دانلود کتاب آموزشی Introduction to RISC-V جلد اول

بخش 1: مقدمه‌ای بر RISC-V

فصل 1: مروری بر معماری‌های پردازنده

• تعریف معماری مجموعه دستورالعمل‌ها (ISA) و نقش آن در طراحی پردازنده

• تفاوت بین معماری‌های RISC و CISC

• مفهوم عملکرد (Performance) در طراحی معماری پردازنده

• سیر تاریخی توسعه پردازنده‌ها از دهه ۱۹۷۰ تا امروز

• نقش دانشگاه‌ها و صنایع در تحول معماری‌های باز و بسته

فصل 2: تاریخچه توسعه RISC-V

• معرفی پروژه RISC در دانشگاه برکلی (Berkeley RISC Project)

• مسیر شکل‌گیری RISC-I، RISC-II و پیدایش RISC-V

• اهداف اولیه طراحی RISC-V و فلسفه پشت انتخاب آن

• تأثیر پروژه‌های قبلی مانند MIPS و SPARC بر طراحی RISC-V

• مراحل تکامل RISC-V از نسخه‌های دانشگاهی تا صنعتی

فصل 3: فلسفه طراحی RISC-V

• اصول سادگی و ماژولار بودن در طراحی

• حذف پیچیدگی‌های غیرضروری در سطح ISA

• قابلیت گسترش با استفاده از Extensionها

• استقلال از فناوری ساخت و پیاده‌سازی

• تمرکز بر آموزش، تحقیق و توسعه صنعتی

• مقایسه فلسفه طراحی RISC-V با ARM و x86 از نظر اهداف و رویکرد

فصل 4: ساختار مدیریتی و بنیاد RISC-V

• معرفی RISC-V International و نقش آن در توسعه استانداردها

• نحوه عضویت و نقش شرکت‌ها و دانشگاه‌ها در توسعه RISC-V

• فرآیند استانداردسازی و تأیید نسخه‌های جدید ISA

• مدل صدور مجوز و عدم وابستگی به حق امتیاز (License-Free)

