خدمات شبکه فراز نتورک | پیشرو در ارائه خدمات دیتاسنتری و کلود
بخش 1. معرفی معماری RISC-V
فصل 1. مفهوم RISC (Reduced Instruction Set Computing)
- توضیح اصول RISC و فلسفه طراحی آن
- مقایسه RISC با CISC (Complex Instruction Set Computing)
فصل 2. تاریخچه معماری RISC-V
- آغاز پروژه RISC-V در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی
- رشد و توسعه معماری RISC-V از اواخر دهه 80 تا امروز
- شکلگیری جامعه و بنیاد RISC-V
فصل 3. ویژگیهای اصلی معماری RISC-V
- ساده بودن دستورالعملها
- استفاده از مجموعه دستورالعملهای عمومی و پایه
- مدولار بودن و پشتیبانی از گسترشهای مختلف
- مستقل از سختافزار و باز بودن معماری
فصل 4. طبقهبندی مجموعه دستورالعملها (ISA)
- Base Integer Instruction Set: مجموعه دستورات اصلی برای پردازندههای RISC-V
- افزودن مجموعههای اختیاری مانند FP (Floating-Point)، Atomic، Vector و…
- بررسی تنوع دستورالعملها و گزینههای سفارشیسازی
فصل 5. مقایسه RISC-V با سایر معماریها
- مقایسه با ARM: شباهتها و تفاوتها
- مقایسه با x86: ویژگیهای خاص RISC-V در مقابل CISC
- مزایا و معایب معماری RISC-V نسبت به ARM و x86
فصل 6. مزایای استفاده از معماری RISC-V
- آزادی طراحی: امکان تغییر و سفارشیسازی ISA
- هزینههای پایینتر بهخاطر عدم نیاز به مجوزهای گرانقیمت
- باز بودن معماری و در دسترس بودن منابع (open-source)
- مقیاسپذیری برای کاربردهای مختلف از میکروکنترلرها تا پردازندههای با کارایی بالا
فصل 7. چالشها و محدودیتهای معماری RISC-V
- مسائل مربوط به سازگاری با نرمافزارهای موجود
- دشواریها در توسعه ابزارها و نرمافزارهای پشتیبانیکننده
- محدودیتهای نرمافزاری و سختافزاری در مقایسه با معماریهای قدیمیتر
فصل 8. کاربردهای معماری RISC-V
- استفاده در میکروکنترلرها و سیستمهای نهفته
- استفاده در دستگاههای با عملکرد بالا و سرورهای بزرگ
- استفاده در پردازندههای گرافیکی و پردازندههای ویژه
فصل 9. روندهای آینده معماری RISC-V
- رشد روزافزون جامعه توسعهدهندگان RISC-V
- توسعه ابزارها، نرمافزارها و پردازندههای جدید مبتنی بر RISC-V
- پیشرفتهای تحقیقاتی و علمی در زمینه معماری RISC-V
بخش 2. مروری بر ISA (Instruction Set Architecture) در RISC-V
فصل 1. مقدمهای بر ISA و اهمیت آن
- تعریف ISA (معماری مجموعه دستورات)
- اهمیت ISA در طراحی پردازندهها و توسعه نرمافزار
فصل 2. مجموعه دستورات پایه (Base Integer Instruction Set) در RISC-V
- دستورات ریاضی (Add, Sub, Mul, Div)
- دستورات منطقی (AND, OR, XOR, NOT)
- دستورات مقایسهای (SLT, SLTU, EQ, NE)
- دستورات کنترل جریان (Branch, Jump)
فصل 3. دستورات بارگذاری و ذخیرهسازی (Load/Store)
- دستورالعملهای بارگذاری (Load Word, Load Byte)
- دستورالعملهای ذخیرهسازی (Store Word, Store Byte)
- آشنایی با آدرسدهی حافظه (Addressing Modes)
فصل 4. مدل حافظه و رجیسترها
- تعداد و نوع رجیسترها (رجیسترهای عمومی x0 تا x31)
- رجیسترهای ویژه (رجیستر PC، رجیسترهای حالت، و رجیسترهای استثنا)
- مدل حافظه در RISC-V (دسترسی به حافظه با Byte, Half-word, Word)
فصل 5. فرمتهای مختلف دستورات
- فرمت R-Type: شامل کد عملیات و عملوندهای رجیستری
- فرمت I-Type: شامل یک مقدار فوری (Immediate) و عملیات بارگذاری
- فرمت S-Type: برای دستورات ذخیرهسازی
