Где учиться разработке микропроцессоров: подборка бесплатных курсов ведущих вузов

Информация о каждом курсе сопровождается подробными комментариями автора. Из них вы узнаете, какие знания понадобятся на старте обучения, чему именно можно научиться в ходе ознакомления с лекциями и выполнения практических задач, а также на какие результаты стоит рассчитывать после успешного прохождения программы. Материал структурирован по принципу возрастания сложности курсов.

• «Азбука» будущего дизайнера чипов
• Курсы на русском языке
• Курсы на английском языке
• Дополнительные полезные ссылки

У разных специальностей есть своя настольная книга, про которую говорят, что ее стоит прочитать перед входом в профессию. С моей точки зрения, в мире разработки современных микросхем это «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера» профессоров Харрис и Харрис. Это фундаментальный учебник для младших курсов, над переводом которого на русский язык работали больше полусотни человек из передовых вузов и компаний.

Основное издание посвящено архитектуре MIPS. К нему вышло два дополнения:

• по архитектуре ARM,
• по архитектуре RISC-V.

Учебник Харрисов является введением в разработку современных микросхем. Его главы охватывают все, что находится между физикой и высокоуровневым программированием:

• принципы, необходимые для понимания и проектирования электронных систем,
• проектирование комбинационной и последовательной логики,
• языки описания аппаратуры SystemVerilog и VHDL,
• цифровые функциональные узлы,
• архитектуры и микроархитектуры,
• иерархию памяти и подсистему ввода-вывода,
• реализацию цифровых схем.

Следуя учебнику, можно построить реализацию подмножества архитектуры MIPS, используя доступные в магазинах отладочные платы на базе ПЛИС. А после сравнить получившуюся реализацию с индустриальным микроконтроллером Microchip PIC32. Даже если не делать практику, то книга Харрисов — это важная ступень, которую нужно преодолеть, чтобы делать дальнейшие шаги к профессии из мира разработчики микрочипов.

Я рекомендую начинать обучение с русскоязычных курсов. Так гораздо легче разбираться с непривычной терминологией, базовыми понятиями из мира «железа» и системного программирования. Плюс, если материалы опираются на англоязычные источники, преподаватели уже сделали качественный перевод с актуальными дополнениями.

Московский институт электронной техники выложил в открытый доступ все материалы своего курса «Архитектуры процессорных систем». По этим лекциям и лабораторным работам учатся студенты МИЭТ сразу семи направлений подготовки — от конструирования и технологии электронных средств до радиотехники. Дисциплина «Архитектуры процессорных систем» — важное связующее звено между теоретическими знаниями о процессорных системах с их применением в реальном мире. Никаких специальных знаний для обучения не потребуется.

Преподаватели регулярно обновляют материалы курса, так чтобы он лучше отвечал запросам индустрии. Например, особое внимание уделено открытой процессорной архитектуре RISC-V.

Курс МИЭТ включает записанные лекции разных лет с иллюстрированными конспектами, а также лабораторные работы с подробными методичками. Практическая часть выполняется в САПР для создания цифровых устройств Vivado, поэтому преподаватели подготовили базовые инструкции по работе с ней. Кроме этого вы найдете списки дополнительной литературы и полезных начинающему инженеру материалов.

Лекции начинаются с введения и главных концепций аппаратной разработки, дальше идут основы цифровой схемотехники, блоки по архитектурам и микроархитекрурам, процессорным системам и их современным архитектурам.

Примеры того, что вы узнаете из лекций:

• чем архитектура отличается от микроархитектуры и почему это важно для будущего разработчику микропроцессорных систем,
• что такое последовательная логика и конечные автоматы,
• какие виды процессорных архитектур существуют и как их классифицируют,
• как устроена архитектура RISC-V и как в ней происходят ветвление, вызов процедур, передача параметров,
• как работают однотактные, многотактные и конвейерные процессоры на базе RISC-V,
• какие существуют методы повышения производительности процессора,
• что такое иерархия памяти и когерентность кэша,
• что такое микроконтроллеры и как к ним подключаются периферийные устройства.

