Предисловие

Данная книга проведет вас от азов разработки цифровых схем до проектирования однотактного микроконтроллера с архитектурой RISC-V, а также до написания и компиляции программного обеспечения для него. Представленный здесь материал является сборником лабораторных работ, выполняемых студентами в НИУ МИЭТ в рамках дисциплины "Архитектуры процессорных систем" (АПС) и, в первую очередь, рассчитан именно на них, поэтому в тексте будут встречаться фразы вроде: "Допуск к лабораторной работе", "Проконсультироваться с преподавателем", которые имеют смысл, только для обучающихся в ВУЗе. Если вы читаете эту книгу для самостоятельного обучения, большую часть подобных фраз можно игнорировать.

Мотивация

Целью курса "Архитектуры процессорных систем" является изучение устройства и способов организации процессоров, а также систем под их управлением. Практическая часть курса ориентирована на разработку процессора с архитектурой RISC-V.

Под словом Архитектура понимается некоторый способ организации. Процессор – это программно-управляемое устройство для обработки информации. Проще говоря, это устройство, управлять поведением которого можно с помощью программ (последовательности команд/действий). Система – это комбинация взаимодействующих элементов, организованных для достижения поставленных целей. Таким образом, дисциплина "Архитектур процессорных систем" посвящена способам организации и построения систем под управлением устройств, управляемых программами.

Дисциплина реализуется Институтом МПСУ на базе НИУ МИЭТ сразу для 7 различных направлений подготовки, которые имеют разные названия и количество теоретического и практического материалов. Несмотря на это масштаб покрытия у них одинаковый, а суть предмета изучения общая - организация компьютеров. Отличаются лишь глубина погружения и акценты.

Для успешного погружения в дисциплину важно понимать зачем эта дисциплина нужна именно тебе, будучи студентом:

Информационной безопасности

Нет никаких сомнений в том, что люди, разрабатывающие системы безопасностей для автомобилей, хорошо знают, как эти автомобили устроены и работают. Очевидно, что пожарную безопасность невозможно организовать не понимая, как горят материалы или, к примеру, в чем особенность помещений, которые будут защищаться. Также невозможно организовать стойкую информационную безопасность без понимания принципов работы устройств, которые эту информацию получают, обрабатывают и передают. Чтобы специалисту по информационной безопасности обеспечивать соблюдение правил обмена и обработки информации в информационных системах, очевидно, что нужно понимать как эти системы работают.

Преступники в сфере информационных технологий знают как они устроены и работают, потому что в результате своих действий они их не "ломают" (как принято говорить), а заставляют работать так, как нужно им, а не владельцам этих систем. Ну, а если чтобы найти преступника нужно думать, как преступник, то хорошему безопаснику остается только одно – разобраться как компьютеры работают, изучив курс АПС.

Информатики и вычислительной техники

30–40 лет назад, когда персональные компьютеры были ещё в новинку, а интернета как такового не было, пионеры вычислительной техники предсказывали, что в будущем электронные чипы станут настолько дешёвыми, что они будут повсюду — в домах, в транспорте, даже в человеческом теле. Для того времени эта идея казалась фантастической, даже абсурдной. Персональные компьютеры тогда были очень дороги и в большинстве своём даже не подключались к интернету. Мысль о том, что миллиарды крохотных чипов когда-нибудь будут во всем и станут дешевле семечек, казалась нелепой. Сегодня эти мысли уже не кажутся фантастическими. В последнее десятилетие почти всегда, какой-нибудь компьютер или компьютеры находятся на расстоянии вытянутой руки от человека. Билетик в метро – тоже компьютер, который спроектировал, возможно, выпускник ИВТ.

Если ты выпускник направления Информатика и Вычислительная Техника, то скорее всего, в будущем, ты будешь разрабатывать электронику, компьютеры – цифровые автоматические устройства, которые, как правило, управляются процессорами и ПЛИС. Типичное современное электронное устройство – это набор датчиков физических величин, которые посылают свои измерения в процессор, который обрабатывает полученную информацию согласно заданной программе. Понимать, как это работает также разумно, как и терапевту знать из каких органов состоит человек, несмотря на то что он не хирург и внутрь не полезет. Выпускник ИВТ, понимающий устройство компьютера будет способен разрабатывать более эффективные решения: более быстрые, точные, энергоэффективные.

Логика такая: "Чтобы разрабатывать электронику, я должен понимать из чего она делается", "Современными электронными устройствами управляют процессоры" ⟹ "Чтобы разрабатывать электронику, я должен разбираться в процессорах".

