На просторах интернета есть несколько статей об алгоритме получения хеш-функции Стрибог (ГОСТ 34.11-2012), в том числе и на Хабре. Однако везде в качестве примера приводится реализация на языках программирования C, C#, Python и других. То есть идет последовательное выполнение операций алгоритма. В данной статье я хочу затронуть аппаратную реализацию на языке System Verilog, уделить внимание распараллеливанию вычислений и описанию интерфейсов модулей. Для начала кратко рассмотрим теорию.
Бывший посол США в России Майкл Макфол уже пару лет занимается санкциями против России, в том числе в микроэлектронике. Это происходит в рамках так называемой «Группы Ермака‑Макфола».
Документы группы пишут гуманитарии, например они путают Xilinx и Zilog, или «поправляют» слово ARM на слово ARMY, а также считают, что Zynq — процессор, а не гетерогенная система на кристалле с FPGA.
Кстати, Макфол мог бы попросить технических коллег из Стенфорда это править — в Стенфорде крутая электроника, его ректором был Джон Хеннесси, создатель процессоров MIPS и соавтором двух самых известных учебников по компьютерной архитектуре в мире.
Но короче, в прошлую пятницу Макфол устроил созвон в Zoom для платных подписчиков его блога на substack, я к этому созвону присоединился и задал ему такой вопрос:
Основная прелесть использования ПЛИС, на мой взгляд, состоит в том, что разработка аппаратуры превращается в программирование со всеми его свойствами: написание и отладка кода как текста на специализированных языках описания аппаратуры (HDL); код распространяется в виде параметризованных модулей (IP-блоков), что позволяет его легко переиспользовать в других проектах; распределенная разработка обширным коллективом разработчиков с системой контроля версий, такой же, как у программистов (Git); и, как и в программировании, ничтожно низкая стоимость ошибки.
Последнее очень важно, так как если при разработке устройства классическим методом разработчик несет вполне существенные затраты на сборку и производство изделия, и любая схемотехническая ошибка или ошибка трассировки печатной платы — это всегда выход на очередную итерацию и попадание на деньги, то при работе с ПЛИС ошибки ничтожны по своей стоимости и легко устранимы. И даже если в серийном изделии обнаруживается ошибка, то её во многих случаях можно устранить очередным апгрейдом прошивки «в поле» без замены изделия. Короче, с приходом ПЛИС разработка цифровой аппаратуры все больше и больше выглядит как программирование, а это, помимо всего прочего, существенно понижает порог вхождения в тему, и все больше программистов становятся разработчиками «железа». А новые люди, в свою очередь, приносят с собой в индустрию новые подходы и принципы.
В этой статье я хочу поделиться своим небольшим опытом «программирования» микросхем ПЛИС и тем, как я постепенно погружался в тему ПЛИСоводства. Изначально я собирался написать небольшую заметку про открытый тулчейн для синтеза Yosys. Потом — про язык SpinalHDL и синтезируемое микропроцессорное ядро VexRiscv, на нём написанное. Потом — про замену микроконтроллеров микросхемами ПЛИС на примере моей отладочной платы «Карно». Но в процессе я погрузился в историю появления Hardware Description Languages (HDL), и когда я начал писать, Остапа, как это часто бывает, понесло... В общем, получилось то, что получилось.
А еще эту статью можно рассматривать как глубокое погружение в то, что происходит вот на этом новогоднем видео.
Область разработки для ПЛИС, довольна консервативна и неповоротлива. Поскольку она узкоспециализирована, то новые инструменты и среды появляются редко, а старые инструменты имеют свои слабости в самой своей основе и перекладывать их на новые рельсы уже ни кто не будет. Посмотрим на новый язык и инструмент для ПЛИС разработчиков, который следует современным тенденциям разработки.