Все знания можно сразу применить на практике, сделав лабораторные работы. Всего в курсе их 15. В ходе лабораторных вы создадите 32-битный сумматор, напишете блок арифметико-логического устройства на языке SystemVerilog, разработаете блок загрузки и сохранения для подключения к внешней памяти данных и многое другое.

Изучив курс МИЭТ, вы пройдете полный путь разработки заказного процессорного IP-ядра. Научитесь проектировать вычислительные блоки и конвейеры процессора, разберетесь с логикой выборки и декодирования инструкций, получите навыки работы с памятью и периферией. Ваш итоговый процессор будет соответствовать базовому набору RV32I и программироваться на языке C.

Не требуется. Все материалы доступны в репозитории на GitHub, а записи лекций — на YouTube.

• репозиторий курса на GitHub,
• видеозаписи лекций на YouTube.

Лекторий Физтех-школы прикладной математики и информатики выложил записи курса «Архитектура компьютера и операционные системы». Он посвящен аппаратной части компьютера, операционным системам и основам системного программирования. Курс во многом ориентирован на Linux-системы и дает навыки работы именно в них.

Материалы курса включают записи лекций и практических семинаров. В репозитории на GitHub выложены презентации, а также подробные конспекты к семинарам, которые обновляются ежегодно. Больше всего практических занятий выполняют студенты программы «Прикладная математика и информатика», их вы найдете в разделе «Направление ПМИ в бакалавриате ФПМИ».

Лекции начинаются с азов: представления вещественных и целых чисел в вычислительных машинах, а также разных частей компьютера и способов их взаимодействия. Дальше идет разбор работы процессора, способов ускорения выполнения кода и другие основы работы с «железом». Завершает курс разбор модуля отбора пакетов Berkeley Packet Filter.

Примеры того, что вы узнаете из лекций:

• из каких компонентов состоит операционная система, как она запускается и при чем здесь демоны,
• что на самом деле умеет делать процессор и как устроено межпроцессорное взаимодействие,
• как кодируются команды процессора и на какие классы они делятся,
• какова роль файловых систем и какими они бывают,
• как устроена работа с оперативной памятью и что такое OOM killer,
• какие атрибуты есть у каждого процесса в операционных системах и как устроен алгоритм планирования заданий,
• как в операционных системах реализована многопоточность и что такое стек потока,
• что происходит при передаче данных в компьютерных сетях и как этим можно управлять.

Применить полученные знания на практике помогут семинары. Основной язык программирования в заданиях — С, дополнительный — Assembler. Без базовых навыков работы с ними может быть непросто, но письменные материалы дают поддержку в виде синтаксиса, примеров простых программ, а также пояснений ко всем используемым инструментам.

Примеры того, что входит в практический блок:

• введение в Linux и инструменты разработки на C,
• использование системных вызовов,
• запуск процессов и завершение их работы,
• обработка событий в Linux,
• использование сокетов в роли клиента,
• работа с каталогами в UNIX-системах.

Прослушав лекции и выполнив задания семинаров, вы научитесь создавать разные виды процессов и обеспечивать их совместную работу. Сможете разрабатывать программы, способные заменить стандартные утилиты POSIX, и овладеете навыками компиляции и отладки программ в Unix-подобных системах. А также получите начальный опыт тестирования сложных многопоточных программ.

Не требуется. Все лекции и семинары опубликованы на YouTube, а материалы к семинарам — GitHub.

• репозиторий курса на GitHub,
• видеозаписи лекций осени 2020,
• видеозаписи семинаров осени 2020,
• видеозаписи лекций весны 2021,
• видеозаписи семинаров весны 2021,
• дополнительные записи семинаров осени 2021.

В открытый доступ выложены презентации курса за разные годы и 15 лекций за 2018/2019 учебный год. Структура лекций немного отличается от презентаций последующих лет, но охватывает те же темы. К сожалению, лекции последующих лет, размещенные на сайте и в GitHub-репозиториях, уже недоступны.

