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序曲

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吳晨知 著

序

當初這本數位邏輯設計其實是我的個人的筆記，因為想要製作與設計CPU作為畢業專題，而這份專題也將延續至博士甚至出社會後持續更新的專案，而此專案引出相關議題與創意將會帶來無限的可能性。

由於需要閱讀與整理相當多的書籍，因此就決定將紀錄中間學到知識與技術、遇到疑難雜症與過程紀錄下來，可以作為未來專題、論文，因此就萌生了想要直接作為一本設計CPU的書籍，也作為未來需要回憶時可以回來翻閱的內容。

這本將分成六大部份，以序曲來述說著這精彩的故事，分別是「硬體描述語言」、「數位邏輯設計」、「可程式規劃裝置」、「計算機系統結構」、「現代處理器架構」、「新一代處理器架構」，內容由淺入深、循序漸進介紹與說明，每序曲每章節將繼承前一序曲前一章節的知識往後延伸，最終在「新一代處理器架構」總結所有架構與內容。本書將盡可能完善的提供 VerilogHDL 、 VHDL 、 SystemVerilog 三種 HDL 語言，以及由 Python 撰寫的測試等工具，這些內容都將會為由本書所延伸提出的目標前進。

  • 硬體描述語言： 介紹數位積體電路實現方式與透過「硬體描述語言」設計數位積體電路。先帶各位讀者安裝與建立開發環境，除了常見 Xilinx 與 Altera 的整合開發環境與驗證工具外，還提供由開放原始碼所組成的整合開發環境，做出一個可以在現在流行於軟體開發的CI環境中自動化驗證。此內容專注於開發流程、語法教學、驗證與模擬，會先說明整個開發流程，後對 VerilogHDL 、 VHDL 、 SystemVerilog 的語法教學與示範，並說明如何撰寫測試檔案進行「功能模擬」(Functional Simulation)，而理論與實作將帶到「數位邏輯設計」來讓各位了解。
  • 數位邏輯設計： 帶著讀者學習數位邏輯的基礎觀念與知識，循序漸進的學習「組合邏輯」到「序向邏輯」，以及對於「計算機系統結構」重要的「暫存器」、「記憶體」等。了解「同步序向」與「非同步序向」的設計方式，通過狀態分析、設計、化簡、指定等，以及「演繹狀態機」(ASMs)的 ASM 圖與 ASMD 圖兩種方式設計數位IC，學習的過程中提供許多範例與介紹，並盡可能將原理說明清楚。相較其他書籍，此除了針對計算機系統結構純邏輯的數位IC設計基礎，還包含了「數位轉類比」、「類比轉數位」、「數位訊號處理」等的原理、設計，以及「積體電路」的介紹，但僅作基礎原理介紹與實作。最後會提供許多的應用範例，讓各位實作、學習與撰寫。
  • 可程式規劃裝置： 介紹「可程式規劃裝置」的歷史、分類、結構、概論原理，以及現在這個時代中「可程式規劃裝置」的角色與地位，如果可以則是會加上詳細的結構與設計。
  • 計算機系統結構： 帶著讀者由「暫存器資料傳遞」、「微運算」、「算術邏輯單元」、「計算機組織與設計」、「控制單元」、「計算機程式規劃」、「微程式控制」、「中央處理單元」、「管線與向量處理」、「浮點數運算」、「計算機算術」、「輸入輸出」、「記憶組織」、「多處理器系統」依序講解與介紹，並都會提供HDL實作。
  • 現代處理器架構： 介紹現在市面上常見的指令集架構，包括現在常見的32位元架構 x86 (別稱：i386)， 64位元架構 x86-64 (別稱： amd64) ，以及最多裝置使用的 ARM 、較為少人知的 PowerPC 、因為中美貿易受到關注的 RISC-V 指令集。後續，手把手講解帶著各位製作出 ARM 與 RISC-V CPU 在 FPGA 上實作與執行。
  • 新一代處理器架構： 將由作者本人設計，使用開放原始碼的Python程式語言作為指令集架構，因技術成熟與IC製程帶來的優勢將過去限制成為可能，將改變過去高階程式語言需要多次轉換問題，產生新的「可程式規劃裝置—程式語言指令集架構—軟體」新架構，將可能因Python豐富套件與廣大社群而邁向新的開放社群與模式。同樣會帶著各位一步一步設計出此處理器，處理器的原始碼採開放授權，可以在此得到最新的內容 Python Instruction Set Computer。

由於這本原本是我2020的筆記，是我在大一時開始撰寫，因此一開始一定不會完整與詳細，甚至有許多缺失，希望前期的讀者不要對這本書感到灰心。而這本書也期許除了我自己一個人編著下外，讓有想要這本書進步與有興趣的人們來參與，因此如果有什麼錯誤需要勘誤或內容有建議者歡迎在 GitHub 或 GitLab 開「議題」(Issues)，甚至想要一起撰寫的可以 Fork 修改後「拉請求」(Pull requests)合併回來。

依序將參考書籍內的範例整理出來並提供相關檔案下載跟這本書的所有範例。

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