मैं F # में RISC-V प्रोसेसर के औपचारिक विनिर्देश में कैसे आया

सर्दियों की शाम को, जब सूरज आलसी दिनों के घूंघट से गुजरता था, मुझे एक लंबे समय से आयोजित सपने की प्राप्ति से निपटने की ताकत मिली: यह जानने के लिए कि प्रोसेसर कैसे व्यवस्थित होते हैं। इस सपने ने मुझे एक औपचारिक RISC-V प्रोसेसर विनिर्देश लिखने के लिए प्रेरित किया। जीथब प्रोजेक्ट

कैसा था

मुझे बहुत पहले ऐसी इच्छा थी, जब 20 साल पहले मैंने अपनी पहली परियोजनाओं में शामिल होना शुरू किया था। अधिकांश भाग के लिए, ये वैज्ञानिक शोध थे, शब्द कागजात और वैज्ञानिक लेखों की रूपरेखा में गणितीय मॉडलिंग। ये पास्कल और डेल्फी के दिन थे। हालांकि, तब भी, हास्केल और कार्यात्मक प्रोग्रामिंग ने मेरी रुचि को आकर्षित किया। समय बीतता गया, परियोजनाओं और प्रौद्योगिकियों की भाषाएं जिनमें मैं शामिल था, को बदल दिया गया। लेकिन तब से कार्यात्मक प्रोग्रामिंग भाषाओं में रुचि एक सामान्य धागा रहा है, और वे बन गए हैं: हास्केल, इदरिस, एजडा। हाल ही में, हालांकि, मेरी परियोजनाएं रुस्ट में रही हैं। जंग में एक गहरी तल्लीनता ने मुझे एंबेडेड उपकरणों का अध्ययन करने के लिए प्रेरित किया।

जंग से एंबेडेड तक

जंग की क्षमता इतनी व्यापक है, और समुदाय इतना सक्रिय है कि एंबेडेड विकास ने उपकरणों की एक विस्तृत श्रृंखला का समर्थन करना शुरू कर दिया है। और यह प्रोसेसर के निचले स्तर की समझ में मेरा पहला कदम था।

मेरा पहला बोर्ड था: STM32F407VET6 । यह माइक्रोकंट्रोलर्स की दुनिया में एक विसर्जन था, जिसमें से उस समय मैं बहुत दूर था, और मोटे तौर पर पर्याप्त समझा कि निम्न स्तर पर काम कैसे होता है।

धीरे-धीरे, esp32 , ATmega328 बोर्ड ( Ukraino UNO बोर्ड द्वारा प्रस्तुत ) को यहां जोड़ा गया। Stm32 में विसर्जन काफी दर्दनाक निकला - जानकारी भरपूर है और अक्सर वह नहीं जिसकी मुझे आवश्यकता है। और यह पता चला कि विकासशील, उदाहरण के लिए, असेम्बलर एक नियमित दिनचर्या और कृतघ्न कार्य है, जिसमें 1000 से अधिक निर्देशों का उपसमूह है। हालांकि, रस्ट ने इस खुशी के साथ सामना किया, हालांकि कई बार विशिष्ट चीनी बोर्डों के लिए एकीकरण के साथ कठिनाइयां थीं।

AVR आर्किटेक्चर काफ़ी सरल और अधिक पारदर्शी है। प्रचुर मात्रा में नियमावली ने मुझे इस बात की पर्याप्त समझ दी कि इस तरह के सीमित निर्देशों के साथ कैसे काम करना है, और फिर भी बहुत दिलचस्प समाधान बनाने में सक्षम हैं। फिर भी, Arduino पथ ने मुझे बिल्कुल भी खुश नहीं किया, लेकिन Asm / C / Rust में लिखना अधिक दिलचस्प निकला।

आरआईएससी-वी कहां है?

