
1.11.1 仿真模型的编写 194
1.11.2 Testbench的编写 197
1.11.3 执行仿真 200
1.11.4 小结 201
1.12 本章总结 202
第2章 电路板的设计与制作 203
2.1 序 204
2.2 电路板规格206
2.2.1 电路板名称 206
2.2.2 电路板的构成 206
2.2.3 电路板尺寸 206
2.2.4 电路板层数 207
2.2.5 FPGA选型 207
2.2.6 外围电路的选定 208
专栏 关于FPGA 209
专栏 关于JTAG 211
2.3 元件选型 212
2.3.1 元件选型标准 212
2.3.2 元件选型 212
2.3.3 元件的选购 218
2.4 电路设计 221
2.4.1 下载规格书 222
2.4.2 配置电路 223
2.4.3 外围电路 228
2.4.4 电源电路 232
2.4.5 电路板设计环境 234
2.4.6 使用Eagle设计电路图 236
专栏 关于ULP 241
专栏 Eagle使用方法相关的书籍/说明书 241
2.4.7 完成的电路图 241
2.5 布局设计 247
2.5.1 电路板设计约束条件及布线策略 247
2.5.2 FPGA板的布局设计 248
2.5.3 电源板的布局设计 252
2.5.4 使用Eagle布局 254
2.5.5 完成的布局 259
2.6 制作元件库261
2.6.1 制作Symbol 261
2.6.2 制作Package 263
2.6.3 制作Device 264
2.7 电路板3D模型 269
2.7.1 软件使用说明 269
2.7.2 准备3D模型库 271
专栏 关于3D模型库的管理 278
2.7.3 制作电路板模型 279
2.8 制作感光板电路板 280
2.8.1 整体流程 280
2.8.2 制作光罩 282
2.8.3 粘合光罩 284
2.8.4 曝光 285
2.8.5 显像 288
2.8.6 蚀刻 289
2.8.7 阻焊剂 291
2.8.8 开孔 296
2.8.9 在背面安装VPort接头时的处理 298
2.8.10 制作通孔 299
2.8.11 飞线 300
2.9 使用电路板制造服务 302
2.9.1 电路板制造服务 302
2.9.2 DRC 302
2.9.3 输出Gerber数据 305
2.9.4 检查Gerber数据 306
专栏 执行DFM检查的方法 309
专栏 阻焊层遮罩的印刷设置 312
2.9.5 向P板.com公司下单制板 312
专栏 拼板数据的准备 314
2.9.6 向OLIMEX公司下单制板 318
2.10 组装电路板 321
2.10.1 电源板 321
2.10.2 组装FPGA板 321
2.11 功能测试 323
2.11.1 识别FPGA 323
2.11.2 诊断程序 323
2.12 本章总结 326
第3章 编程 327
3.1 序 328
3.2 开发环境 329
3.2.1 准备工作 329
3.2.2 FPGA开发环境 330
3.2.3 ISE WebPACK 331
3.2.4 UrJTAG 359
专栏 cblsrv-0.1_ft2232 370
3.2.5 交叉汇编程序 370
3.2.6 第一个程序 376
3.3 串口通信 381
3.3.1 安装Tera Term 381
3.3.2 编写程序 382
专栏 子程序 388
专栏 ASCII码 389
3.3.3 执行程序 390
3.4 程序加载器 391
3.4.1 XMODEM协议 391
3.4.2 编写程序 393
3.4.3 编写加载测试程序 402
3.4.4 执行程序 403
3.5 中断与异常 406
3.5.1 什么是中断 406
3.5.2 编写程序 410
3.5.3 执行程序 414
3.5.4 什么是异常 415
3.5.5 编写程序 415
3.5.6 执行程序 419
3.6 七段数码管 420
3.6.1 什么是七段数码管 420
3.6.2 七段数码管的控制 420
3.6.3 七段数码管计数器概要 422
3.6.4 编写程序 423
3.6.5 执行程序 428
3.7 制作一个实用程序 429
3.7.1 功能概要 429
3.7.2 制作程序 433
3.7.3 执行程序 446
3.8 结语 447
谢辞 448
后记 449
版权声明 450
· · · · · · (收起)
读后感
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用户评价
阅读这本书的过程，与其说是学习，不如说是一场深入“机器灵魂”的探险。作者的笔触带着一种对硅基生命体由衷的热爱和敬畏。他不仅关注如何让CPU“跑起来”，更深入探讨了如何让它“跑得更优雅、更高效”。书中对时钟域同步、总线仲裁策略的分析尤为精彩，那种对细节的偏执几乎令人着迷。他没有停留在教科书上对冯·诺依曼和哈佛架构的简单介绍，而是深入剖析了在现代SoC设计中，如何通过混合架构来优化性能功耗比。特别是关于分支预测算法的介绍部分，作者用一种近乎诗意的语言，描绘了CPU预测未来指令流的复杂性与精妙性，那种对复杂系统内在美感的捕捉，深深地吸引了我。这本书的深度，远远超出了“入门”二字的暗示，它为有志于深入研究计算机体系结构的人士提供了一个绝佳的起点和参照系。