Инфокоммуникационных технологий и систем связи

Помимо своей очевидности существует множество подтверждений того, что уровень развития цивилизации связан с развитием связи. Разработка новейших систем связи и их внедрение еще очень долго будет одной из самых актуальных задач развития человечества. Мы сталкиваемся с постоянной потребностью обеспечивать связь нужных адресатов и делать это быстро и безопасно. Достигается это благодаря современным программно-аппаратным решениям, которые постоянно развиваются и совершенствуются. По сути, сетевые инженеры разрабатывают специализированные компьютеры, задачей которых является обмен информацией между некоторыми входными и выходными узлами по заданным правилам. Все это требует понимания работы программируемых устройств, которые и лежат в основе сетевых узлов.

Существует множество разнообразных сетевых процессоров и решений, реализуемых в программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС). Для успешного участия в разработке современных сетевых решений необходимо не только знание методов передачи данных, алгоритмов кодирования и тому подобного, но и понимание принципов функционирования строительных блоков, из которых создаются сетевые системы. Глубина таких знаний позволяют увеличивать скорость передачи данных и улучшать безопасность.

Знания в области разработки компьютеров являются важным инструментом в создании информационно-коммуникационных систем связи.

Конструирования и технологии электронных средств

Не так давно, когда персональные компьютеры только начали завоевывать мир, и интернет еще не был доступен для всех, многие представители конструкторской и технологической индустрии предсказывали будущее, в котором электроника будет всюду: в наших домах, транспорте и даже в наших собственных телах. Это казалось невероятным и даже фантастическим сценарием для тех времен, когда персональные компьютеры были дорогими и не имели доступа к сети Интернет.

Сегодня эти идеи уже не кажутся фантастическими. В последние десятилетия мы постоянно окружены электроникой и множеством вычислительных систем, часть из которых появляется благодаря выпускникам Конструирования и технологии электронных средств. Возьмем, к примеру, роботов. Современные роботы – это высокотехнологичные электронные системы, спроектированные для выполнения различных задач. Они оснащены датчиками и процессорами, которые позволяют им воспринимать окружающую среду и принимать решения в реальном времени. Выпускник направления "Конструирование и Технология электронных средств" будет иметь уникальную возможность создавать и улучшать такие устройства, делая их более эффективными и функциональными.

Суть заключается в том, что для успешной карьеры в области конструирования и технологии электронных средств, необходимо обладать глубоким пониманием электронных систем. Это включает в себя знание принципов работы процессоров, сенсоров и других ключевых компонентов. Выпускники этой специальности будут способны создавать современные электронные устройства и внедрять их в самые разные области. Знание основ организации процессорных систем является мощным и необходимым инструментом в достижении цели создания передовых электронных систем.

Программной инженерии

Не понимать как устроен и работает компьютер современному программисту, все равно что гонщику Формулы-1 не знать, как работает и устроена его машина. Это просто немыслимо! Такое возможно, но скорее исключение из правил. Конечно же кузнец знает, как устроен его инструмент, ведь тогда он может его более эффективно использовать. Понимает его слабые стороны и знает как хитро применить его на практике. Только в этом случае кузнец ценен.

Современные языки программирования дают возможность значительно оторваться от реального железа. Не редко в этом есть практический смысл, но далеко не всегда. Большинство современных компьютеров автономны (на батарейном питании), а значит, что эффективность их работы есть продолжительность их работы. Понимание нюансов может значительно сэкономить энергию. А порой надо выбрать железо для сервера, а порой понять почему очевидно быстрый код работает медленно. Часто приходится разбираться в новых технологиях, фреймворках, языках, сервисах, библиотеках, но все это дается легко только в том случае, если есть устойчивая база, отвечающая на вопрос - "как это работает и почему именно так?". Во всем перечисленном поможет знание АПС.

"Разобраться в работе компьютера" не значит "делать(разрабатывать) компьютер". Врачи знают как устроен человек, чтобы лечить его, а не разрабатывать его. Гонщики знают свой автомобиль, чтобы совершенствовать его и использовать по-полной. Также и программисту необходимо понимание работы компьютера не для того, чтобы разрабатывать процессоры, а для более эффективного и разумного его использования.

Прикладной математики

Практически все современные приложения математики так или иначе связаны с компьютерами: большие данные, искусственный интеллект, робототехника, финансы и так далее. Математика давно вышла за рамки тетрадных листов, сегодня алгоритмы – это мысли процессоров.

