دانلود کتاب آموزشی Introduction to RISC-V جلد دوم

بخش 5: سیستم‌عامل و اجرای کد در RISC-V

فصل 1: مفاهیم پایه سیستم‌عامل در معماری RISC-V

• تعریف نقش سیستم‌عامل در کنترل و زمان‌بندی پردازش‌ها

• مروری بر ساختار کلی سیستم‌عامل‌ها و نیازهای آن‌ها در معماری‌های مختلف

• ارتباط میان سخت‌افزار و سیستم‌عامل در RISC-V

• تفاوت اجرای Bare-Metal و اجرای با سیستم‌عامل (OS vs. No-OS)

• بررسی لایه‌های نرم‌افزاری در یک سیستم مبتنی بر RISC-V

فصل 2: محیط‌های پشتیبان سیستم‌عامل در RISC-V

• معرفی سیستم‌عامل‌های پشتیبان RISC-V (Linux، FreeRTOS، Zephyr، RTEMS)

• نقش RISC-V SBI (Supervisor Binary Interface) در تعامل نرم‌افزار و سخت‌افزار

• تفاوت میان Platform-Level ISA (PLIC, CLINT) و Machine-Level ISA

• بررسی Hypervisorها و اجرای ماشین‌های مجازی در محیط RISC-V

• معرفی ابزارهای مرتبط با مدیریت منابع در سیستم‌های چند‌هسته‌ای RISC-V

فصل 3: بوت و فرایند راه‌اندازی سیستم

• آشنایی با Boot ROM، Bootloader و نقش آن‌ها در راه‌اندازی

• معرفی بوت‌لودرهای متداول (OpenSBI، U-Boot، BBL)

• مراحل اجرای سیستم از روشن شدن تا بارگذاری کرنل

• مفهوم Chainloading و فرایند انتقال کنترل بین بوت‌لودر و کرنل

• درک فرایند راه‌اندازی در سطوح Machine، Supervisor و User

فصل 4: ساخت و بارگذاری کرنل سیستم‌عامل

• ساختار فایل‌های کرنل در معماری RISC-V

• معرفی نسخه‌های لینوکس سازگار با RISC-V

• تنظیمات لازم برای پیکربندی کرنل متناسب با معماری RV32 یا RV64

• فرآیند Build و Link کرنل برای اجرا در QEMU یا سخت‌افزار واقعی

• نقش Device Tree (DTB) در توصیف سخت‌افزار برای کرنل

• تفاوت میان اجرای Monolithic Kernel و Microkernel در RISC-V

فصل 5: اجرای Linux بر روی RISC-V

• مراحل بوت لینوکس بر روی QEMU و سخت‌افزار واقعی

• ساخت root filesystem برای لینوکس RISC-V

• بررسی فرایند init و اجرای فرآیندهای اولیه سیستم

• تعامل کاربر با سیستم از طریق کنسول سریال (Serial Console)