• نقش جامعه متن‌باز در توسعه ابزارها و نرم‌افزارهای مرتبط

فصل 5: مقایسه RISC-V با معماری‌های دیگر

• مقایسه ساختار ISA میان RISC-V، ARM، MIPS و x86

• تفاوت در نحوه رمزگشایی (Decoding) و اجرای دستورالعمل‌ها

• بررسی مزایا و معایب هر معماری در کاربردهای مختلف

• معیارهای ارزیابی کارایی، توان مصرفی و پیاده‌سازی سخت‌افزاری

• جایگاه RISC-V در دنیای سیستم‌های نهفته، سرورها و رایانش ابری

فصل 6: مفهوم Open-ISA و مزایای متن‌باز بودن

• تعریف Open-ISA و تفاوت آن با معماری‌های تجاری

• مزایای متن‌باز بودن برای تولیدکنندگان تراشه

• تأثیر بر هزینه‌های توسعه، تحقیق و طراحی پردازنده

• دسترسی آزاد به مستندات، شبیه‌سازها و ابزارهای توسعه

• ایجاد اکوسیستم جهانی نوآوری در سخت‌افزار

• نقش Open Hardware در آینده صنعت نیمه‌هادی

فصل 7: تأثیر RISC-V بر صنعت و آموزش

• استفاده از RISC-V در دانشگاه‌ها و مراکز پژوهشی

• تأثیر RISC-V در کاهش وابستگی به فناوری‌های خارجی

• رشد شرکت‌های مبتنی بر RISC-V در حوزه‌های IoT، AI و Mobile

• ایجاد فرصت‌های شغلی در طراحی سخت‌افزار و نرم‌افزار سطح پایین

• نمونه‌هایی از محصولات واقعی مبتنی بر RISC-V در بازار

فصل 8: مسیر آینده RISC-V و چالش‌های آن

• بررسی روند رشد جامعه توسعه‌دهندگان RISC-V

• چالش‌های پذیرش صنعتی در برابر معماری‌های سنتی

• نقش دولت‌ها در حمایت از معماری‌های باز

• آینده استانداردهای امنیتی، مجازی‌سازی و GPU در RISC-V

• پیش‌بینی جایگاه RISC-V در دهه آینده در سطح جهانی

بخش 2: معماری و طراحی RISC-V

فصل 1: مروری بر اصول طراحی پردازنده‌های RISC

• فلسفه طراحی پردازنده‌های RISC و تفاوت آن با معماری CISC

• ویژگی‌های کلیدی طراحی RISC (سادگی، سرعت، استفاده از دستورالعمل‌های ثابت طول)

• تأثیر معماری RISC بر کارایی، مصرف انرژی و قابلیت پیاده‌سازی

• بررسی روند تکامل معماری‌های RISC تا ظهور RISC-V

• مزایای ماژولار بودن طراحی RISC-V در مقایسه با ISAهای دیگر

فصل 2: ساختار کلی معماری RISC-V

• معرفی سطح‌های معماری: Unprivileged و Privileged

• ساختار داخلی پردازنده RISC-V و اجزای اصلی (Fetch، Decode، Execute، Memory، Writeback)

• فرمت کلی دستورالعمل‌ها و مفهوم کلمه (Word) در RV32، RV64 و RV128

• مفهوم Pipeline در RISC-V و نقش آن در افزایش کارایی

• نحوه تعامل میان واحد کنترل، واحد حسابی-منطقی و حافظه

فصل 3: مجموعه دستورالعمل‌های پایه (Base ISA)

• بررسی دقیق مجموعه دستورالعمل RV32I و نحوه عملکرد آن

• معرفی انواع دستورالعمل‌ها (R-type، I-type، S-type، B-type، U-type، J-type)

• نقش Immediate در انواع فرمت‌ها

• طبقه‌بندی دستورالعمل‌ها به Arithmetic، Logical، Load/Store، Branch و Jump

• نحوه مدیریت پرچم‌ها و مقادیر بازگشتی

• بررسی نحوه عملکرد دستورالعمل‌های کنترل جریان (JAL، BEQ، BNE و …)

فصل 4: مجموعه‌های توسعه‌یافته (Extensions)

• ساختار ماژولار معماری RISC-V و مفهوم افزونه‌ها (Extensions)

• افزونه M (ضرب و تقسیم سخت‌افزاری)

• افزونه A (دسترسی اتمی و هم‌زمانی در چند‌پردازشی)

• افزونه F و D (محاسبات ممیز شناور تک‌دقت و دقت دوگانه)

• افزونه C (Compressed Instructions برای بهینه‌سازی حافظه)

• افزونه V (دستورالعمل‌های برداری و کاربرد در AI)

• افزونه‌های سفارشی و نحوه ثبت آن‌ها در اکوسیستم RISC-V

فصل 5: حالت‌های اجرای سیستم (Privilege Modes)

• معرفی سطوح دسترسی: Machine Mode، Supervisor Mode، User Mode

• نقش هر حالت در مدیریت منابع و امنیت سیستم

• نحوه جابه‌جایی بین حالت‌ها و مدیریت وقفه‌ها (Interrupts & Exceptions)

• ثبت‌های ویژه برای مدیریت حالت‌ها (Status Registers, Control Registers)

• مفهوم Trap و نحوه انتقال کنترل به Handler

• کاربرد CSRها (Control and Status Registers) در معماری Privileged

فصل 6: مدل حافظه و آدرس‌دهی

• مدل حافظه خطی در RISC-V و انواع آن (Physical و Virtual)

• مفهوم Endianness و پشتیبانی RISC-V از Little Endian

• آدرس‌دهی در معماری‌های 32، 64 و 128 بیتی

• مدل هم‌زمانی حافظه (Memory Consistency Model)