और उस क्षण एक तार्किक सवाल उठता है - आरआईएससी-वी सीपीयू कहां है?
यह AVR और इसके पर्याप्त प्रलेखन की न्यूनतम प्रकृति है जिसने मुझे यह पता लगाने के लिए मेरे पिछले सपने को वापस लाया कि प्रोसेसर कैसे काम करता है। इस समय तक, मेरे पास एक FPGA बोर्ड था और वीजीए उपकरणों, ग्राफिक्स आउटपुट, बाह्य उपकरणों के साथ बातचीत के रूप में इसके लिए पहला कार्यान्वयन था।

पुस्तकें प्रोसेसर आर्किटेक्चर के लिए मेरे मार्गदर्शक थे:

• जॉन एल। हेनेसी और डेविड ए। पैटरसन - कंप्यूटर वास्तुकला: एक मात्रात्मक दृष्टिकोण (कंप्यूटर वास्तुकला और डिजाइन में मॉर्गन कॉफ़मैन श्रृंखला)
• जॉन एल। हेनेसी और डेविड ए। पैटरसन - कंप्यूटर संगठन और डिज़ाइन। हार्डवेयर / सॉफ्टवेयर इंटरफ़ेस: RISC-V संस्करण
• डेविड एम। हैरिस और सारा एल। हैरिस - डिजिटल सर्किटरी और कंप्यूटर वास्तुकला
• RISC-V इंस्ट्रक्शन सेट मैनुअल

क्यों जरूरी है?

ऐसा लगता है - सब कुछ पहले से ही लंबे समय से लिखा और कार्यान्वित किया गया है।

• आरआईएससी-वी कोर और एसओसी अवलोकन
• आरआईएससी-वी औपचारिक सत्यापन

एचडीएल, और प्रोग्रामिंग भाषाओं में विभिन्न कार्यान्वयन। वैसे, Rust पर RISC-V का काफी दिलचस्प कार्यान्वयन है ।

हालाँकि, इससे ज्यादा दिलचस्प क्या हो सकता है कि आप इसे खुद समझ कर अपना खुद का निर्माण करें। आपकी बाइक ? या बाइक निर्माण में योगदान? व्यक्तिगत गहरी रुचि के अलावा, मेरे पास एक विचार था - ब्याज के लिए लोकप्रिय बनाने की कोशिश कैसे करें। और अपना रूप, अपना दृष्टिकोण खोजें। और इसका मतलब है कि आधिकारिक विनिर्देश के रूप में एक अलग रूप में उबाऊ आरआईएससी-वी आईएस दस्तावेज पेश करना। और यह मुझे लगता है कि इस अर्थ में औपचारिकता का मार्ग काफी दिलचस्प है।

मुझे औपचारिकता से क्या मतलब है? एक काफी व्यापक अवधारणा। एक औपचारिक रूप में निर्धारित विशिष्ट डेटा का प्रतिनिधित्व। इस मामले में, संरचनाओं के विवरण और कार्यात्मक विवरण के माध्यम से। और इस अर्थ में, कार्यात्मक प्रोग्रामिंग भाषाओं का अपना आकर्षण है। इसके अलावा, कार्य यह है कि जो व्यक्ति प्रोग्रामिंग में बहुत अधिक डूबा नहीं है, वह कोड को एक विनिर्देश के रूप में पढ़ सकता है, यदि संभव हो तो उस भाषा की बारीकियों को न्यूनतम रूप से समझना जिसमें यह वर्णित है।
एक घोषणात्मक दृष्टिकोण, इसलिए बोलने के लिए। एक बयान है, लेकिन यह कैसे काम करता है यह अब जरूरी नहीं है। मुख्य बात पठनीयता, दृश्यता और निश्चित रूप से शुद्धता है। उनमें निहित अर्थ के लिए औपचारिक बयानों का पत्राचार।

कुल - मैं वास्तव में दूसरों के लिए अपनी रुचि पर उत्सुक हूं। एक निश्चित भ्रम है कि ब्याज कार्यों के लिए ड्राइविंग बल है। जिससे वैयक्तिकता बनती है और प्रकट होती है। और यह आत्म-साक्षात्कार का हिस्सा है, रचनात्मकता का अवतार।
महत्वाकांक्षी और थोड़ा सा गीत। आगे क्या?