• پیکربندی سرویس‌های پایه (network, ssh, systemd) در لینوکس RISC-V

• خطاهای متداول در راه‌اندازی و روش‌های عیب‌یابی

فصل 6: سیستم‌عامل‌های سبک در RISC-V

• آشنایی با FreeRTOS و ویژگی‌های آن در سیستم‌های نهفته

• ساخت و پیکربندی FreeRTOS برای هسته‌های RV32IM و RV64IM

• بررسی Zephyr OS و قابلیت‌های آن برای IoT

• مقایسه RTOSها از نظر کارایی، اندازه و سازگاری

• مفهوم Scheduler، Task Management و ISR در محیط RTOS

فصل 7: مدیریت حافظه و MMU در RISC-V

• معرفی ساختار حافظه مجازی در RISC-V

• مفهوم Paging، Translation Lookaside Buffer (TLB) و Address Translation

• نحوه کارکرد MMU در حالت‌های مختلف اجرایی

• نقش جدول صفحات (Page Table) در جداسازی فضای آدرس

• تفاوت میان حافظه مجازی در 32 بیت و 64 بیت RISC-V

• امنیت و کنترل دسترسی حافظه در سیستم‌عامل‌های RISC-V

فصل 8: تعامل سیستم‌عامل با سخت‌افزار

• نقش درایورها (Device Drivers) در RISC-V

• بررسی واسط‌های استاندارد سخت‌افزار: UART، SPI، I2C، GPIO

• نحوه مدیریت وقفه‌ها و استثناها در سطوح مختلف privilege

• مفهوم CLINT (Core Local Interrupt Controller) و PLIC (Platform-Level Interrupt Controller)

• هماهنگی میان کرنل و سخت‌افزار در مدیریت وقفه‌ها

• چالش‌های توسعه درایورهای سفارشی برای RISC-V

فصل 9: مجازی‌سازی و چندوظیفگی در RISC-V

• معرفی مفهوم Virtualization در معماری RISC-V

• پشتیبانی RISC-V از Hypervisor Extension (H-Mode)

• اجرای چند ماشین مجازی (VM) بر روی یک هسته RISC-V

• مدیریت منابع پردازنده، حافظه و وقفه‌ها در محیط مجازی

• مقایسه KVM در معماری x86 و RISC-V

فصل 10: تحلیل عملکرد و عیب‌یابی سیستم

• ابزارهای پروفایلینگ و مانیتورینگ سیستم در محیط RISC-V

• روش‌های ثبت لاگ و تحلیل خطاهای بوت یا کرنل

• ابزارهای ردیابی مانند ftrace و perf برای RISC-V

• تحلیل Bottleneckهای حافظه و CPU در اجرای سیستم‌عامل

• بهینه‌سازی کارایی سیستم در سطوح سخت‌افزار و نرم‌افزار

فصل 11: روندهای نوین و آینده سیستم‌عامل‌ها در RISC-V

• پیشرفت در اجرای لینوکس کامل روی پلتفرم‌های RISC-V

• پروژه‌های جدید مانند RISC-V Android و RISC-V Windows Subsystem

• نقش مجازی‌سازی و Containerization (Docker, LXC) در آینده RISC-V

• ترکیب RISC-V با معماری‌های ناهمگن (Heterogeneous Systems)

• مسیر توسعه سیستم‌عامل‌های متن‌باز برای اکوسیستم RISC-V

بخش 6: طراحی سخت‌افزار و سفارشی‌سازی

فصل 1: مبانی طراحی پردازنده‌های RISC-V

• آشنایی با اصول طراحی پردازنده و نحوه عملکرد واحدهای داخلی

• مرور ساختار داخلی پردازنده‌های RISC-V (Pipeline، ALU، Register File)

• نقش واحد کنترل، واحد محاسباتی و مسیر داده‌ها

• بررسی تفاوت میان پردازنده‌های تک‌مرحله‌ای، چندمرحله‌ای و سوپراسکالر

• تأثیر طراحی ساده RISC بر مصرف توان و کارایی سخت‌افزار

فصل 2: معرفی پروژه‌های متن‌باز RISC-V

• آشنایی با پروژه Rocket Chip از دانشگاه برکلی

• بررسی معماری BOOM (Berkeley Out-of-Order Machine)