• مدیریت کش و همگام‌سازی داده‌ها در محیط‌های چند‌هسته‌ای

• نقش دستورالعمل‌های FENCE و Memory Barrier

فصل 7: مدیریت وقفه‌ها و استثناها

• انواع وقفه‌ها (Synchronous و Asynchronous)

• مفهوم Exception Handling در سطح ISA

• نحوه مدیریت وقفه‌ها در حالت Machine و Supervisor

• بررسی ساختار PLIC (Platform-Level Interrupt Controller) و CLINT

• رجیسترهای مرتبط با وقفه‌ها: mtvec، mepc، mcause، mip

• سازوکار بازگشت از وقفه (MRET، SRET)

فصل 8: پشتیبانی از مجازی‌سازی و امنیت

• مفهوم مجازی‌سازی در سطح سخت‌افزار و نقش Hypervisor Extension

• قابلیت‌های امنیتی معماری RISC-V

• تفکیک فضای کاربر و هسته برای افزایش امنیت

• معرفی پروژه‌های مرتبط با TrustZone در RISC-V (مانند Keystone)

• آینده مجازی‌سازی و امنیت در معماری‌های باز

فصل 9: تعامل میان ISA و Microarchitecture

• تفاوت میان ISA و پیاده‌سازی سخت‌افزاری (Microarchitecture)

• نحوه ترجمه دستورالعمل‌ها به مسیرهای داده (Datapath)

• مفهوم Superscalar و Out-of-Order Execution در پردازنده‌های پیشرفته RISC-V

• بررسی ساختار Pipeline در نمونه‌های مختلف (پنج مرحله‌ای، نه مرحله‌ای و غیره)

• مدیریت Hazards (Data, Control, Structural) در معماری RISC-V

بخش 3: تنظیمات و ابزارهای توسعه RISC-V

فصل 1: مقدمه‌ای بر ابزارهای توسعه RISC-V

• مفهوم Toolchain و نقش آن در توسعه نرم‌افزارهای سطح پایین

• اجزای اصلی زنجیره ابزار RISC-V (Assembler، Compiler، Linker، Debugger)

• تفاوت میان Cross-Compilation و Native Compilation

• آشنایی با انواع محیط‌های توسعه (CLI، IDE و Embedded Studio)

• مرور کلی ابزارهای رسمی و پروژه‌های متن‌باز پشتیبان RISC-V

فصل 2: نصب و پیکربندی RISC-V GNU Toolchain

• معرفی RISC-V GCC و اجزای آن

• ساخت Toolchain برای اهداف مختلف (Bare-metal و Linux-based)

• تنظیم مسیرها و متغیرهای محیطی (PATH و RISCV_PREFIX)

• بررسی ساختار خروجی فایل‌های اجرایی ELF در RISC-V

• خطاهای متداول در نصب و نحوه رفع آن‌ها

• تفاوت میان نسخه‌های RV32 و RV64 در هنگام ساخت Toolchain

فصل 3: توسعه با LLVM و Clang برای RISC-V

• مروری بر پروژه LLVM و مزایای آن نسبت به GCC

• نصب و پیکربندی LLVM با پشتیبانی از RISC-V

• معرفی ابزارهای مرتبط مانند lld، llc و clang++

• بررسی Backend RISC-V در LLVM و نحوه تولید کد اسمبلی

• استفاده از LLVM برای بهینه‌سازی و تحلیل عملکرد پردازنده

• مقایسه کارایی کدهای کامپایل‌شده با GCC و LLVM

فصل 4: شبیه‌سازی پردازنده‌های RISC-V

• ضرورت شبیه‌سازی در توسعه و تست پردازنده‌ها

• معرفی شبیه‌ساز Spike (شبیه‌ساز رسمی RISC-V)