Примеры того, что вы узнаете из презентаций и лекций:

• какие слои абстракций лежат между физическим уровнем и высокоуровневым приложением,
• что означает аббревиатура MOSFET и как работают транзисторы,
• какие ключевые вещи декларируются в наборах инструкций,
• какая концепция лежит в основе архитектуры MIPS и почему именно на ней часто проводят обучение,
• что такое конвейеризация и как она связана с производительностью микропроцессора,
• что такое предсказание переходов (branch prediction) и что из себя представляет динамическое предсказание переходов,
• как кэши реализуются в «железе» и как можно оптимизировать программы с учетом устройства кэшей в процессоре,
• как операционная система взаимодействует с процессором через виртуальную память,
• почему в какой-то момент процессоры стали многоядерными и какие технические преимущества это принесло.

Вы получите базовые теоретические знания по микроархитектуре процессоров, которые позволят перейти к любому практически направленному курсу. А еще материалы МФТИ облегчат изучение курсов иностранных университетов, поскольку вы будете видеть название всех терминов на английском с их объяснением на русском в ходе лекций.

Не требуется. Лекции опубликованы на YouTube, а презентации можно скачать с сайта курса или GitHub.

• сайт курса,
• видеозаписи лекций на YouTube за 2018/2019 год,
• репозиторий на GitHub с презентациями за разные годы.

Московский государственный университет открыл материалы курса «Архитектура и язык ассемблера RISC-V. Курс прослеживает связь между этой организацией процессора и общими принципами построения вычислительных систем, а также предполагает практическую работу в симуляторе RARS.

К лекциям МГУ лучше переходить после того, как вы познакомитесь с базовыми концепциями компьютерных архитектур и схемотехники, потому что в материалах нет детального разбора азов: таких понятий, как система команд, адрес, память или регистр.

Материалы включают 12 видеозаписей лекций и текстовые конспекты к ним, а также запись практического задания по программированию на языке ассемблера RISC-V в RARS.

Примеры того, что вы узнаете из лекций:

• как организована система команд в RISC-V и как подбирать нужные команды,
• что такое конвенции и зачем инженеру о них знать,
• какими способами можно реализовать повторное использование исходного кода,
• в каком месте памяти в RISC-V находится стек и сколько байт можно в него добавлять,
• зачем нужны математические сопроцессоры и какие расширения для поддержки арифметики с плавающей точкой есть в RISC-V,
• какой механизм используется для обработки исключений и прерываний,
• как устроен микропрограммный цикл RISC-V.

Вы получите базовые знания, необходимые для работы с RISC-V, и научитесь создавать программы среднего объема на языке ассемблера.

На курс не нужно регистрироваться, записи лекций доступны на YouTube, а текстовые материалы — на сайте курса.

• cайт курса с материалами за 2022 год,
• видеозаписи лекций на YouTube,
• сайт курса, на котором появятся записи лекций за 2024 год.

Навыки по разработке процессоров, которые вы приобретете на курсах, можно отработать в симуляторе Ripes. Это инструмент с открытым исходным кодом для моделирования поведения процессора и иерархии его памяти для RISC-V.

В Ripes можно создавать различные конфигурации процессора: делать его однотактным, конвейерным, пробовать разные архитектуры памяти и замещения внутри кэша, а также смотреть, как все это влияет на исполняемую программу. Исполнять код можно как на С, так и на языке ассемблера. Это позволяет наглядно понять, какие блоки есть в процессоре и как программа живет и исполняется внутри него.

В симуляторе есть удобная пошаговая отладка, с помощью которой можно посмотреть на шаг вперед или вернуться на шаг назад. Это один из лучших учебных open source-инструментов для исследования работы процессорного ядра.

Фундаментом современных курсов по разработке процессоров и компьютерным архитектурам служат материалы ведущих технических университетов Америки и Англии. Например, лекции профессора Паттерсона известны буквально каждому преподавателю и студенту в области компьютерной инженерии. MIT, Berkeley, Цюрихский университет были и во многом остаются драйверами индустрии, поэтому статья была бы неполной без их курсов.

У каждого учебного заведения в открытый доступ выложены разные материалы: где-то это полный курс от видеозаписей лекций до задач на экзамен, где-то — только презентации и лабораторные работы.

Это один из лучших курсов, которые есть в современных университетах для тех, кому интересна аппаратная разработка. Он знакомит студентов с принципами цифрового проектирования, компьютерной архитектуры и языками описания аппаратуры. Основное внимание уделяется фундаментальным методам, которые используются при проектировании микропроцессоров и их аппаратно-программного интерфейса.