• معرفی PicoRV32 به‌عنوان هسته سبک برای سیستم‌های نهفته

• بررسی هسته‌های بازمتن مانند VexRiscv، CVA6 و SweRV

• تحلیل تفاوت‌ها در عملکرد، قابلیت سفارشی‌سازی و کاربرد هر پروژه

فصل 3: ابزارهای طراحی دیجیتال برای RISC-V

• معرفی زبان‌های توصیف سخت‌افزار (HDL) شامل Verilog، VHDL و Chisel

• نحوه مدل‌سازی مسیر داده‌ها و کنترل در HDL

• استفاده از ابزارهای طراحی مانند Vivado، Quartus و Yosys

• مرور چرخه طراحی دیجیتال از توصیف منطقی تا پیاده‌سازی فیزیکی

• نقش ابزارهای شبیه‌سازی (Simulation) در ارزیابی طراحی

فصل 4: طراحی و شبیه‌سازی هسته RISC-V

• مراحل طراحی یک هسته ساده RISC-V از پایه

• نحوه تعریف رجیسترها، ALU و کنترل‌کننده دستورالعمل‌ها

• پیاده‌سازی واحد حافظه و ارتباط آن با پردازنده

• بررسی عملکرد Pipeline و مدیریت خطرات (Hazards)

• تحلیل تأخیرها، کارایی و تست عملکرد طراحی در سطح RTL

فصل 5: پیاده‌سازی روی FPGA

• معرفی معماری FPGA و کاربرد آن در توسعه RISC-V

• بررسی ابزارهای سنتز و پیاده‌سازی سخت‌افزار روی FPGA

• انتخاب برد مناسب مانند Nexys A7، Arty A7 یا DE10-Nano

• فرآیند تبدیل HDL به بیت‌استریم (Bitstream) برای برنامه‌ریزی FPGA

• ارزیابی کارایی و مصرف توان طراحی در محیط واقعی

فصل 6: طراحی افزونه‌ها و دستورالعمل‌های اختصاصی

• مفهوم Custom Extension در RISC-V و مزایای آن

• روش افزودن دستورالعمل‌های جدید برای عملیات خاص

• نحوه تغییر ISA برای نیازهای خاص صنعتی یا تحقیقاتی

• بررسی کاربردهای افزونه‌ها در حوزه رمزنگاری، AI و DSP

• تعامل نرم‌افزار با افزونه‌های سخت‌افزاری جدید

فصل 7: طراحی سیستم روی تراشه (SoC) مبتنی بر RISC-V

• معرفی مفهوم SoC و ارتباط آن با RISC-V cores

• ادغام واحدهای حافظه، ورودی/خروجی، تایمر و ارتباطات

• استفاده از AMBA، AXI و Wishbone Bus در طراحی SoC

• طراحی و شبیه‌سازی SoC با هسته RISC-V و محیط‌های جانبی

• بررسی نمونه‌های صنعتی مانند SiFive SoCs و Kendryte

فصل 8: اعتبارسنجی، تست و دیباگ سخت‌افزار

• روش‌های تست واحدی (Unit Testing) و یکپارچه در طراحی پردازنده

• آشنایی با محیط‌های تست مانند Verilator و ModelSim

• تحلیل Waveform برای بررسی سیگنال‌ها و رفتار سیستم

• اهمیت تست عملکرد (Performance Validation) و پایداری سیستم

• ابزارهای دیباگ سخت‌افزاری مانند JTAG و OpenOCD

فصل 9: از طراحی تا تراشه نهایی (ASIC Implementation)

• مراحل تبدیل طراحی HDL به تراشه واقعی (Tape-Out Flow)

• نقش ابزارهای سنتز منطقی و زمان‌بندی (Timing Analysis)

• بررسی فرآیند ساخت ASIC و فناوری‌های نیمه‌هادی

• چالش‌های هزینه، توان و بهینه‌سازی سطح ترانزیستور

• آشنایی با پلتفرم‌های تولید تراشه مانند SkyWater 130 و GlobalFoundries

بخش 7: کاربردها و آینده RISC-V

فصل 1. نقش RISC-V در صنعت فناوری

• جایگاه RISC-V در زنجیره جهانی طراحی تراشه

• مقایسه با معماری‌های تجاری مانند ARM و x86 در صنایع مختلف

• شرکت‌ها و نهادهای پیشرو در توسعه و استفاده از RISC-V (SiFive، Alibaba T-Head، StarFive، Andes، Esperanto و غیره)

• تأثیر RISC-V بر مدل‌های تجاری سنتی طراحی پردازنده‌ها

• اکوسیستم نرم‌افزاری و سخت‌افزاری پیرامون RISC-V

فصل 2. RISC-V در اینترنت اشیا (IoT)

