Những lợi thế của việc sử dụng các GPU trên TTL trong kiến ​​trúc máy tính giới thiệu là gì?

Tôi dạy khóa kiến ​​trúc máy tính một và duy nhất tại một trường cao đẳng nghệ thuật tự do. Khóa học là cần thiết cho ngành khoa học máy tính lớn và nhỏ. Chúng tôi không có kỹ thuật máy tính, kỹ thuật điện, các khóa học phần cứng khác, v.v. Mục tiêu chính của tôi trong khóa học là cho sinh viên hiểu tất cả các cách để làm việc với máy tính, mà tôi tin rằng họ học tốt nhất thông qua phòng thí nghiệm phần cứng và không chỉ thông qua sách giáo khoa ( Tổ chức và thiết kế máy tínhbởi Hennessy và Patterson). Mục tiêu thứ yếu của tôi là kích thích họ về kiến ​​trúc máy tính và tăng hứng thú với khoa học máy tính. Chuẩn bị chúng trực tiếp cho ngành công nghiệp không phải là một mục tiêu, mặc dù thúc đẩy họ nghiên cứu thêm kiến ​​trúc máy tính là. Các sinh viên thường không có bất kỳ kinh nghiệm xây dựng bất cứ điều gì hoặc tham gia một khóa học phòng thí nghiệm cấp đại học. Thông thường, 10-15 sinh viên học khóa học mỗi học kỳ.

Tôi đã giảng dạy khóa học từ năm 1998 theo cách tương tự như cách tôi được dạy kiến ​​trúc máy tính và thiết bị điện tử kỹ thuật số vào cuối những năm 1980 tại MIT: sử dụng chip DIP TTL trên bảng mạch điện. Trong bài tập phòng thí nghiệm phần cứng đầu tiên, sinh viên xây dựng một bộ cộng đầy đủ. Khoảng nửa học kỳ, họ bắt đầu xây dựng một máy tính đơn giản với bộ hướng dẫn 8 bit. Để giảm hệ thống dây điện, tôi cung cấp cho chúng một PCB với một số thiết bị điện tử (hai flip-flop, hai LS 181 ALU 4 bit được nối với nhau để hoạt động như một ALU 8 bit và bộ đệm ba trạng thái). Trong phòng thí nghiệm đầu tiên, họ lấy được tín hiệu điều khiển (rất đơn giản) cho hai định dạng hướng dẫn và xây dựng mạch, nhập hướng dẫn trên công tắc và đọc kết quả từ đèn. Ở phòng thí nghiệm thứ hai, họ thêm bộ đếm chương trình (2 LS163) và EPROM (trong đócâu hỏi ban đầu của tôi là về, trước khi nó chuyển sang cách tôi nên dạy kiến ​​trúc giới thiệu). Trong phòng thí nghiệm cuối cùng, họ thêm một hướng dẫn chi nhánh có điều kiện. Trong khi các sinh viên dành nhiều thời gian để nối dây và gỡ lỗi, tôi cảm thấy đó là nơi diễn ra nhiều việc học và sinh viên rời đi với ý thức thực sự hoàn thành.

Tuy nhiên, mọi người trên diễn đàn này đã nói với tôi rằng tôi nên chuyển sang sử dụng các loại GPU mà tôi chưa từng làm việc trước đây. Tôi là một kỹ sư phần mềm, không phải là kỹ sư máy tính và đã nghỉ học một thời gian, nhưng tôi có khả năng học hỏi. Tôi sẽ không thể kiếm được nhiều tiền ( có thể vài nghìn đô la) để thay thế các giảng viên kỹ thuật số hiện tại của chúng tôi. Chúng tôi có một phân tích logic duy nhất.

Đưa ra các mục tiêu và các ràng buộc của tôi, các EE của bạn có khuyên tôi nên tuân theo cách tiếp cận hiện tại của tôi về chuyển đổi sang dựa trên các GPU không? Nếu sau này, bạn có thể cho tôi bất kỳ gợi ý cho các tài liệu để giáo dục bản thân mình?