Цюрихский университет выложил в открытый доступ абсолютно все материалы курса за разные годы. Это не только презентации и видеозаписи лекций с таймкодами, но еще и лабораторные работы, дополнительные упражнения и даже экзаменационные задания со всеми решениями.

Примеры того, что вы узнаете из лекций:

• как найти компромисс между производительностью и сложностью в аппаратной реализации,
• как реализовать комбинационную и последовательную логику на языке Verilog,
• какую роль играют FPGA-платы в разработке современных компьютерных систем,
• что такое ISA и какие форматы инструкций существуют,
• каковы фундаментальные различия между регистрами и памятью,
• как устроена архитектура VLIW, в чем ее преимущества и недостатки,
• что такое SIMD и как эта аббревиатура связана с графическими процессорами,
• как можно повысить производительность кэша.

Программа курса включает девять лабораторных, которые учат работе с FPGA-платами, языком Verilog и языками ассемблеров. Выполнять практику предлагают на плате Basys 3 и в САПР Vivado.

Вот несколько примеров задач, которые вы встретите:

• разработать простые комбинаторные схемы,
• запустить самостоятельно написанный 4-разрядный сумматор на FPGA-плате Basys 3,
• разработать декодер, который получает 4-битный входной сигнал и возвращает 7-битный выходной сигнал,
• реализовать конечный автомат для управления задними фонарями Ford Thunderbird 1965 года выпуска на языке Verilog,
• реализовать АЛУ на языке Verilog, оценить скорость его работы и утилизацию ресурсов,
• написать код на ассемблере MIPS и выполнить его в симуляторе MARS.

Вы поймете, как можно реализовать простой микропроцессор и сможете осознанно принимать решения по дизайну и оптимизации. А еще разберетесь, как аппаратная часть компьютера влияет на высокоуровневое программное обеспечение.

Не требуется. Видео лекций выложены на YouTube, презентации, задания лабораторных работ и материалы экзаменов можно скачать с сайта.

• сайт курса с материалами с 2015 по 2022 годы,
• плейлист на YouTube с лекциями 2022 года.

Курс знакомит с компьютерной архитектурой и аппаратной разработкой, компиляторами и операционными системами. От студентов ожидают наличие хотя бы небольшого опыта программирования. Предыдущий опыт работы с языками разработки аппаратуры, например, Verilog может быть полезен, но не обязателен.

Важная часть курса — серия лабораторных работ с использованием реальных микропроцессорных дизайнов, реализованных на языке Chisel. А задачи на симуляцию позволят вам детально изучить разные архитектурные технологии микропроцессоров.

В открытом доступе опубликованы видеозаписи и презентации лекций за 2023 год, задания и видео дискуссионных секций, лабораторные работы, домашние задания и материалы для дополнительного чтения. На одной из страниц вы найдете экзаменационные задачи с 2018 по 2023 годы и их решения. Также на отдельном сайте есть раздаточные материалы за 2021 год: презентации к лекциям, задания проверочных работ, а также материалы для дополнительного чтения.

Примеры того, что вы узнаете из лекций:

• каковы фазы выполнения инструкций в RISC-V,
• что за «железный закон» описывает производительность микропроцессора,
• что означают аббревиатуры DDR2 и WSC,
• что такое пропускная способность и когерентность кэша,
• как устроены современные системы виртуальной памяти,
• как GPU эволюционировали от решения только графических задач к вычислениям общего назначения,
• какими были суперкомпьютеры 1980-х и как они связаны с векторами,
• зачем нужна модель согласованности памяти.

Дискуссии и домашние задания проверяют полученные знания. Лабораторные позволят получить опыт работы в симуляторах и посмотреть на примеры взаимодействия программного и аппаратного обеспечения. При работе над заданиями курса вы научитесь применять язык конструирования аппаратуры Chisel, а также немного прикоснетесь к разработке на C/C++ и Python.