• نقش RISC-V در طراحی تراشه‌های کم‌مصرف و بهینه برای IoT

• کاربرد در سنسورها، گیت‌وی‌ها و دستگاه‌های هوشمند

• استفاده از هسته‌های کوچک مانند RV32IMC در کنترل‌کننده‌های ساده

• پروژه‌های متن‌باز IoT مبتنی بر RISC-V

• تعامل با سیستم‌عامل‌های سبک مانند Zephyr، FreeRTOS و NuttX

• مزیت‌های امنیتی و سفارشی‌سازی RISC-V در محیط‌های IoT

فصل 3. RISC-V در هوش مصنوعی و یادگیری ماشین

• استفاده از RISC-V برای شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی و ML

• طراحی افزونه‌های خاص (Vector Extensions و Custom Accelerators)

• نمونه‌های پروژه‌ها و تراشه‌های هوش مصنوعی مبتنی بر RISC-V

• یکپارچگی RISC-V با سیستم‌های Edge AI

• نقش RISC-V در هوش مصنوعی قابل‌توضیح (Explainable AI) و پردازش داده‌های بلادرنگ

فصل 4. RISC-V در سیستم‌های تعبیه‌شده (Embedded Systems)

• جایگاه RISC-V در سیستم‌های Real-Time و کنترل صنعتی

• کاربرد در صنایع خودرو، روباتیک و هوافضا

• تطبیق RISC-V با استانداردهای ایمنی صنعتی (ISO 26262 و IEC 61508)

• قابلیت پشتیبانی از محیط‌های با محدودیت توان و حافظه

• سیستم‌های چند‌هسته‌ای تعبیه‌شده مبتنی بر RISC-V

فصل 5. RISC-V در مراکز داده و زیرساخت‌های ابری

• توسعه سرورهای RISC-V برای دیتاسنترهای نسل جدید

• مقایسه عملکرد و بهره‌وری انرژی با معماری‌های x86 و ARM

• پشتیبانی از مجازی‌سازی (KVM، QEMU، Firecracker)

• اجرای Linux Containers و Kubernetes بر بستر RISC-V

• نقش RISC-V در لبه محاسباتی (Edge Computing) و سرویس‌های ابری

فصل 6. نقش RISC-V در ابررایانه‌ها و HPC

• استفاده از RISC-V در پروژه‌های High-Performance Computing

• معماری‌های چندپردازنده‌ای و خوشه‌ای مبتنی بر RISC-V

• توسعه پردازنده‌های برداری (Vector Processors) و Coprocessorها

• پروژه‌های جهانی HPC مبتنی بر RISC-V (مانند EPI و OpenHPC-RV)

• چالش‌ها و فرصت‌های بهینه‌سازی عملکرد در مقیاس بالا

فصل 7. آینده و روندهای جهانی RISC-V

• تحلیل روندهای بازار جهانی تراشه‌های RISC-V

• نقشه راه توسعه RISC-V International تا سال‌های آینده

• گسترش در حوزه موبایل، لپ‌تاپ و رایانه‌های مصرفی

• سیاست‌های بین‌المللی و استقلال فناوری (Tech Sovereignty)

• فرصت‌های پژوهشی در دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی

• آینده شغلی مهندسان و توسعه‌دهندگان در اکوسیستم RISC-V

فصل 8. نوآوری و مشارکت در جامعه RISC-V

• نحوه مشارکت در پروژه‌های متن‌باز RISC-V

• استانداردسازی افزونه‌ها و همکاری بین سازمان‌ها

• معرفی انجمن‌ها، کنفرانس‌ها و Hackathonهای مرتبط با RISC-V

• پروژه‌های آموزشی و دانشگاهی برای توسعه RISC-V

• مسیر یادگیری و مهارت‌های مورد نیاز برای ورود به این حوزه