मौजूदा कार्यान्वयन

वे मौजूद हैं और वर्तमान में परियोजना द्वारा एकत्रित किए जा रहे हैं: RISC-V औपचारिक सत्यापन ।
औपचारिक विवरणों की सूची (मेरे काम सहित): https://github.com/SymbioticEDA/riscv-formal/blob/master/docs/references.md

जैसा कि आप देख सकते हैं - अधिकांश भाग के लिए ये हास्केल भाषा में औपचारिकताएं हैं। यह एक अलग कार्यात्मक भाषा चुनने का शुरुआती बिंदु था। और मेरी पसंद F # पर गिर गई।

क्यों F#

ऐसा हुआ कि मैं लंबे समय से एफ # के बारे में जानता हूं, लेकिन किसी तरह रोजमर्रा की जिंदगी की हलचल में मुझे एक-दूसरे को बेहतर तरीके से जानने का मौका नहीं मिला। एक अन्य कारक .NET प्लेटफ़ॉर्म था। इस बात को ध्यान में रखते हुए कि मैं लिनक्स के अंतर्गत हूं, लंबे समय से मैं आईडीई से खुश नहीं था, और mono पर्याप्त कच्चा लग रहा था। और एमएस विज़ुअल स्टूडियो की खातिर विंडोज पर वापस लौटना एक संदिग्ध विचार है।

हालांकि, समय अभी भी खड़ा नहीं है, और आकाश में सितारों को बदलने की कोई जल्दी नहीं है। लेकिन इस समय तक, Jetbrains राइडर एक पूर्ण और सुविधाजनक उपकरण के रूप में विकसित हो गया था , और लिनक्स के लिए .NET Core पर एक नज़र में दर्द नहीं लाता है।

सवाल था - कौन सी कार्यात्मक भाषा चुननी है। तथ्य यह है कि यह सिर्फ एक कार्यात्मक भाषा होनी चाहिए - कुछ हद तक दयनीय रूप में, मैंने ऊपर तर्क दिया।
Haskell, Idris, Agda ? F# - मैं उससे परिचित नहीं हूँ। कार्यात्मक भाषाओं की दुनिया के नए रंग सीखने के लिए एक महान अवसर।

हां, F# विशुद्ध रूप से कार्यात्मक नहीं है। लेकिन क्या " पवित्रता " का पालन करने से रोकता है? और फिर यह पता चला - कि एफ # प्रलेखन काफी विस्तृत और पूर्ण है। पठनीय, और मैं भी दिलचस्प कहूंगा।

अब मेरे लिए F# क्या है? काफी सुविधाजनक IDE (राइडर, विजुअल स्टूडियो) के साथ एक काफी लचीली भाषा। पूरी तरह से विकसित प्रकार (हालांकि बेशक Idris बहुत दूर है)। और पठनीयता के मामले में कुल मिलाकर बहुत मीठा । हालांकि, जैसा कि यह निकला, इसकी कार्यात्मक " स्वच्छता नहीं " - कोड को पठनीयता और तर्क दोनों के संदर्भ में पूरी तरह से पागल रूप में ले जा सकता है। नुगेट में पैकेट के विश्लेषण से यह प्रदर्शित होता है।

मेरे लिए एक और दिलचस्प और रहस्यमय विशेषता यह खोज थी कि कोई भी RISC-V ISA औपचारिकता को F # में लिखने से पहले (आधिकारिक तौर पर या खोज योग्य रूप में) लिखने में दिलचस्पी नहीं रखता था। और इसका मतलब है कि मेरे पास इस समुदाय, भाषा और " पारिस्थितिकी तंत्र " में एक नई धारा लाने का मौका है।

मुझे जिन नुकसान का सामना करना पड़ा

सबसे कठिन हिस्सा निष्पादन प्रवाह का कार्यान्वयन था। यह अक्सर पता चला कि यह पूरी तरह से स्पष्ट नहीं था कि निर्देश कैसे काम करना चाहिए। दुर्भाग्य से, मैं एक विश्वसनीय कॉमरेड से पूछ नहीं सकता था जो सुबह 3 बजे चिंतित, आकांक्षी आवाज के साथ कह सकता था: "आप जानते हैं, BLTU निर्देश शायद साइनटेन्ड में अलग है ..." इस अर्थ में, योग्य कॉमरेड्स जो एक तरह के शब्द और उचित योग्य सलाह के साथ मदद करेंगे, बहुत स्वागत है।

क्या कठिनाइयाँ और नुकसान थे। मैं थीसिस की कोशिश करूँगा:

• ईएलएफ - एक जिज्ञासु कार्य यह पता लगाना था कि इसके साथ कैसे काम करना है, अनुभागों, निर्देशों को पढ़ें। सबसे अधिक संभावना है कि वर्तमान परियोजना के ढांचे के भीतर यह कहानी समाप्त नहीं हुई है।
• अहस्ताक्षरित निर्देशों ने समय-समय पर उन त्रुटियों को जन्म दिया, जिनका मैंने इकाई परीक्षण के दौरान पता लगाया
• सुंदर और पठनीय बाइट रचना एल्गोरिदम के बारे में सोचने के लिए आवश्यक स्मृति के साथ काम करने का कार्यान्वयन।
• int32, int64 तहत बिट्स के साथ काम करने के लिए कोई उपयुक्त पैकेज नहीं था। मेरे पैकेज को लिखने और उसका परीक्षण करने में समय लगा।
  यहाँ मैं यह नोट करना चाहता हूँ कि F # में बिट्स के साथ काम करना अपने डेटा के साथ हास्केल की तुलना में कहीं अधिक सुविधाजनक है। बिट्स
• रजिस्टर बिट्स के लिए उचित समर्थन, एक ही समय में x32 और x64 का समर्थन करने की क्षमता के साथ। मुझे कुछ जगहों पर int64 का उपयोग करने के लिए अंदर ले जाने की int64 मिली। यूनिट परीक्षणों ने मुझे इसे पहचानने में मदद की। लेकिन इसमें थोड़ा समय लगा।
• मुझे व्यक्तिगत रूप से मेरे लिए एक सरल, संक्षिप्त, व्यक्तिगत रूप से सुविधाजनक CLI F # पैकेज नहीं मिला। एक पक्ष प्रभाव एक कार्यात्मक शैली में एक न्यूनतर संस्करण लिख रहा था।
• फिलहाल, यह एक रहस्य बना हुआ है कि सिस्टम निर्देशों को सही तरीके से कैसे लागू किया जाए: FENCE, ECALL, BREAK
• सूची से एक्सटेंशन (ISA एक्सटेंशन) के पूरे सेट से: [A, M, C, F, D] वर्तमान में स्पष्ट हैं। विशेष रूप से, [F,D] कार्यान्वयन soft float माध्यम से नहीं है।
• फिलहाल, प्रिविलेज्ड इंस्ट्रक्शंस, यूजर मॉड के साथ काम करने की कोई स्पष्ट समझ नहीं है। और यह शोध, परीक्षण और त्रुटि का तरीका है।
• RISC-V के तहत असेंबलर प्रोग्राम लिखने के लिए कोई ब्लैक बेल्ट नहीं है । शायद अब तक अक्सर यह एक आवश्यकता होगी, यह देखते हुए कि आरआईएससी-वी के तहत लिखने के लिए कितनी भाषाओं को पहले ही पोर्ट किया जा चुका है।
• समय का कारक भी महत्वपूर्ण था - यह बुनियादी काम, रोजमर्रा की जरूरतों और जीवन के सागर के चारों ओर बहुत कम है। और बहुत काम है, और इसमें से अधिकांश " कोडिंग " में इतना नहीं है - कोड स्वयं लिख रहा है, लेकिन सीखने में, सामग्री में महारत हासिल करना।