- فرمت B-Type: برای دستورات branch
- فرمت U-Type: برای دستورات Jump و Load Upper Immediate
- فرمت J-Type: برای دستورات Jump
- توضیح فیلدهای مختلف هر فرمت: opcode، rs1، rs2، rd، immediate
فصل 6. دستورات کنترل جریان (Control Flow Instructions)
- Jump (JAL, JALR)
- Branch (BEQ, BNE, BLT, BGE, BLTU, BGEU)
- بررسی مقایسه دستورالعملهای Branch و Jump
- نحوه پردازش دستورات شرطی و غیرشرطی در پردازنده
فصل 7. دستورات ویژه (F, D و M)
- دستورات ممیز شناور (F)
- مجموعه دستورات اعشاری (Add.s, Mul.s)
- دستورات دقیق (D)
- دستورات Double Precision (برای دادههای دقیقتر)
- دستورات ضرب و تقسیم (M)
- اضافهکردن ضربها و تقسیمها به مجموعه دستورالعملها
فصل 8. استثناها و وقفهها در ISA RISC-V
- نحوه برخورد با استثناها (Trap, Exception)
- انواع وقفهها (External Interrupt, Timer Interrupt)
- مدیریت وقفهها در سطح ISA
فصل 9. پشتیبانی از امنیت و حالتهای مختلف پردازنده
- حالتهای مختلف پردازنده (User, Supervisor, Machine)
- پشتیبانی از امنیت (H Mode برای سیستمهای مجازی و نظارت)
- مدیریت وضعیت پردازنده و تغییرات سطح دسترسی
فصل 10. گسترشهای ISA و امکان شخصیسازی
- گسترشهای اختیاری RISC-V (برای ویژگیهای خاص)
- امکان اضافهکردن دستورالعملهای دلخواه در معماری RISC-V
- استفاده از Extensionها مانند RV64 و RV128
فصل 11. مقایسه ISA در RISC-V با معماریهای دیگر
- مقایسه با x86 و ARM از لحاظ پیچیدگی و انعطافپذیری
- نحوه پردازش دادهها در RISC-V نسبت به معماریهای دیگر
- مقایسه دستورات و نحوه اجرای آنها
بخش 3. طراحی واحد محاسباتی (ALU) در پردازنده RISC-V
فصل 1. مقدمهای بر واحد محاسباتی (ALU)
- نقش ALU در پردازندهها
- اهمیت ALU در پردازش دادهها
- مقایسه ALU با سایر واحدهای پردازنده (مانند واحد کنترل و واحد حافظه)
فصل 2. ساختار داخلی ALU
- اجزای مختلف ALU (ورودیها، عملیات، خروجیها)
- استفاده از رجیسترها و اتصالات درونی برای پردازش دستورات
- پیادهسازی ALU بهصورت قابل توسعه و مقیاسپذیر
فصل 3. عملیات ریاضی در ALU
- جمع و تفریق
- ضرب و تقسیم (اگر در طراحی ALU پشتیبانی شوند)
- عملیات شیفت (شیفت منطقی و حسابی)
- عملیات مقایسه (مقایسه برابر، بزرگتر، کوچکتر)
فصل 4. عملیات منطقی در ALU
- عملیات AND، OR، XOR
- استفاده از گیتهای منطقی برای پیادهسازی این عملیات
- بررسی نحوه پیادهسازی عملیات منطقی در معماری RISC-V
فصل 5. پیادهسازی دستورالعملهای مختلف در ALU
- ALU برای دستورالعملهای جمع، تفریق، ضرب، و مقایسه
- پیادهسازی دستورالعملهای شیفت (مثلاً دستور
sll,srlبرای شیفت منطقی) - ALU برای دستورات منطقی و مقایسهای (مانند
and,or,xor)
فصل 6. طراحی واحد ALU با استفاده از گیتهای منطقی
- استفاده از گیتهای پایه (AND, OR, NOT, XOR) برای پیادهسازی دستورات ALU
- طراحی مدارهای منطقی برای عملیات مختلف
- استفاده از اتصالات چندگانه گیتها برای انجام عملیات ترکیبی
فصل 7. واحد ALU و عملکرد آن در پردازندههای خط لولهای
- نقش ALU در پردازندههای خط لولهای (Pipelined Processors)
- هماهنگی ALU با سایر مراحل خط لوله (IF, ID, EX, MEM, WB)
- مشکلات رایج در ALU در پردازندههای خط لولهای (Hazards)
فصل 8. نحوه پیادهسازی ALU در Verilog/VHDL
- معرفی زبانهای توصیف سختافزار (HDL)
- طراحی ALU با استفاده از Verilog یا VHDL