Theo yêu cầu, đây là một liên kết đến các giáo trình và bài tập trong phòng thí nghiệm .

Ngoài ra, có, nó là một khóa học logic kỹ thuật số quá. Khi tôi vào đại học, các sinh viên được yêu cầu học một học kỳ về kiến ​​trúc máy tính và logic kỹ thuật số, và tôi đã kết hợp chúng thành một học kỳ duy nhất. Tất nhiên, đó là một tuyên bố về quá khứ, không phải là tương lai.

Đưa ra các mục tiêu của lớp học, tôi nghĩ rằng cách tiếp cận TTL là tốt, và tôi nói điều này như là một "anh chàng đồ họa". FPGA là một biển logic và bạn có thể làm tất cả mọi thứ thú vị với chúng, nhưng chỉ có rất nhiều thứ có thể làm được trong một học kỳ.

Nhìn vào giáo trình của bạn, lớp học của bạn là sự pha trộn giữa thiết kế logic và các khóa học "cấu trúc máy" mà tôi đã học trong chương trình đại học. (Thêm vào đó, nó dành cho chuyên ngành CS. Tôi hoàn toàn dành cho chuyên ngành CS phải đối mặt với phần cứng thực sự - để chúng thoát khỏi việc viết mã có vẻ như là một bước lùi.) Ở cấp độ giới thiệu này, nơi bạn sẽ tìm hiểu về cách hướng dẫn lắp ráp bị phá vỡ, tôi thấy không có lợi ích thực sự khi sinh viên làm những điều trong mã so với bằng tay. Làm HDL có nghĩa là học HDL, học cách viết HDL tổng hợp và học IDE. Đây là một khái niệm phức tạp hơn nhiều và trừu tượng hóa. Thêm vào đó bạn phải đối phó với các vấn đề phần mềm.

Nói chung, quan điểm của một khóa học sử dụng các GPU là để thực hành tạo logic rất hữu ích - hữu ích để nói chuyện với các thiết bị ngoại vi, comms nối tiếp, RAM, trình tạo video, v.v ... Đây là kiến ​​thức có giá trị, nhưng có vẻ như rất nhiều phạm vi của khóa học của bạn. Các lớp nâng cao hơn trong kiến ​​trúc máy tính có sinh viên thực hiện các CPU tinh vi trong các GPU, nhưng một lần nữa, điều này dường như nằm ngoài phạm vi khóa học của bạn.

Ít nhất tôi sẽ dành một bài giảng cho các GPU. Chạy qua một vài bản demo với bảng dev và hiển thị cho họ quy trình làm việc. Kể từ khi bạn đang ở Mills, có lẽ bạn có thể liên hệ với các folks tại Berkeley người chạy CS 150 / 152 và đi xem cách họ làm việc.

Tôi rất đồng ý với Photon. Có rất nhiều lợi thế khi sử dụng các GPU. Dưới đây là một vài điểm thú vị để xem xét:

1) Nền tảng dễ dàng để thử thiết kế cổng rất nhanh chóng, không mất nhiều giờ hoặc có khả năng làm việc nhiều ngày. FPGA cho phép các thiết kế kỹ thuật số rất phức tạp khá dễ dàng. (RẤT NHIỀU lý thuyết, ít bận rộn hơn)

2) Các phần quan trọng trong công việc của học sinh có thể được thực hiện trong mô phỏng bên ngoài phòng thí nghiệm.

3) Môi trường phần mềm là miễn phí (thường bao gồm cả trình giả lập).

4) Có nhiều nền tảng FPGA tương đối rẻ xung quanh. Giá cả học tập sẽ giúp. Một cái gì đó như Terasic DE0-Nano có giá 59 đô la cho một bộ hoàn chỉnh (và nó trông khá tốt). $ 50-60 có vẻ là phạm vi trên mỗi bảng bạn đang xem.