यह कैसे काम करता है और क्या सुविधाएँ है

अब शायद सबसे तकनीकी हिस्सा है। इस समय क्या विशेषताएं हैं:

• rv32i निर्देश सेट rv32i
• कार्यक्रम को आरआईएससी-वी सिम्युलेटर के रूप में चलाने की क्षमता - ईएलएफ फ़ाइलों का निष्पादन।
• कमांड लाइन समर्थन (सीएलआई) - निष्पादन योग्य वास्तुकला का चयन, निर्देशों का सेट, निष्पादन योग्य ईएलएफ फाइलें, लॉगिंग मोड, कमांड लाइन मदद।
• निष्पादन योग्य निर्देशों के लॉग को प्रदर्शित करने की क्षमता, objdump होने पर objdump दृश्य के करीब।
• निर्देशों के पूरे लागू सेट को कवर करने वाले परीक्षण चलाने की क्षमता।

कार्यक्रम को ऐसे चरणों और चक्रों में विभाजित किया गया है:

• कमांड लाइन पढ़ें
• ELF फ़ाइल से निर्देश पढ़ना
• वर्तमान पीसी (प्रोग्राम काउंटर) काउंटर के अनुसार एक विशिष्ट निर्देश पढ़ना
• डिकोडिंग निर्देश
• निर्देश निष्पादन
• अप्रत्याशित परिस्थितियों की स्थिति में, जाल स्थापित किए जाते हैं, जिससे आप निष्पादन प्रक्रिया को पूरा कर सकते हैं, समस्या का संकेत दे सकते हैं, और आवश्यक डेटा प्राप्त कर सकते हैं।
• यदि प्रोग्राम अनंत लूप में नहीं है - रजिस्टरों की स्थिति प्रदर्शित करें और सिमुलेशन प्रोग्राम को समाप्त करें

योजनाओं में क्या शामिल है:

• मानक आधार 64i (लगभग पूर्ण)
• मानक विस्तार M (पूर्णांक गुणा / भाग)
• मानक विस्तार ए (परमाणु मेमोरी ऑप्स)
• मानक विस्तार C (संपीडित 16-बिट निर्देश)
• मानक विस्तार एफ (एकल-सटीक फ्लोटिंग पॉइंट)
• मानक विस्तार डी (डबल-सटीक फ़्लोटिंग पॉइंट * प्रिविलेज लेवल एम (मशीन)
• विशेषाधिकार स्तर U (उपयोगकर्ता)
• विशेषाधिकार स्तर S (पर्यवेक्षक)
• वर्चुअल मेमोरी योजनाओं SV32, SV39 और SV48
• मेजबान कार्यक्रम
• GPIO - परिधीय के साथ काम करते हैं

कैसे चलाना है?

प्रोग्राम को चलाने के लिए, आपके पास .NET Core होना चाहिए। यदि आपने इसे स्थापित नहीं किया है, तो, उदाहरण के लिए, Ubuntu 16.04 तहत Ubuntu 16.04 आपको निम्नलिखित कमांड चलाने की आवश्यकता है:

 $ wget -q https://packages.microsoft.com/config/ubuntu/16.04/packages-microsoft-prod.deb -O packages-microsoft-prod.deb $ sudo dpkg -i packages-microsoft-prod.deb $ sudo apt-get update $ sudo apt-get install apt-transport-https $ sudo apt-get update $ sudo apt-get install dotnet-sdk-3.0 

यह सत्यापित करने के लिए कि जीवन में कुछ बदल गया है, दौड़ें:

 $ dotnet --version 

और जीवन को नए रंगों से जगमगाना चाहिए!