В software-разработке с автоматизацией обычно все неплохо: более-менее понятно, как настроить CI и автоматизировать отдельные этапы CI-конвейера. Есть множество готовых решений и практик. Но, когда речь заходит об автоматизации тестирования на «железе», появляется множество нюансов. Например, не всегда понятно как автоматизировать процессы, которые обычно делают люди, — банальную перезагрузку устройства в другом городе. Или другая особенность — целевые аппаратные ресурсы масштабируются не так хорошо, как софт, поэтому приходится придумывать свои подходы к распределению времени доступа к стенду для СI-конвейеров и инженеров.
Меня зовут Игорь Большевиков, я инженер по системному программированию систем на кристалле в YADRO В статье я расскажу о нашем опыте автоматизации процессов, связанных с разработкой на FPGA-стенде: удаленной загрузке плат, бронировании аппаратных ресурсов и решении вопросов по координации для распределенной команды. Я опишу ключевые этапы задачи без лишних технических деталей. Возможно, статья будет полезна тем, кто занимается или кому предстоит заняться автоматизацией работ с FPGA.
Превращаем простой пример распознавания нот из лабораторных работ Школы синтеза цифровых схем в Enterprise. Используем компилятор Rust для RISC-V микроконтроллера YRV-Plus.
Внутри каждого современного телефона несколько микросхем ASIC. Ими наполнены автомобили, стойки в центрах обработки данных, датчики «умного дома», и вообще все электронные устройства. Без чипов ASIC был бы невозможен быстрый интернет, трехмерные игры и ускорители машинного обучения.
Микросхемы ASIC, их родственники FPGA и выросшие с ними технологии проектирования позволили закладывать сложные алгоритмы прямо в «железо». Они разрушили стереотип, что вычислительная система — это только процессор, память и программирование. В статье я расскажу, как развивались ASIC, какую роль в этом процессе сыграли FPGA и каким может быть «железо» будущего.
Пока весь мир развлекается с нейросетями и высокими технологиями, я решил исполнить студенческую мечту — собрать радио (а то как сапожник без сапог).
Во время курса по радиосигналам (по их приему и обработке) в моей голове представлялось это всё как конструктор, и я не видел в этом ничего сложного. По крайней мере, все модели, построенные в Mathcad и MATLAB, давали обнадеживающие результаты, но хотелось это всё проверить на практике и в качестве результата не увидеть первоначально промодулированную идеальную синусоиду, а услышать незнакомый аудиосигнал.
Разработка процессора и вообще программируемых микросхем — процесс сложный и длительный. От старта проектирования до получения первых образцов в кремнии проходит больше года. При этом ПО желательно писать и отлаживать параллельно процессу производства, чтобы оптимизировать сроки выхода продукта. Но как это делать, если «железо» еще не на руках или оно есть в очень ограниченном количестве, а нужно многим?
Спойлер: делать имитацию. О том, какие подходы существуют и как выжать из них максимум эффективности для имитации сложных многоядерных систем, рассказали инженеры-программисты отдела разработки системного ПО YADRO Светлана Бурлака и Александр Солдатов.
Простое, нестандартное процессорное ядро с открытым кодом, которое может быть использовано для создания микроконтроллера в базисе ПЛИС, в том числе ПЛИС - ОП.
В субботу прошло первое занятие Школы Синтеза Цифровых Схем. Записалось 650 человек в 15 городах России и Беларуси, пришли 400 (250 офлайн и 150 онлайн). Российский флаг на мониторе нарисован комбинационной логикой FPGA (первое что пришло в голову рисовать студентам сразу в двух кластерах). Вообще обычно на первом занятии мигают светодиодами, но мы решили пойти дальше и показали им как рисовать картинки. Для этого два счетчика формируют X и Y, а задача студента - реализовать функцию RGB (X, Y).