Математические приложения, какими бы они ни были (моделирование, автоматизация, расчеты или что-то другое), требуют инструмента их решения – компьютера. Понимание устройства и работы основного инструмента дает явные преимущества перед тем, у кого этого понимания нет. Порой надо выбрать железо для системы, решающей некоторую задачу, порой – понять почему очевидно быстрый код работает медленно. Часто приходится разбираться в новых технологиях, фреймворках, языках, сервисах, библиотеках, но все это дается легко только в том случае, если есть устойчивая база, отвечающая на вопрос - "как это работает и почему именно так?". Во всем перечисленном поможет знание АПС.

"Разобраться в работе компьютера" не значит "делать(разрабатывать) компьютер". Врачи знают как устроен человек, чтобы лечить его, а не разрабатывать его. Гонщики знают свой автомобиль, чтобы совершенствовать его и использовать по-полной. Также и выпускнику прикладной математики необходимо понимание работы компьютера не для того, чтобы разрабатывать процессоры, а для более эффективного и разумного его использования в своих приложениях.

Радиотехники

Использование радиоволн сегодня помогает в решении огромного круга задач связанных с передачей информации/энергии на расстояние, локацией, позиционированием, изучением свойств объектов отражения и многим другим на что только фантазии хватит. На практике радиоволны оказываются удивительно полезными, и для того чтобы управлять ими и извлекать из них максимум, используются антенны. Эти устройства могут быть довольно сложными, и за ними должны стоять профессионалы, способные их создать. Управляют антеннами, контролируют их и получают с них информацию специальные устройства, которые, в конечном итоге, преобразуют радиосигналы в электрические цифровые, или наоборот.

Современные микросхемы СВЧ (сверхвысоких частот), которые используются в антенных устройствах, часто являются программируемыми. Это означает, что они либо содержат в себе процессор, либо спроектированы для взаимодействия с процессорами. Чтобы раскрыть потенциал этих микросхем, вам нужно знать, как работают процессоры. Понимание их функций также пригодится в области радиотехники, особенно если вам нужно управлять сигналами в строгие временные рамки.

Радиотехника — это не только работа с радиосигналами, но и их обработка. Иногда нужно обрабатывать сигналы очень быстро. В таких случаях важно знать, какой вычислитель выбрать, чтобы обеспечить точность обработки в установленные временные рамки и при этом не превысить требования по энергопотреблению. Без понимания АПС вы не сможете решать такие задачи. Ведь приходится выбирать из множества устройств, включая микроконтроллеры и процессоры цифровой обработки сигналов с различными характеристиками, ПЛИС. А как это сделать, если даже не понимаешь что это такое.

По сути, радиотехник – это специалист, который может не только посчитать антенну, но и создать ее, а также разработать систему управления, сбора и обработки данных с использованием знаний АПС.

Радиотехника связана с радиосигналами, а радиосигналы всегда связаны с процессорами в современной аппаратуре. И если вы хотите быть в центре этой захватывающей области, изучение АПС — важный шаг на этом пути.

Как читать эту книгу

Книга рассчитана на широкий охват аудитории по уровню их подготовки на момент начала прослушивания дисциплины АПС, поэтому для кого-то некоторые материалы окажутся избыточными, а для кого-то — крайне необходимыми.

Вне зависимости от вашего уровня подготовки, работу с этим курсом рекомендуется начать с прочтения документов из части: "Введение".

Далее можно приступать к разделу "Лабораторные работы". Перед каждым лабораторным занятием вам рекомендуется ознакомиться с методичкой, они очень подробные и их чтение требует какого-то времени. Время, отведенное на лабораторное, занятие рекомендуется использовать по-максимуму, то есть заниматься практической деятельностью, консультироваться с преподавателем, отлаживать разработанные блоки устройства и тому подобное, а для этого лучше прочитать методичку заранее.

Кроме того, важно отметить, что в начале каждой методички размещен раздел "Допуск", где перечислены все материалы со ссылками на главы раздела "Базовые конструкции SystemVerilog", которые студент должен освоить перед выполнением этой лабораторной работы. Данный раздел ориентирован в первую очередь на студентов, не работавших ранее с Verilog/SystemVerilog, однако, даже если вы работали с этими языками, рекомендуется пролистать данные главы и проверить свои знания в разделе "Проверь себя".

Традиционно, данные лабораторные считаются сложными. Однако за годы отработки методичек со студентами, было написано множество вспомогательных материалов, уточнений, а также акцентов на места, которые могут привести к ошибке. В данный момент, для успешного выполнения лабораторной работы от студента требуется только внимательно прочитать предоставленный ему материал и не бояться задать вопрос, если что-то непонятно.