5) Có rất nhiều thứ thực sự thú vị để làm với các GPU. Có những trang như OpenCores cung cấp hàng trăm mô-đun dựng sẵn để sử dụng với các GPU. Có FPGA4Fun , có rất nhiều hướng dẫn và dự án. Để giải trí đơn thuần, Arcade Arcade được dành riêng để xây dựng các trò chơi với các GPU. Tùy thuộc vào những gì bạn thiết lập xung quanh các bo mạch đồ họa, điều này có thể tạo nên một lớp học thực sự thú vị.

6) Một số bảng có các lớp thiết kế kỹ thuật số dường như đã sẵn sàng cho chúng: Giới thiệu về Thiết kế kỹ thuật số (cảnh báo: tải xuống lớn) bằng cách sử dụng bảng dựa trên Xilinx Spartan 3E hơi cũ. (Mặc dù dựa trên ActiveHDL, cá nhân tôi thích VHDL hoặc Verilog chuẩn hơn) Các nhà cung cấp đồ họa lớn cũng có các chương trình đại học: Chương trình Đại học Xilinx , Chương trình Đại học Altera , Chương trình Đại học Lattice .

7) Quy trình làm việc gần hơn với cách thức làm việc thiết kế chuyên nghiệp diễn ra trong những ngày này. Kiến thức làm việc trong phát triển FPGA là một kỹ năng thị trường ngay lập tức.

Tôi nghĩ rằng ngày nay nếu bạn đang xử lý mọi thứ ở cấp độ cổng, bạn không làm việc trong lĩnh vực "kiến trúc máy tính", bạn thực sự chỉ đang làm điện tử kỹ thuật số cơ bản. Nhưng ngoài ra, bạn không thể dạy mọi thứ cần biết từ điện tử kỹ thuật số cấp cổng cho đến các thuật toán lưu trữ, kiến ​​trúc điện toán song song, SIMD, mạng, v.v. trong một học kỳ.

Vì vậy, nó thực sự đi xuống với những gì bạn muốn dạy. Nếu bạn muốn tập trung vào thiết bị điện tử kỹ thuật số cấp độ cổng, thì làm việc với chip cấp độ cổng sẽ giúp sinh viên có thể làm việc với họ và giúp họ hiểu rõ hơn về vật liệu đó. Nhưng nếu bạn muốn dạy kiến ​​trúc máy tính, có lẽ họ cần phải làm việc ở mức độ trừu tượng cao hơn nhiều so với cổng AND và OR.

Ít nhất, bạn có thể nợ chính mình để học HDL và thực hiện một hoặc hai thiết kế dựa trên nền tảng đồ họa, để bạn (như chuyên gia giáo dục ở đây) có thể đánh giá những kỹ năng đó sẽ phù hợp với mục tiêu của bạn như thế nào đối với học sinh. Tôi hy vọng rằng các câu trả lời khác sẽ cung cấp rất nhiều gợi ý cho các vật liệu thấp và không tốn chi phí sẽ cho phép bạn tăng tốc độ trên thiết kế đồ họa trong một thời gian ngắn. (Gợi ý: Xilinx và Altera đều cung cấp các công cụ thiết kế và mô phỏng phần mềm miễn phí, cùng với hàng tấn ghi chú ứng dụng và các tài liệu giảng dạy khác).

Tuy nhiên, một lợi ích của việc sử dụng TTL là đối với các mạch rất cơ bản, các chi tiết của HDL sẽ che giấu mạch thực tế và hầu hết các sinh viên chỉ đơn giản dành phần lớn thời gian để viết và học HDL. Tôi nghĩ rằng TTL là phần đầu tiên và sau đó là FPGA cho phần kiến ​​trúc sẽ tốt hơn, vì thực sự khó tạo ra một hệ thống lập trình được với TTL.

