《RVfpga:理解计算机体系结构》课程将为本科生提供怎样的实用技能

作者: Robert Owen

浏览一下现有的关于RISC-V的学术资料。你会发现有关SoC构建、构造特殊指令、安全性和众多实现增强功能的丰富信息。但是重要的“入门”材料如何?这些入门材料正是教师将计算机体系结构基本原理教学的基础。

《RVfpga:理解计算机体系结构》(以下简称“《RVfpga》”)是Imagination推出的完整RISC-V计算机体系结构课程,该课程针对本科教学设计,包含一整套丰富的教学资料和实践练习,可帮助学生了解处理器架构中的关键要素,包括多个IP 内核,修改RISC-V 内核的方法,以及IP 内核的微架构。

每个计算机科学、计算机工程和电子工程的学生都需要具备计算机体系结构的坚实基础。这是一个比几乎任何其他技术学科都更能让人耳目一新的领域,但这一领域的许多大学课程提供的内容往往已经过时。更令人担忧的是,它通常基于一个简化的核或一个模糊的核。

这类材料的一个例子是,“用以教学的基于简单5级处理器的实验”。当然,我们应该向学生传授行业真实使用的解决方案吗?这可能会稍微困难一些,但使用由行业标准软件开发工具编程的真实实施方案是一种更好的方式,可以帮助我们未来的毕业生在职业生涯中取得成功。简单地说,当你拥有一个真正的核,为什么还要“简化核”?本着同样的精神,既然可以使用经过工业验证的工具,为什么还要使用受限的“免费版本”开发工具?

这是支撑Imagination大学课程的基本原则。

基于真实环境的设计

《RVfpga》使学生能够通过RISC-V体系结构及其生态系统的实践来理解计算机体系结构。是的,理论也都在那里,但是《RVfpga》 通过优秀的实践实验让你对理论有了更深入的理解。

Imagination所提供的这些材料均是免费的,并使用WesternDigital的开源核,可以在模拟器或Digilent Nexys A7 FPGA板上运行。这个核是市场真实使用的:它已经在芯片中得到了充分验证,被Imagination用作其最新GPU(IMG A、B和C系列)中的固件处理器,并被Western Digital用于数据存储系统。

许多大学已经有了Digilent Nexys A7或Nexys4 DDR硬件,《RVfpga》 课程的未来扩展将包括其他成本较低的硬件,并在线上课程中引入NexysA7虚拟版本。编程工具是PlatformIO,一种广为人知且流行的RISC-V集成开发环境。

《RVfpga》 使用芯片联盟的SweRVolf SoC,基于西部数字的RISC-V SweRV EH1内核。SweRV是一个经过充分验证的生产级处理器核心,完全开源。它是一个充满活力、不断扩大的生态系统,拥有许多有用的开源和商业工具,包括模拟器、模型、集成开发环境、虚拟硬件和预配置的FPGA就绪SoC实现。

RVfpga RISC-V手册材料广泛,包括详细的教师设置指南、学生手册和课堂PPT。有足够两个学期的材料。此外,后续课程《RVfpga-SoC》将引导学生进行SoC设计,并向他们展示如何构建SoC、运行Zephyr RTOS,以及如何使用TensorFlow Lite对核进行编程。总的来说,有高质量的经过验证的材料可以使用三个学期教学。我们相信这是关于这个主题的有用教材的最大集合。

由专家创建的内容

我们坚信最好的教材必须由该学科的专家编写。这套教材主要作者包括UNLV(Las Vegas)的 Sarah Harris 教授和 UCM(Madrid)的Daniel Chaver Martinez副教授,以及 Zubair Kakakhel 和 M.Hamza Liaqat(英国AZKY有限公司)的贡献。我们的评审和指导人员是加州大学伯克利分校的 David Patterson 教授、波特兰州立大学的 Roy Kravitz 教授和浙江大学信息与电子工程学院的刘鹏教授。

第一个实验是关于在FPGA上下载《RVfpga》课程系统,然后如何编写在核上运行的汇编程序和C程序。到了实验11,学生们正在研究微体系结构,然后使用性能计数器研究管线阶段,并查看内存指令。之后的实验将研究定制指令、指令缓存和数据存储器。

我们很快就会有一个名为“ViDBo”的Nexys A7板的虚拟版本。这将使学生能够自学英语和汉语的线上开放课程(MOOC),使世界各地的学生能够独立地受益于这些材料。我们还看到,初创公司和开发者对使用这些材料的需求越来越大。MOOC将是他们非常方便的入口。此外,我们希望通过在全球主要RISC-V市场举办的一系列“教师授课”研讨会,将这些材料“进行推广”。

自2020年11月首批十个实验启动以来,已有1000多所大学和个人申请并下载了《RVfpga》教学材料。2021年11月我们发布了V2.0,从11个实验增加到20个实验。对这些扩展材料的下载需求、网络研讨会的出席观众,以及蓬勃发展的RVfpga论坛,都表明了对这些材料价值的极高认可。我们希望这些材料成为本科教育中计算机体系结构的基础内容:一个坚实而强大的基础,利用RISC-V带来的跳板,让年轻的心智成长为创新者。

《RVfpga:理解计算机体系结构》课程将为本科生提供怎样的实用技能

激动人心的时刻

为什么Imagination公司把它的第一个RISC-V“产品”用于教学?我们看到了一个独特的机会。我们率先使用MIPSfpga开发了基于FPGA的软核方法,并有一个专家团队运行。Imagination已将RISC-V用于内部使用,同时正在考虑将其引入基于RISC-V的CPU设计中。《RVfpga》使Imagination得以在RISC-V生态系统中注入一些有价值的东西,表明它是一个慷慨的团队成员,对开源社区表示尊重。它还使我们能够从教育开始在RISC-V中建立声誉——这与通常的做法完全相反。

自《RVfpga》推出以来,我们随后宣布,Imagination正在从头开始设计名为“Catapult”的RISC-V CPU,并开始提供IP和开发工具。

对于行业来说,这是一个激动人心的时刻,也是进入CPU千载难逢的机会。我们相信与学生分享真实世界的芯片解决方案。正如我们上面所说的,既然你可以使用当前行业真实设计中采用的核,为什么要使用“简化的用于教学的核”。也正是基于此,以及高质量的教材,我们的《RVfpga:理解计算机体系架构》课程将确保进入行业的毕业生可以在新世界中自由设计。


了解、加入Imagination大学计划
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下载《RVfpga:理解计算机体系结构》课程材料
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下载Digi-Key 和Imagination合作的《RISC-V指南》
https://university.imgtec.com/resources/download/guidetoriscv


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