- مثال کد Verilog/VHDL برای پیادهسازی ALU
- تست و شبیهسازی عملکرد ALU
فصل 9. عملکرد ALU و بهینهسازی آن
- تحلیل عملکرد ALU در شرایط مختلف بار پردازشی
- روشهای بهینهسازی برای کاهش تاخیر و مصرف انرژی
- بهینهسازی طراحی ALU برای افزایش کارایی در پردازندههای مدرن
فصل 10. بررسی تست و شبیهسازی ALU
- نحوه تست دقیق ALU در محیط شبیهسازی (استفاده از تست بنچها)
- روشهای ارزیابی عملکرد ALU در شبیهسازهای دیجیتال (مانند ModelSim)
- بررسی صحت عملکرد و رفع خطاهای احتمالی در طراحی ALU
فصل 11. پشتیبانی از عملیات خاص در ALU
- عملیات گرافیکی و محاسبات علمی (در صورت نیاز)
- پشتیبانی از دستورات خاص برای پردازش دادههای چندبیتی
- الگوریتمهای پیشرفته برای عملیات سریعتر در ALU
بخش 4. طراحی مسیر داده (Datapath) در پردازنده RISC-V
فصل 1. مفهوم مسیر داده (Datapath) در پردازندهها
- تعریف و اهمیت مسیر داده در پردازنده
- اجزای مختلف مسیر داده و نحوه تعامل آنها
- تفاوتهای مسیر داده در پردازندههای RISC و CISC
فصل 2. معماری مسیر داده در پردازندههای RISC-V
- اجزای اصلی مسیر داده: ALU، رجیستر فایل، حافظه و واحد کنترل
- ارتباط میان ALU، حافظه و رجیسترها
- انتقال دادهها از طریق خطوط داده و سیگنالهای کنترلی
- استفاده از مبدلهای داده (Multiplexers) برای انتخاب ورودیها
فصل 3. معماری Single-Cycle و Multi-Cycle
- Single-Cycle Processor:
- نحوه اجرای تمام دستورات در یک سیکل (پایهترین و سادهترین معماری)
- مزایا و معایب معماری single-cycle
- طراحی مسیر داده برای یک سیکل
- Multi-Cycle Processor:
- تفکیک مراحل اجرای دستور به چندین سیکل
- مزایا: کاهش تاخیر و استفاده بهینه از منابع
- معایب: پیچیدگی بیشتر در طراحی مسیر داده و واحد کنترل
فصل 4. واحد کنترل و نحوه ارسال سیگنالها
- نقش واحد کنترل در مسیریابی دادهها
- ارسال سیگنالهای کنترلی به واحدهای مختلف پردازنده (ALU، رجیستر فایل، حافظه)
- نحوه تنظیم سیگنالهای انتخاب (Mux Select) و کنترل حافظه (Memory Control)
- استفاده از ماشینهای حالت محدود (FSM) برای تولید سیگنالهای کنترلی
فصل 5. پیادهسازی رجیستر فایل (Register File)
- ساختار رجیستر فایل و تعداد رجیسترها در معماری RISC-V
- نحوه دسترسی به رجیسترها برای خواندن و نوشتن
- انتخاب رجیسترهای ورودی و خروجی با استفاده از Multiplexer
- بررسی عملیات خواندن و نوشتن از رجیستر فایل در معماریهای مختلف
فصل 6. اتصال ALU به مسیر داده
- نحوه ارتباط ALU با رجیستر فایل و حافظه
- تنظیم ورودیهای ALU از رجیستر فایل و حافظه
- نحوه انجام عملیات ریاضی و منطقی در ALU
- انتخاب نوع عملیات (جمع، تفریق، مقایسه، شیفت) با استفاده از سیگنالهای کنترلی
فصل 7. ارتباط بین حافظه و مسیر داده
- نحوه انجام عملیات بارگذاری (Load) و ذخیرهسازی (Store) دادهها
- تعامل بین حافظه و رجیسترها در هنگام انجام دستورات Load/Store
- استفاده از حافظه کش (Cache) در پردازندههای پیچیدهتر
فصل 8. پیادهسازی مسیر داده در Verilog/VHDL
- طراحی مسیر داده با استفاده از زبانهای توصیف سختافزار
- پیادهسازی ALU، رجیستر فایل و ارتباط بین اجزای مختلف در Verilog یا VHDL
- شبیهسازی و تست اجزای مسیر داده در محیط توسعه
فصل 9. حل مشکلات تعارض در مسیر داده
- بررسی مشکلات مربوط به وابستگیهای دادهای (Data Hazards) و روشهای رفع آنها
- Forwarding
- Stalling
- شناسایی و حل تعارضات کنترل (Control Hazards)
- استفاده از پیشبینی شاخه (Branch Prediction)
- تأخیر در پردازش دستورات شرطی
فصل 10. بهینهسازی مسیر داده
- افزایش سرعت پردازش با طراحی بهینه مسیر داده
- کاهش تعداد مبدلها (Multiplexers) و سادهسازی ارتباطات
- استفاده از کش و حافظه سریعتر برای تسریع دسترسیها
بخش 5. طراحی واحد کنترل (Control Unit) در پردازنده RISC-V
فصل 1. مفهوم واحد کنترل و وظایف آن
- توضیح کلی از نقش واحد کنترل در پردازنده
- شبیهسازی فرآیند اجرای دستورات و مدیریت سیگنالها
- تعامل واحد کنترل با سایر بخشهای پردازنده مانند ALU، رجیسترها، حافظه
فصل 2. روشهای طراحی واحد کنترل
- طراحی با استفاده از ماشین حالت محدود (FSM)
- معرفی ماشین حالت محدود (Finite State Machine)
- استفاده از FSM برای مدیریت مراحل مختلف اجرای دستور
- طراحی با استفاده از میکروکد (Microcoded Control)
- آشنایی با مفهوم میکروکد و نحوه استفاده از آن
- مزایای و معایب استفاده از میکروکد برای کنترل پیچیدهتر دستورات
- روش ترکیبی (Hybrid Control)
- ترکیب روشهای FSM و میکروکد برای پردازش دستورات خاص
فصل 3. ساختار واحد کنترل
- واحد کنترل سختافزاری:
- استفاده از گیتهای منطقی، رجیسترها، و منابع دیگر برای پیادهسازی واحد کنترل
- واحد کنترل نرمافزاری (Microcoded Control Unit):
- پیادهسازی واحد کنترل با استفاده از حافظه میکروکد و دستورالعملهای مرتبط
- ساختار پارامترهای کنترل:
- معرفی سیگنالهای کنترلی مانند RegWrite، ALUOp، MemRead، MemWrite، Branch، etc.
فصل 4. نحوه ارسال سیگنالها از واحد کنترل به اجزای مختلف پردازنده
- مدیریت سیگنالهای کنترلی برای ALU:
- ارسال سیگنالهای ALUOp برای مشخص کردن عملیات ریاضی و منطقی
- مدیریت سیگنالهای حافظه:
- سیگنالهای MemRead و MemWrite برای مدیریت دسترسی به حافظه
- سیگنالهای پردازش جریان کنترل:
- Branch، Jump، ALUZero برای مدیریت تغییر جریان برنامه
فصل 5. تشریح انواع دستورات و نحوه پردازش آنها توسط واحد کنترل
- دستورات نوع R (R-Type):
- کنترل فرآیندهای مربوط به عملیات حسابی و منطقی
- دستورات نوع I (I-Type):
- پردازش دستورات بارگذاری/ذخیرهسازی و بارگذاری فوری
- دستورات نوع S (S-Type):
- مدیریت دستورات ذخیرهسازی به حافظه
- دستورات نوع B (B-Type) و J (J-Type):
- کنترل انتقالها و شاخهها
فصل 6. هماهنگی واحد کنترل با خط لوله (Pipelining)
- دستورات خط لولهای و چالشها در طراحی واحد کنترل
- حل تعارضات در خط لوله (Hazards):
- Forwarding، Stalls، Branch Prediction برای حل مشکلات تعارضات
- دستورات Branch و Jump در خط لوله:
- مدیریت پیشبینی شاخهها (Branch Prediction) و مشکلات ناشی از آن
فصل 7. پیادهسازی واحد کنترل در Verilog/VHDL
- طراحی واحد کنترل با استفاده از Verilog/VHDL
- نحوه استفاده از زبانهای توصیف سختافزار برای پیادهسازی FSM و میکروکدها
- شبیهسازی عملکرد واحد کنترل:
- تست و ارزیابی واحد کنترل در شبیهسازی و شبیهسازی رفتار سیستم
فصل 8. بررسی ویژگیهای بهینهسازی واحد کنترل
- بهینهسازی مصرف انرژی و منابع سختافزاری:
- کاهش پیچیدگی و اندازه واحد کنترل برای افزایش کارایی و کاهش مصرف انرژی
- افزایش سرعت پردازش و پاسخگویی واحد کنترل:
- استفاده از تکنیکهای بهینهسازی برای کاهش زمان تاخیر در سیگنالدهی
نقد و بررسی وجود ندارد.