Из-за наличия зоопарка плат, версий Windows и Linux, а также EDA софтвера, глючных программаторов, и при этом свежих и недотестированных bash-скриптов, возникла ситуация полного ада, особенно у онлайн-пользователей (преподаватели на местах героически справлялись). Возникла ошибка, которая меня реально удивила. И не только меня:
Несмотря на то, что предпосылки к отставанию закона Мура от экспоненты обсуждаются ещё с 90‑х, сам закон, с рядом оговорок, справедлив и в наши дни. Это приводит к тому, что если человек поступил в университет в 2010 году, то первые микроконтроллеры STM32F1, выпущенные в середине 2007 года, имели заметные шансы не попасть в его учебные курсы. Как, впрочем, и памяти DDR3 (стандарт также вышел в середине 2007‑го). В момент же получения человеком диплома в 2015‑ом, стандарту DDR4 исполнилось бы три года, STMicroelectronics только что выпустила бы серию STM32F7 со встроенным графическим модулем, а сами STM32 уже два года как имели возможность программироваться при помощи MATLAB и Simulink, минуя код на Си (если верить рекламе).
Подобное положение вынуждает динамично актуализировать знания.
Академические курсы не всегда успевают за прогрессом. А их первоисточник — техническая документация — бывает крайне обширна. Например, базовая документация на микроконтроллеры STM32F103xB насчитывает 1252 страницы. Помимо неё имеются ещё 54 документа типа application note и десятка полтора документов других типов. Поэтому достаточно востребованным источником знаний оказываются профильные сообщества.
Для эффективного получения знаний в подобных сообществах проблема должна быть сформулирована максимально качественно. Ещё в 2001 году появилось (и было переведено на множество языков) фундаментальное руководство «Как правильно задавать вопросы на технических форумах». Представляется, что тезисы данного руководства во многом универсальны и актуальны как для сообществ программистов, так и для сообществ электронщиков, туристов, кулинаров или художников. Однако столь же универсален феномен, когда ответ на сформулированный в соответствии с духом этого руководства вопрос, оказывается не ответом по существу, а чем‑то «идентичным натуральному ответу по существу». Об этом феномене и пойдёт речь в настоящей статье.
В России не любят Линукс. Студенты и корпорации всячески отлынивают его использовать, даже если Линукс насаждают преподаватели или госзаказчики. Но есть область, в которой Линукс придется полюбить. Это разработка микросхем. Даже внутри Apple и Microsoft инженеры используют Synopsys Design Compiler / IC Compiler и Cadence Genus / Innovus, у которых вообще нет версий для Windows и MacOS, только для Linux. Да, я знаю, что Synopsys и Cadence ушли из России. Но даже открытые тулы для синтеза ASIC - Open Lane - есть только под Linux.
Я уже несколько лет использую для семинаров по FPGA загружаемые через USB SSD диски, на который ставится весь необходимый софтвер. Такое решение позволяет избежать агонии первого дня семинара, когда приходит куча народу со своими ноутбуками, три часа ставят Quartus, а потом мучаются с драйверами USB Blaster для китайского контрафактного клона, который без танцев с бубном не хотят поддерживать не Win10, ни Linux, ни особенно Win11, который хочет подписанные драйверы.
А как же виртуальные машины? - спросите вы. С моей точки зрения они вносят дополнительный уровень танцев с бубном. И это не мое дремучее мнение - так же считает мой приятель, который работал над виртуализацией в Микрософте. То оно USB порт не пробивает, то еще какие-нибудь глюки. Плюс учить дополнительные опции, качать и копировать файлы в десятки гигабайт. А тут вставил в USB порт, и если загрузится, то заработает.
Конечно, загружаемые SSD тоже не без проблем: тут и Legacy BIOS boot против UEFI boot, и Secure Boot с Bit Locker, и зловещий "хвост GPT", и отрубание всего из-за скачка напряжения в USB хабе - но с этими проблемами мы методично разобрались. Решение я и описываю в этой заметке, предназначенной в первую очередь для учеников и руководителей кластеров в Школе Синтеза Цифровых Схем, которая начинается с сентября в 14 российских городах (объявления и точных дат еще нет, но уже записалось 200 учеников).
Прежде всего: как выглядит загружаемый SSD? А вот так:
