Курс за обучение по RISC-V от софтуера до силиция: Програмиране, Linux, FPGA и AI приложения

Основи на RISC-V архитектурата и преглед на екосистемата

RISC-V ISA пейзаж и индустриално осиновяване

• Философия на отворения ISA и стандартизационният пейзаж на RISC-V International
• Ментален модел на RISC-V: Load-Store архитектура, регистров файл, подредба на байтовете
• Сравнение с ARM, x86 и POWER: Компромиси за хетерогенни изчислителни архитектури
• Оценка на зрелостта на екосистемата: SiFive, T-Head, Western Digital и разрастващата се open-source силициева общност
• Стандартизирани интерфейси: RISC-V Privileged ISA, Machine Software Abstraction Layer (MSBL)

Модели на паметта и ABI съответствие

• Спецификация на Unprivileged Architecture: CSR карта, обработка на изключения и йерархии на паметта
• RV32I / RV64I набори от инструкции и ABI съответствие за кросплатформена бинарна преносимост
• Конвенции за подредба на паметта и бариерни инструкции за многопроцесорни системи

RISC-V асемблерно програмиране и компилаторен toolchain

Ниско ниво на програмиране на инструкции

• Базови целочислени инструкции (I), Multiply/Divide (M), Atomic operations (A) разширения
• Стратегии за програмиране, съобразени с битовостта, за 32-битови и 64-битови RISC-V цели
• Конвенции за извикване и управление на стековата рамка за вградени и реалновремеви софтуерни системи

Умения за компилаторен toolchain

• LLVM-базиран компилаторен toolchain: Clang, LLVM, Binutils за RISC-V кроскомпилация
• Linker скриптове, секции и конфигурация на разпределението на паметта за bare-metal и RTOS среди
• Компилаторни интринсици, нива на оптимизация и профилиращо-насочено настройване на кода
• Работни потоци за разработка на open-source toolchain: изграждане, тестване и пакетиране на персонализирани GCC/Clang toolchain-и

Разработка на вградени системи и реалновремеви операционни системи

Bare-Metal и RTOS програмиране

• Системно програмиране на Rust за RISC-V: абстракции с нулеви разходи, unsafe управление на паметта и bare-metal разработка
• No-Std среди: персонализирани linker-и, разработка на драйвери за устройства и memory-mapped I/O
• Zephyr RTOS и Buildroot BSP разработка за RISC-V цели
• Периферно свързване: GPIO, I2C, SPI, UART и DMA контролерно програмиране

Оптимизация на мощността и производителността

• Clock gating, управление на захранващи домейни и оптимизация на нискомощни режими
• Циклово-точен анализ на производителността със симулационни профилиращи инструменти и хардуерни броячи на производителността
• Настройка на латентността на реалновремевите прекъсвания за критични за безопасността приложения

Разработка на Linux ядро и bootloader за RISC-V

Boot фърмуер и bootloader екосистема

• OpenSBI (SBI спецификационна имплементация): разработка на bootloader фърмуер
• UEFI/EDK II на RISC-V: разработка на модерен фърмуерен boot стек
• Coreboot и U-Boot портиране за RISC-V едноплаткови компютри

Интеграция на Linux ядрото

• RISC-V mainline kernel приноси: device tree overlays, CPU топология и разработка на драйвери за interrupt контролер (AIA)
• Разработка на vendor BSP и конфигурация на ядрото за персонализирани SoC платформи
• Поддръжка на файловата система, мрежовия стек и контейнеризацията (Docker, Kubernetes) на RISC-V хост системи

RISC-V SoC дизайн и FPGA прототипиране

Многоядрена SoC архитектура и интеграция

• Методологии за дизайн на Network-on-Chip (NoC) за RISC-V многоядрени процесори
• Axi4/CHI cache кохерентност и протоколи за междупроцесорна комуникация
• Интеграция на open-source IP: OpenCores, ChIPS Framework и vendor RTL компоненти
• Bus matrix дизайн и интеграция на контролери за памет (DDR, SRAM, eMMC, PCIe)

FPGA-базирано прототипиране на процесори

• FPGA синтез и имплементация на RISC-V ядро (напр. BOOM, VexRiscv, PULP)
• SystemVerilog Assertions (SVA) и UVM-базирана методология за функционална верификация
• Инструменти за формална верификация и property-based тестване за валидация на RISC-V ядрото

RISC-V векторни разширения и домейн-специфично ускорение

RVV (RISC-V Vector) разширение в дълбочина

• Vector load/store, vector-fused multiply-add (VFMA) и ускорение на матрични изчисления
• Операции с променлива дължина на вектора (VL, VLEN) за SIMD изпълнение, оптимизирано спрямо натоварването
• Vector mask операции, сегментен контрол и гъвкавост на типовете данни за DSP и ML натоварвания

Персонализиран DSP и домейн-специфичен дизайн на инструкции

• Проектиране на домейн-специфични ускорители чрез персонализирани разширения и CBAR-базирани операндни интерфейси
• Модификации на компилаторния frontend за генериране на персонализирани инструкции и излъчване на код
• Стратегии за хардуерно-софтуерно разделение за интеграция на ускорители в производствени SoC-та

AI ускорение и крайно машинно обучение на RISC-V

NPU дизайн и интеграция за RISC-V процесори

• Архитектура на Neural Processing Unit: systolic arrays, tensor cores и компресия на теглата за on-chip AI ускорение
• Техники за квантуване на модели (INT8, INT4, FP8) за крайно разгръщане на RISC-V
• Съвместимост с рамки: TensorFlow Lite Micro, ONNX Runtime и PyTorch Edge на RISC-V цели

Хетерогенни изчисления за AI натоварвания

• Съвместен дизайн на RISC-V хост CPU с AI ускорител NPU за реалновремеви inference pipelines
• Оптимизация на подсистемата на паметта: управление на HBM/DDR честотната лента за ML моделни тегла и активации
• Термално и енергийно бюджетиране за крайни AI inference системи

Хардуерна сигурност и конфиденциални изчисления на RISC-V

Physical Memory Protection и доверено изпълнение

• Physical Memory Protection (PMP) и механизми за сигурност на Page Table walker
• Secure Enclave/TEE архитектури за RISC-V: OP-TEE интеграция, SEV-клас доверени среди за изпълнение
• Сигурност на boot веригата: root of trust, secure boot и measured launch attestation

Криптографско ускорение

• RISC-V криптографски разширения (Zk, Zkr, K разширения): SHA, AES, RSA, RSA-PSS и ECC ускорение
• Интеграция на постквантова криптография (PQC) за RISC-V процесори от следващо поколение
• Техники за смекчаване на side-channel атаки: програмиране с постоянно време, маскиране и хардуерни генератори на случайни числа

Напреднал персонализиран архитектурен и ISA разширителен дизайн

Домейн-специфична архитектура и персонализирани инструкционни разширения

• Методология за дизайн на ISA разширения: encoding, encoding tables, анализ на ABI въздействието и процес на подаване на спецификация към RISC-V International
• Персонализиран дизайн на регистров файл с CBAR (Custom Base Address Registers) за операндно разпределение
• Instruction pipelining, hazard detection и модификации на pipeline за персонализирани разширения

Верификация и signoff на персонализирани архитектурни модификации

• Дизайн на testbench за персонализирани разширения: directed vs. constraint-random генериране на стимули
• Рамки за regression тестване и coverage-driven верификация за архитектурни модификации
• Тестване на интероперабилността: гарантиране, че персонализираните инструкции функционират в рамките на установените ABI ограничения

Критични за безопасността и автомобилни RISC-V приложения

Съответствие с функционалната безопасност и автомобилните стандарти

• Съответствие с ISO 26262 функционална безопасност за RISC-V автомобилни процесори
• ASIL-Q класификация и разработка на наръчник за безопасност за RISC-V силициев IP
• Детерминистично обработване на прекъсвания, lockstep core двойки и защита на паметта за критични за безопасността RISC-V системи

Индустриални реалновремеви и крайни изчислителни приложения

• Съответствие с IEC 61508 SIL и детерминистично планиране на RISC-V многоядрени платформи
• Разработка на индустриални IoT шлюзове с RISC-V: свързаност, крайна аналитика и OTA системи за актуализация на фърмуера

Capstone проект: End-to-End RISC-V системна разработка

Проект с пълен жизнен цикъл

• Архитектурна спецификация: ISA разширения и дизайн на конфигурацията на ядрото за дефиниран случай на употреба
• RTL имплементация в SystemVerilog с UVM testbench-ове и покритие на формалната верификация
• FPGA прототипиране, разработка на boot фърмуер и интеграция на bare-metal драйверен стек
• Linux BSP и персонализиране на toolchain за персонализираното RISC-V ядро
• Разгръщане на AI натоварване: NPU интеграция, квантуване на модели и бенчмаркинг на производителността
• Валидация на сигурността: PMP прилагане, secure boot и бенчмаркинг на криптографското ускорение
• Документация на техническата архитектура, анализ на IP стратегията и презентация пред кросфункционален екип