• قابلیت‌ها و محدودیت‌های Spike در مقابل QEMU

• معرفی شبیه‌سازهای دیگر مانند Renode، Whisper و TinyEMU

• نحوه اجرای برنامه‌های اسمبلی و C در محیط شبیه‌سازی

• بررسی گزارش‌های اجرای برنامه، زمان‌بندی و Trace Logs

• مقایسه دقت و سرعت شبیه‌سازها در کاربردهای آموزشی و صنعتی

فصل 5: محیط‌های توسعه مجتمع (IDE) برای RISC-V

• آشنایی با Eclipse IDE و افزونه‌های RISC-V

• معرفی Freedom Studio و PlatformIO

• پشتیبانی از RISC-V در Visual Studio Code

• نحوه مدیریت پروژه‌ها، ساخت و دیباگ در محیط گرافیکی

• معرفی SDKهای رسمی شرکت‌هایی مانند SiFive و Andes

• روش تنظیم Breakpoint و مشاهده ثبات‌ها (Registers) در محیط IDE

فصل 6: ابزارهای دیباگ و پروفایلینگ

• معرفی GNU Debugger (GDB) برای RISC-V

• نحوه ارتباط GDB با QEMU و OpenOCD

• آشنایی با مفهوم Hardware Breakpoints و Watchpoints

• ابزارهای Trace و Performance Counter در هسته‌های RISC-V

• تحلیل عملکرد و مصرف منابع با ابزارهای Profiler

• بررسی عملکرد Pipeline و Memory Access با ابزارهای تحلیلی

فصل 7: آشنایی با بردهای سخت‌افزاری توسعه RISC-V

• معرفی بردهای آموزشی و صنعتی مانند HiFive1، Unmatched و BeagleV

• بررسی مشخصات فنی (پردازنده، RAM، GPIO، رابط‌های ورودی/خروجی)

• تفاوت میان بردهای FPGA-Based و ASIC-Based

• معرفی بسترهای FPGA مانند DE10-Nano و Arty A7 برای RISC-V

• نحوه فلش کردن Firmware و بوت اولیه روی سخت‌افزار

• معرفی بردهای ارزان‌قیمت برای یادگیری و آموزش دانشگاهی

فصل 8: ساخت پروژه‌های نمونه و تست عملکرد

• ایجاد پروژه ساده «Hello World» در محیط QEMU

• اجرای برنامه‌های C و اسمبلی روی شبیه‌ساز و سخت‌افزار واقعی

• مقایسه زمان اجرا در محیط‌های مختلف

• نحوه تحلیل لاگ‌های عملکردی و بهینه‌سازی ساده

• پیاده‌سازی پروژه آزمایشی چندفایلی (Multi-File Project)

• بررسی ساختار Makefile در پروژه‌های RISC-V

فصل 9: نگهداری و به‌روزرسانی محیط توسعه

• به‌روزرسانی Toolchain و IDEها با نسخه‌های جدید

• بررسی تغییرات نسخه‌های GCC و LLVM برای RISC-V

• اهمیت همخوانی ABI و API در بین نسخه‌ها

• روش رفع ناسازگاری میان شبیه‌ساز و Toolchain

• ایجاد نسخه پشتیبان از محیط توسعه برای کار در تیم‌ها

• مستندسازی پروژه‌ها و ساختار فایل‌ها برای اشتراک‌گذاری

بخش 4: برنامه‌نویسی در RISC-V

فصل 1: مقدمه‌ای بر برنامه‌نویسی در RISC-V

• معرفی زبان اسمبلی و نقش آن در سطح پایین سیستم

• جایگاه برنامه‌نویسی اسمبلی در توسعه نرم‌افزارهای نهفته و سیستم‌عامل‌ها

• تفاوت بین برنامه‌نویسی سطح بالا و سطح پایین در RISC-V

• ساختار کلی یک برنامه اسمبلی در RISC-V

• ابزارها و محیط‌های مورد نیاز برای نوشتن، اسمبل و اجرای برنامه‌ها

فصل 2: ساختار پردازنده و رجیسترها در RISC-V

• آشنایی با مجموعه رجیسترهای RISC-V و کاربرد هرکدام

• تقسیم‌بندی رجیسترها: عمومی، موقتی، ذخیره‌شده و کنترل‌کننده

• رجیسترهای خاص (Program Counter، Stack Pointer، Frame Pointer و غیره)