Вот примеры заданий, которые вы встретите в практической части курса:

• создать и выполнить симуляцию одноступенчатого процессора,
• объяснить, каким будет результат исполнения кода,
• изучить, насколько эффективно или неэффективно происходит компиляция вашего кода на языке C,
• предложить новую инструкцию для ISA RISC-V,
• переписать код так, чтобы использовать блокировку кэша,
• разработать свой branch predictor и аппаратный предварительный выбор (hardware prefetcher).

Курс поможет разобраться в основных концепциях, используемых в современных микропроцессорах. Вы узнаете, как программное обеспечение взаимодействует с аппаратным, получите опыт работы на Chisel и познакомитесь с тенденциями, которые определяют постоянные изменения в области аппаратной разработки.

Не требуется, все материалы можно скачать на сайте курса, а видеозаписи лекций опубликованы на YouTube.

• сайт курса с материалами 2023 года,
• страница с экзаменационными заданиями,
• сайт курса с материалами 2024 года,
• сайт курса с материалами 2021 года.

Курс 6.111 считается одним из самых востребованных в Массачусетском технологическом институте. Он охватывает все основные темы цифрового проектирования: цифровую логику, строительные блоки последовательностных логических устройств, конечные автоматы, работу с FPGA, таймерами и синхронизацией. Материалы курса будет легче изучать, имея базовые знания по цифровой схемотехнике.

Открытая часть курса включает раздаточный материал и описания лабораторных работ. В раздаточный материал входят презентации ко всем лекциям и несколько problem sets — наборов задач, по которым можно проверить полученные знания и посмотреть, сколько баллов они принесли бы вам в MIT. Записей самих лекций в бесплатном доступе нет.

Примеры того, что вы узнаете из презентаций:

• что такое логический синтез, логические вентили, look-up таблицы и таблицы истинности,
• в чем основные отличия языков VHDL и Verilog,
• что скрывается за аббревиатурой NAND,
• какие возможности дают D-триггеры,
• как создать последовательную логику с помощью SystemVerilog,
• в чем сложности временного анализа,
• какие существуют протоколы связи между микросхемами.

Главная ценность опубликованных материалов — это шесть лабораторных работ, в ходе которых вы научитесь работать с FPGA-платами и писать код на языке Verilog. Для практики предлагают использовать плату Nexys 4 DDR и САПР Vivado.

Вот примеры задач, которые вы встретите:

• добавить test bench на языке SystemVerilog в проект Vivado,
• научить систему отображать многозначные числа на семисегментных LED-дисплеях,
• разработать модуль-счетчик, который фиксирует наступление того или иного события,
• имплементировать игру в «Понг», где вместо шайбы используется изображение Звезды Смерти, с выводом изображения на монитор,
• спроектировать автосигнализацию на основе набора спецификаций,
• создать диктофон, который записывает и воспроизводит 8-битные цифровые аудиосэмплы.

А еще на сайте курса можно посмотреть итоговые проекты, которые делали студенты с 2004 по 2019 годы.

Презентации дадут теоретическую базу для проектирования простых систем на основе цифровых абстракций. А выполнение лабораторных работ, позволит получить практические навыки работы с ключевыми инструментами hardware-разработки: FPGA-платами, языками описания аппаратуры и средствами автоматизированного проектирования.

Не нужна. Все PDF-презентации и файлы, необходимые для выполнения лабораторных работ, может скачать любой желающий.

• Сайт курса с материалами 2019 года.

Курс RVfpga-SoC: An Introduction to SoC Design дает теорию и практику работы с архитектурой RISC-V, учит разрабатывать и компилировать код на языках ассемблера RISC-V и C для системы на кристалле RVfpga. Один из лекторов курса — профессор Сара Харрис, соавтор книги «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера».

Понимать материал будет легче, если у вас есть базовые представления о микроархитектуре процессоров, памяти и системе ввода/вывода, а также если вы программируете на C или языках ассемблеров.

Используемое программное обеспечение и «железо» полностью поддерживается в Linux, большая его часть также поддерживается в Windows и macOS. Курс предоставляет виртуальную машину Ubuntu 22.04, которую можно использовать независимо от операционной системы вашего компьютера.

Это полноценный курс для дистанционного обучения в формате, который вы могли встречать на таких платформах, как Coursera или Codecademy. Бесплатные материалы включают лекции, разбитые на короткие видео, текстовые материалы, лабораторные работы и демонстрационные видео с примерами. У всех видео есть расшифровка и субтитры на английском языке.