Лабораторные занятия будут проходить с использованием САПР Vivado (и отладочными стендами Nexys A7). Это очень сложный профессиональный инструмент, на полноценное изучение которого могут уйти годы. Во время данного курса лабораторных работ нет времени на эти годы, поэтому для вас собрана основная информация по взаимодействию с САПР в разделе "Основы Vivado". Этой информации хватит, чтобы с помощью Vivado реализовать весь цикл лабораторных работ.

Если вы читаете данную книгу не в рамках курса АПС, вы вольны в выборе как программных средств, так и способов отладки. Репозиторий, сопровождающий эту книгу будет содержать некоторые файлы, специализированные для плат Nexys A7 (так называемые ограничения/констрейны), однако при должном уровне навыков вы с легкостью сможете портировать его под свою плату. В этому случае, авторы будут признательны, если вы предоставите получившиеся файлы и название платы, чтобы их можно было добавить в отдельную папку по другим платам для будущих читателей. По всем вопросам/замечаниям/предложениям вы можете связаться с авторами курса через разделы Issues и Discussions данного репозитория.

Эта книга может быть интересна и полезна читателю, не имеющему никакой отладочной платы: проверка работоспособности осуществляется в первую очередь на моделировании, т.е. программно (на самом деле, 90% времени вы будете проверять все именно посредством моделирования).

В ходе выполнения лабораторных работ вы наверняка столкнетесь как с ошибками, связанными с работой Vivado, так и с ошибками описания на языке SystemVerilog. В первую очередь, рекомендуется ознакомиться с текстом ошибки. В случае ошибок, связанных с языком SystemVerilog, чаще всего там содержится вся необходимая информация по её устранению. В случае, если текст непонятен, рекомендуется ознакомиться со списком типичных ошибок.

Материал этой книги будет пестрить множеством ссылок, которые в электронной версии этой книги, разумеется, будут кликабельными. Однако, если вы имеете удовольствие читать эту книгу в "аналоговом" формате, для вашего удобства все ссылки будут представлены в виде сносок под соответствующей страницей в текстовом формате. Текстовый формат вместо QR-кодов выбран чтобы иметь возможность вбить ссылку вручную на компьютере (все ссылки будут представлены в формате Unicode, так что не беспокойтесь, что вам придется вводить что-то наподобие "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B8%D0%B3%D0%B3%D0%B5%D1%80"). Кроме того, "умные" камеры современных смартфонов отлично справляются с распознаванием текстовых ссылок, поэтому авторы надеются, что и с этой стороны отсутствие QR-кодов не произведет неудобств.

Большая часть информации, касающаяся архитектуры RISC-V взята напрямую из спецификации. Поскольку работа над спецификацией все ещё идёт (хотя базовый набор инструкций rv32i уже заморожен и не изменится), чтобы ссылки на конкретные страницы спецификации имели смысл, они будут даваться на следующие версии двух документов:

• "The RISC-V Instruction Set Manual Volume I: Unprivileged ISA" — версия документа 20191213;
• "The RISC-V Instruction Set Manual Volume II: Privileged Architecture" — версия документа 20211203.

История курса и разработчики

Дисциплины связанные с организацией вычислительной техники читаются в МИЭТ с самого его основания. Текущий курс эволюционировал из "Микропроцессорных средств и систем" (МПСиС) читаемый факультету МПиТК (Микроприборов и технической кибернетики) сначала Савченко Юрием Васильевичем, а после – Переверзевым Алексеем Леонидовичем. С 2014 по 2022 годы дисциплина проводилась и значительно модернизировалась Поповым Михаилом Геннадиевичем совместно с коллективом сотрудников и студентов Института МПСУ. С 2022 года группам ИБ, ИКТ, КТ и РТ курс читает Силантьев Александр Михайлович, а группам ИВТ, ПИН, ПМ – Орлов Александр Николаевич, разработка методических материалов перешла в руки Солодовникова Андрея Павловича.

В 2019-2023 годах была значительно переработана, осовременена и дополнена теоретическая часть курса. Тогда же разработаны и полностью обновлены лабораторные работы с переходом на использование архитектуры RISC-V, введены новые способы оценки полученных знаний. Все материалы курса включая видеозаписи лекций были выложены в свободный доступ.

Основное влияние на структуру и содержание курса в современном виде оказали: оригинальные лекции МПСиС для МПиТК, курс Вычислительных структур 6.004 читаемый в MIT, Харрис и Харрис "Цифровая схемотехника и архитектура компьютера" и Орлов и Цилькер "Организация ЭВМ и систем".

С подготовкой курса и репозитория помогали студенты и сотрудники института МПСУ (бывшие и нынешние):

Кроме того, часть иллюстраций была нарисована Краснюк Екатериной Александровной.

На этом вводное слово окончено, желаю вам успехов в этом увлекательнейшем путешествии!