अब दौड़ने की कोशिश करो। ऐसा करने के लिए, अपनी पसंदीदा चाय या कॉफी का स्टॉक करें, बन्स के साथ चॉकलेट, अपने पसंदीदा संगीत को चालू करें और आदेशों के इस सेट का पालन करें:

 $ cd some/my/dev/dir $ git clone https://github.com/mrLSD/riscv-fs $ cd riscv-fs $ dotnet build $ dotnet run -- --help 

और आपके कंसोल को एक मदद संदेश के साथ आपको ध्यान से देखना चाहिए।
प्रक्षेपण है:

 $ dotnet run 

सख्त लहजे में वह कहेगा कि मापदंडों की जरूरत है। इसलिए, भागो:

 $ dotnet run -- -A rv32i -v myapp.elf 

यह वही अजीब क्षण है जब यह पता चलता है कि हमें अभी भी आरआईएससी-वी के लिए निष्पादन कार्यक्रम के लिए तैयार तैयार की जरूरत है। और मेरे लिए आपकी मदद करने के लिए कुछ है। हालांकि, आपको आरआईएससी-वी के लिए जीएनयू टूलचैन की आवश्यकता होगी। इसे होमवर्क स्थापित करने दें - रिपॉजिटरी का वर्णन पर्याप्त विवरण में वर्णन करता है कि यह कैसे करना है।

अगला, प्रतिष्ठित परीक्षण ELF फ़ाइल प्राप्त करने के लिए, हम निम्नलिखित क्रियाएं करते हैं:

 $ cd Tests/asm/ $ make build32 

यदि आपके पास आरआईएससी-वी टूलचैन है तो सब कुछ सुचारू रूप से चलना चाहिए। और फ़ाइलों को निर्देशिका में दिखाया जाना चाहिए:

 $ ls Tests/asm/build/ add32 alu32 alui32 br32 j32 mem32 sys32 ui32 

और अब साहसपूर्वक, बिना पीछे देखे, हम कमांड का प्रयास करते हैं:

 $ dotnet run -- -A rv32i -v Tests/asm/build/ui32 

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि Tests/asm एक परीक्षण कार्यक्रम नहीं है, लेकिन उनका मुख्य उद्देश्य परीक्षण निर्देश और परीक्षण लिखने के लिए उनके कोड हैं। इसलिए, यदि आपको कुछ बड़ा और अधिक वीर पसंद है, तो अपनी इच्छाशक्ति में दुनिया को बदलना एक स्वतंत्र रूप से निष्पादन योग्य 32-बिट ईएलएफ फ़ाइल rv32i जो केवल rv32i निर्देशों का समर्थन करता है।

हालांकि, निर्देशों और एक्सटेंशन के सेट को फिर से भरना होगा, गति प्राप्त करना और वजन हासिल करना होगा।

सारांश और लिंक

यह व्यक्तिगत इतिहास से सुगंधित एक दयनीय कथन निकला। कभी तकनीकी, कभी व्यक्तिपरक। हालांकि उत्साही और उत्साह के एक स्पर्श के साथ।

मेरे हिस्से के लिए, मुझे आपसे सुनने में दिलचस्पी है: समीक्षा, छापें, अच्छे विभाजन शब्द। और सबसे साहसी के लिए - परियोजना का समर्थन करने में मदद करें।

क्या आप ऐसे कथा प्रारूप में रुचि रखते हैं और क्या आप इसे जारी रखना चाहेंगे?

• परियोजना ही
• RISC-V औपचारिक विनिर्देशों की सूची (मेरी परियोजना सहित)
• आरआईएससी-वी विनिर्देशों
• आरआईएससी-वी टूलचैन
• बहुत बढ़िया F # (मेरी परियोजना भी शामिल है)
• एरियन - वेरिलॉग पर आधारित एक 6-स्टेज RISC-V CPU