Курс RVpga разбит на 20 глав. Его можно условно разделить на две части:

• задачи по разработке программного обеспечения и симуляция работы программы на промышленном процессоре,
• микроархитектурные задачи со стороны аппаратного обеспечения.

Примеры того, что вы узнаете из лекций и лабораторных работ:

• как создать и запустить программы на языке C на RVfpgaNexys с помощью PlatformIO,
• какие основные типы инструкций есть в RISC-V,
• как написать программу с вызовами библиотечных функций на языке C,
• как выглядит сортирующий алгоритм на языке ассемблера,
• каков алгоритм обработки изображений для преобразования цветных в черно-белые,
• зачем нужен контроллер ввода-вывода общего назначения,
• какие существуют методы взаимодействия с периферийными устройствами,
• какова специфика исполнения программ на суперскалярном ядре,
• как добавить пользовательскую инструкцию в RISC-V ядро,
• про микроархитектуру кэша инструкций.

Каждая глава курса содержит лабораторные работы. Выполнять задания можно на плате Nexys A7 или в симуляторах Whisper, Verilator или VidBo. Готовые решения позволят проверить полученные результаты.

Вот несколько примеров задач, которые вы встретите:

• написать на языке C программу, которая находит наибольший общий делитель двух чисел, a и b в соответствии с алгоритмом Евклида,
• написать программную реализацию игры «Саймон говорит» на языке C,
• преобразовать ассемблерную подпрограмму ColourToGrey_Pixel в функцию на языке C,
• написать на языке ассемблера RISC-V программу, которая зажигает светодиоды в определенной последовательности,
• расширить систему RVfpga так, чтобы она поддерживала работу пяти кнопок на плате,
• реализовать на языке описания аппаратуры поддержку новых инструкций из различных расширений ISA RISC-V.

После прохождения курса у вас появится понимание, как использовать RISC-V для повышения безопасности, энергопотребления и производительности процессоров. Вы научитесь разрабатывать и компилировать код на C и языке ассемблера RISC-V для системы на кристалле RVfpga, добавлять новую функциональность в логику ядра на аппаратном уровне.

Возможны два варианта получения доступу к курсу. Если вы интересуетесь только программной частью курса, для вас наиболее удобным вариантом получения доступа к материалам будет работа с курсом на платформе edX. Здесь вам будут доступны только первые 10 лабораторных работ вместо 20 — это единственное отличие от первой версии.

Чтобы получить доступ к курсу RVfpga, необходимо зарегистрироваться на платформе edX: ввести имя и фамилию, придумать логин и пароль, выбрать страну проживания из выпадающего списка.

Второй вариант — получения материалов курса через форму регистрацию на сайте Imagination University Programme. Для этого придется заполнить анкету академического доступа, а затем ждать верификацию и ссылку для скачивания материалов. В них вам будут доступны все 20 лабораторных работ и исходные коды СнК, используемой в курсе.

Курс динамично развивается последние 4 года. Авторы добавляют новые лабораторные задания и исправляют ошибки в слайдах. Также в последнем релизе курса RVfpga добавили предварительно настроенную виртуальную машина на базе Ubuntu со всем необходимым программным обеспечением. Это существенно облегчает старт обучения.

• Страница курса на сайте Imagination.
• Страница курса на edX.

1. HDLBits — упражнения для практики языка Verilog (ENG).
2. Курс ВШЭ Computer Architecture and Operating Systems (ENG).
3. Лекции курса MIT 6.004 Computation structures (ENG).
4. Рекомендации RISC-V по образовательным материалам на GitHub (ENG).
5. Образовательная платформа QuickSilicon с курсами по аппаратной разработке. По большей части материалы платные, но можно найти отличные бесплатные курсы (ENG).
6. Блог ZipCPU с материалами о работе с FPGA и разработке микропроцессоров (ENG).
7. Блог YosysHQ со статьями команды, поддерживающей Yosys и связанные с ним проекты open source EDA (ENG).
8. Курс МГУ по теории компиляции (RU).
9. Полезные материалы от Альянса RISC-V (RU).