• نحوه استفاده از رجیسترها در عملیات محاسباتی و منطقی

• استانداردهای نام‌گذاری رجیسترها و قراردادهای ABI

فصل 3: انواع داده و مدل آدرس‌دهی

• مروری بر انواع داده‌ها در معماری 32 و 64 بیتی RISC-V

• مدل آدرس‌دهی حافظه و نحوه ذخیره‌سازی داده‌ها

• مفهوم Endianness در RISC-V

• روش‌های مختلف آدرس‌دهی: Immediate، Register، Base + Offset

• مفهوم Alignment و دسترسی به حافظه

فصل 4: دستورالعمل‌های پایه در RISC-V

• معرفی انواع دستورالعمل‌ها در RISC-V (R-Type، I-Type، S-Type، B-Type، U-Type، J-Type)

• دستورالعمل‌های ریاضی: جمع، تفریق، ضرب و تقسیم

• دستورالعمل‌های منطقی: AND، OR، XOR، NOT

• دستورالعمل‌های مقایسه‌ای و شرطی

• بررسی فرمت باینری دستورالعمل‌ها و نحوه رمزگشایی آن‌ها

فصل 5: کنترل جریان برنامه

• ساختار دستورات پرش (Branch) و نقش آن‌ها در اجرای مشروط

• دستورالعمل‌های شرطی (BEQ، BNE، BLT، BGE و …)

• دستورالعمل‌های پرش غیرشرطی (JAL، JALR)

• نحوه پیاده‌سازی حلقه‌ها (for، while، do-while) در اسمبلی

• فراخوانی توابع و برگشت از آن‌ها (Call/Return)

• نحوه ذخیره و بازیابی داده‌ها در Stack هنگام فراخوانی توابع

فصل 6: مدیریت حافظه و عملیات Load/Store

• مفهوم Load و Store در معماری RISC

• دستورالعمل‌های LW، SW، LH، SH، LB، SB و نقش آن‌ها

• بارگذاری داده از حافظه به رجیستر و برعکس

• تخصیص حافظه برای متغیرها و داده‌ها

• نحوه مدیریت داده‌ها در حافظه استک و Heap

فصل 7: پارامترها و فراخوانی توابع (Function Calling)

• آشنایی با قرارداد فراخوانی (Calling Convention) در RISC-V

• نحوه انتقال پارامترها از طریق رجیسترها و استک

• مدیریت آدرس بازگشت با استفاده از رجیستر ra

• نقش رجیستر sp در مدیریت استک

• نحوه ذخیره‌سازی مقادیر بازگشتی در رجیسترها

فصل 8: کار با داده‌های متنی و آرایه‌ها

• نحوه تعریف رشته‌ها (Strings) و آرایه‌ها در اسمبلی

• پیمایش آرایه‌ها با استفاده از آدرس‌دهی و پرش‌ها

• کار با داده‌های متنی و پردازش کاراکترها

• نحوه محاسبه آدرس مؤلفه‌های آرایه در حافظه

فصل 9: پیاده‌سازی ساختارهای کنترلی سطح بالا

• پیاده‌سازی if-else در اسمبلی RISC-V

• ایجاد حلقه‌های تکرار با دستورات پرش

• طراحی الگوریتم‌های ساده مانند شمارنده، جمع آرایه، و جست‌وجو

• تبدیل الگوریتم‌های سطح بالا (C/Python) به اسمبلی RISC-V

فصل 10: دیباگ و بهینه‌سازی برنامه‌ها

• آشنایی با خطاهای رایج در اسمبلی و روش‌های رفع آن‌ها

• استفاده از ابزارهای ردیابی (trace) و بررسی ثبات‌ها

• تحلیل عملکرد با استفاده از شبیه‌سازها

• تکنیک‌های بهینه‌سازی دستی در اسمبلی

• بررسی کارایی دستورات و کاهش چرخه‌های اجرایی