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課程簡介

RISC-V架構基礎與生態系統概覽

RISC-V ISA現狀與行業應用

  • 開源ISA理念與RISC-V國際標準化現狀
  • RISC-V的思維模型:加載-存儲架構、寄存器文件、字節序
  • 與ARM、x86和POWER的對比:異構計算架構的權衡
  • 生態系統成熟度評估:SiFive、T-Head、Western Digital及不斷壯大的開源硅社區
  • 標準化接口:RISC-V特權ISA、機器軟件抽象層(MSBL)

內存模型與ABI合規性

  • 非特權架構規範:CSR映射、異常處理與內存層次結構
  • RV32I / RV64I指令集與ABI合規性,實現跨平臺二進制可移植性
  • 多處理器系統的內存排序約定與屏障指令

RISC-V彙編編程與編譯器工具鏈

低級指令編程

  • 基礎整數指令(I)、乘法/除法(M)、原子操作(A)擴展
  • 針對32位與64位RISC-V目標的位寬感知編程策略
  • 嵌入式與即時軟件系統的調用約定與棧幀管理

編譯器工具鏈熟練度

  • 基於LLVM的編譯器工具鏈:Clang、LLVM、Binutils,用於RISC-V交叉編譯
  • 鏈接器腳本、段與內存佈局配置,適用於裸機與RTOS環境
  • 編譯器內置函數、優化級別與基於性能分析的代碼調優
  • 開源工具鏈開發工作流:構建、測試與打包自定義GCC/Clang工具鏈

嵌入式系統開發與即時操作系統

裸機與RTOS編程

  • Rust系統編程在RISC-V中的應用:零成本抽象、不安全內存管理與裸機開發
  • 無標準庫環境:自定義鏈接器、設備驅動開發與內存映射I/O
  • Zephyr RTOS與Buildroot BSP開發,適用於RISC-V目標
  • 外設接口:GPIO、I2C、SPI、UART與DMA控制器編程

功耗與性能優化

  • 時鐘門控、電源域管理與低功耗模式優化
  • 使用仿真性能分析器與硬件性能計數器進行週期精確的性能分析
  • 安全關鍵應用中的即時中斷延遲調優

Linux內核與引導程序開發(RISC-V)

引導固件與引導程序生態系統

  • OpenSBI(SBI規範實現):引導程序固件開發
  • UEFI/EDK II在RISC-V上的應用:現代固件引導棧開發
  • Coreboot與U-Boot移植,適用於RISC-V單板計算機

Linux內核集成

  • RISC-V主線內核貢獻:設備樹覆蓋、CPU拓撲與中斷控制器(AIA)驅動開發
  • 供應商BSP開發與內核配置,適用於自定義SoC平臺
  • 文件系統支持、網絡棧與容器化支持(Docker、Kubernetes)在RISC-V主機系統中的應用

RISC-V SoC設計與FPGA原型開發

多核SoC架構與集成

  • RISC-V多核處理器的片上網絡(NoC)設計方法
  • Axi4/CHI緩存一致性與處理器間通信協議
  • 開源IP集成:OpenCores、ChIPS框架與供應商RTL組件
  • 總線矩陣設計與內存控制器集成(DDR、SRAM、eMMC、PCIe)

基於FPGA的處理器原型開發

  • FPGA綜合與RISC-V核心實現(如BOOM、VexRiscv、PULP)
  • SystemVerilog斷言(SVA)與基於UVM的功能驗證方法
  • 形式驗證工具與基於屬性的測試,用於RISC-V核心驗證

RISC-V向量擴展與領域專用加速

RVV(RISC-V向量)擴展深入探討

  • 向量加載/存儲、向量融合乘加(VFMA)與矩陣計算加速
  • 可變長度向量操作(VL、VLEN),實現工作負載優化的SIMD執行
  • 向量掩碼操作、段控制與數據類型靈活性,適用於DSP與ML工作負載

自定義DSP與領域專用指令設計

  • 通過自定義擴展與CBAR操作數接口設計領域專用加速器
  • 編譯器前端修改,生成自定義指令併發射代碼
  • 硬件-軟件分區策略,實現加速器在生產SoC中的集成

AI加速與邊緣機器學習(RISC-V)

RISC-V處理器的NPU設計與集成

  • 神經處理單元架構:脈動陣列、張量核心與權重壓縮,實現片上AI加速
  • 模型量化技術(INT8、INT4、FP8),用於RISC-V邊緣部署
  • 框架兼容性:TensorFlow Lite Micro、ONNX Runtime與PyTorch Edge在RISC-V目標上的應用

AI工作負載的異構計算

  • RISC-V主CPU與AI加速器NPU的協同設計,實現即時推理管道
  • 內存子系統優化:HBM/DDR帶寬管理,處理ML模型權重與激活數據
  • 邊緣AI推理系統的熱與功耗預算

硬件安全與機密計算(RISC-V)

物理內存保護與可信執行

  • 物理內存保護(PMP)與頁表遍歷安全機制
  • RISC-V的安全隔離區/可信執行環境(TEE)架構:OP-TEE集成、SEV級可信執行環境
  • 引導鏈安全:信任根、安全引導與啓動時測量認證

加密加速

  • RISC-V加密擴展(Zk、Zkr、K擴展):SHA、AES、RSA、RSA-PSS與ECC加速
  • 下一代RISC-V處理器的後量子密碼(PQC)集成
  • 側信道攻擊緩解技術:恆定時間編程、掩碼與硬件隨機數生成器

高級自定義架構與ISA擴展設計

領域專用架構與自定義指令擴展

  • ISA擴展設計方法:編碼、編碼表、ABI影響分析與RISC-V國際規範提交流程
  • 自定義寄存器文件設計,使用CBAR(自定義基地址寄存器)進行操作數調度
  • 指令流水線、冒險檢測與流水線修改,支持自定義擴展

自定義架構修改的驗證與籤核

  • 自定義擴展的測試平臺設計:定向與約束隨機激勵生成
  • 迴歸測試框架與覆蓋率驅動驗證,用於架構修改
  • 互操作性測試:確保自定義指令在現有ABI約束下正常運行

安全關鍵與汽車RISC-V應用

功能安全與汽車標準合規性

  • RISC-V汽車處理器的ISO 26262功能安全合規性
  • ASIL-Q分類與RISC-V硅IP的安全手冊開發
  • 確定性中斷處理、鎖步核心對與內存保護,適用於安全關鍵RISC-V系統

工業即時與邊緣計算應用

  • IEC 61508 SIL合規性與RISC-V多核平臺上的確定性調度
  • 基於RISC-V的工業物聯網網關開發:連接性、邊緣分析與OTA固件更新系統

畢業項目:端到端RISC-V系統開發

全生命週期項目

  • 架構規範:針對特定用例的ISA擴展與核心配置設計
  • SystemVerilog中的RTL實現,使用UVM測試平臺與形式驗證覆蓋率
  • FPGA原型開發、引導固件開發與裸機驅動棧集成
  • Linux BSP與工具鏈定製,適用於自定義RISC-V核心
  • AI工作負載部署:NPU集成、模型量化與性能基準測試
  • 安全驗證:PMP強制執行、安全引導與加密加速基準測試
  • 技術架構文檔、IP策略分析與跨職能團隊演示
 21 小時

人數


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