Tôi đánh giá đầy đủ tầm quan trọng của một số trải nghiệm thực tế với lắp ráp mạch vật lý, tôi nghĩ cũng cần phải nhận ra rằng bạn không thể bao quát các thực hành điện toán hiện đại mà không có một mức độ nào đó giống như "mô phỏng" hoặc trừu tượng quá nhiều, vì vậy tốt nhất bạn có thể làm là cố gắng thực hiện một số công việc ở mỗi cấp độ trước khi thêm vào sự trừu tượng đủ để làm cho việc thử mức độ phức tạp tiếp theo trở nên hợp lý. Ví dụ, khóa học MIT mà bạn giới thiệu, tại một thời điểm, bắt đầu thực hiện mô phỏng phần mềm của máy RISC 32 bit chạy trên đỉnh của chip & mô-đun 8-bit được lập trình vi mô. Vào thời điểm đó, tôi cho rằng sẽ hiệu quả hơn khi chỉ thực hiện một cỗ máy như vậy trong một đồ họa (điều mà tôi nghi ngờ là chúng có thể đã được thực hiện kể từ đó).

Để giải quyết vấn đề này, sự cám dỗ của tôi sẽ là cố gắng bao gồm cả giai đoạn chip & dây từ sớm và giai đoạn FPGA sau đó trong khóa học. Vì bạn đã có bộ dụng cụ bánh mì, bạn chỉ có thể giữ các phòng thí nghiệm đầu tiên trên đó, và sử dụng một bảng đồ họa hoặc có thể là một mô-đun đồ họa có thể điều khiển được cho các phòng thí nghiệm sau này. Việc xây dựng một cỗ máy lai trong đó có thể phụ thuộc vào một số bộ xử lý tuần hoàn ngoài của bộ vi xử lý, nhưng sẽ cảm thấy rất giả tạo - chỉ cần chuyển đổi công nghệ hoàn toàn ở điểm mà độ phức tạp vượt quá một miếng bánh mì có thể là thực tế nhất.

Bạn sẽ có thể cung cấp các bảng mạch độc lập hiện có với giá dưới 100 đô la / e với giá giáo dục.

Một tùy chọn khác, có thể là xây dựng riêng của bạn như là một phần của lớp, có thể xây dựng giao diện tải nối tiếp FPGA như là phần đầu tiên của dự án. Một lợi thế tốt của điều này là chi phí sẽ đủ thấp để các sinh viên có thể giữ bảng của họ thay vì phải chuyển chúng vào cuối nhiệm kỳ, điều này hy vọng sẽ dẫn đến sự quan tâm và nhận thức liên tục giữa một số ít.

Tôi nghĩ rằng cách tiếp cận đúng đắn sẽ là bắt đầu với việc xây dựng một vài cổng ra khỏi rơle, dễ nhìn và dễ hiểu nhưng rõ ràng là quá chậm và thiếu năng lượng cho các ứng dụng hiện đại. Sau đó cho thấy các bóng bán dẫn có thể được sử dụng để làm điều tương tự gọn hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn và các cổng đóng gói [ví dụ "quad nand"] có thể làm điều đó thậm chí còn tốt hơn. Khi bạn đã đạt đến điểm đó, tôi khuyên bạn nên trình bày cách xây dựng một thứ như bộ ghép kênh và chốt ra khỏi cổng, và sau đó làm thế nào một số cấu trúc lớn hơn có thể được tạo ra từ các bộ ghép kênh, chốt, v.v. để xây dựng một máy tính ngày nay bằng cách hàn vật lý với nhau hàng ngàn bóng bán dẫn rời rạc, nhưng hoạt động bên trong của máy tính rất giống với các bóng bán dẫn ngoại trừ mọi thứ đều nhỏ hơn nhiều.

Một lợi ích lớn mà tôi nghĩ rằng sinh viên sẽ nhận được từ loại hướng dẫn này là sự hiểu biết tại sao nhiều thứ hoạt động như họ làm. Ví dụ: nếu một người đang "mô phỏng" một tập lệnh mà không cần thực hiện bất kỳ thực tế vật lý nào, thì sẽ không cần phải có lệnh "tải bộ nhớ" trong ba chu kỳ trong khi hầu hết các lệnh khác đều thực hiện một chu kỳ. Một số điều có thể được hiểu mà không đi xuống mức bóng bán dẫn, nhưng một số không thể (ví dụ: tầm quan trọng của đầu vào đồng bộ so với không đồng bộ).