评分这本书的魅力在于它的“硬核”与“接地气”完美结合。作者似乎非常理解初学者在接触底层硬件时那种“抓不住头绪”的迷茫感。他没有回避那些令人望而生畏的专业术语，但总能在关键时刻用非常生活化的比喻来解释它们。比如，在讲解CPU流水线时，他用到了工厂生产线的例子，把取指、译码、执行等步骤生动地描绘出来，让我瞬间明白了并行处理的概念。更让我印象深刻的是，书中穿插了大量“避坑指南”——那些在实际操作中极易犯的错误以及相应的解决方法。这些内容在很多理论书籍中是看不到的，它们是无数次失败经验的结晶。每一次当我按照书中的步骤进行模拟实验时，总能提前预想到可能出现的故障点，这极大地提高了我的学习效率，也让我对调试和排错这件事产生了极大的兴趣。可以说，这本书不只是教你“怎么做”，更重要的是教你“遇到问题时该怎么想”。
评分我对这本书的结构设计给予高度评价，它展现出了一种极高的专业素养和教学智慧。全书的知识点组织得如同一个精心设计的迷宫，层层深入，步步为营。它没有将所有硬件和软件接口的知识混杂在一起，而是采用模块化的方式，先彻底攻克底层硬件的物理实现，建立起对信号流动的直观感受后，再平滑地过渡到指令集架构和微架构设计。这种分离处理的方式，极大地减轻了初学者的认知负担。每完成一个模块的学习，都会有一个小的实践项目作为检验，这些项目并非简单的重复劳动，而是巧妙地将前几个章节的知识点融会贯通。让我特别欣赏的是，作者在探讨并行化和缓存机制时，没有简单地给出结论，而是通过对比不同历史时期CPU的设计演变，展示了技术决策背后的权衡取舍。这种“历史的视角”让理论不再是冰冷的公式，而是鲜活的技术发展轨迹。
评分坦白说，我之前读过几本关于底层计算的书籍，但很多都过于偏重理论推导，读完后我还是感觉知识点是零散的，无法构建一个完整的知识体系。这本《CPU自制入门》最大的成功之处，就在于它提供了一个极其强大的、贯穿始终的“骨架”。从最开始的电源规划，到最终实现一个简单的ALU（算术逻辑单元），每一步都是紧密相连的。作者的叙述逻辑非常严密，他好像早就预设了读者下一步会产生什么疑问，并提前在后续章节中进行了解答或铺垫。比如，书中提到指令对齐的重要性时，他立刻引入了内存访问效率的概念，将两者自然地联系起来，而非孤立地讲解。这种高度的系统性和前瞻性，使得知识的积累不再是堆砌，而是真正的“成长”。读完之后，我感觉自己对计算机的底层运作机制有了一种全新的、统一的认知框架，不再畏惧那些复杂的芯片规格书，反而充满了探索的欲望。
评分这本书，说实话，读起来感觉像是在跟着一个经验丰富的老匠人学习。他不会急着把最深奥的理论一股脑地塞给你，而是会耐心地从最基础的工具和材料讲起。比如，书里详细描述了如何搭建一个简易的逻辑门电路，每一个晶体管的选取、每一个焊接点的处理，都讲得非常具体，图文并茂。我记得有一次为了理解一个时序逻辑的搭建过程，我反复看了好几遍书中的示意图，作者的表达方式非常清晰，没有那种教科书式的干巴巴的语言，更像是长辈在手把手地教你。读完这部分，我感觉自己对数字电路的基本构建单元有了更直观的认识，不再是停留在抽象的“与非门”概念上，而是真切地体会到了它们是如何“动”起来的。书中的案例选择也很有代表性，从一个简单的计数器开始，逐步过渡到更复杂的运算单元，这种循序渐进的学习路径，让初学者不会感到压力过大，同时也保持了足够的挑战性。整体来说，它为我打下了非常坚实的硬件基础。
评分机器语言操作电路(通过硬件设计来实现)，这些一系列的机器语言操作集，就是 cpu架构，比如x86，arm，然后用 汇编语言来映射这些机器语言(程序设计)，其他高级语言如 c，再编译成汇编语言
评分个人觉得这本书讲的不太行。这本书表面上看上去很简单，实则对于读者的数字电路，Verilog基础要求非常高，很多知识一笔带过，如果非EE的科班同学看起来可能会一头雾水，初中生高中生看完之后也不一定真的能做出一个可以跑起来的CPU。可能考虑到国外比较注重版权，所以书中推荐的各种工具链并不是成熟的商业软件，而是一些免费软件。这些免费软件实际上用起来效率很低。反倒很多商业工具类toolschain的使用非常简单网上教程和讨论的人都很多，debug和找人咨询问题会更加方便。即使是intel收购altera之后，也有quartus II web edition这种免费版本足够用户使用，但是这本书中却没有引入。书中给的代码也都是片段而不完整，在整合过程中出了问题也不一定知道怎么debug。
评分感觉跟操作手册一样。连电子器件商店在日本哪个城市怎么走的地图都有（觉得这种东西多了，设计和编程的部分就被稀释了。。。跳著看好了
评分虽然只一个多小时翻了一遍，但作者似乎是全做了一遍，nb....
评分只能说是消除了一点神秘感，其实哪里读得懂呢。
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