RISC-V-liukuhihnasimulaattori opetuskäytössä

Abstract

Tietokoneen käskykanta-arkkitehtuuri on rajapinta tietokoneen laitteiston ja sovellusohjelmien välissä. Käskykanta-arkkitehtuuri on oleellinen osa opetusta, kun opetetaan tietokoneen sisäistä toimintaa esimerkiksi prosessorin ja muistin välillä. Prosessorin liukuhihnan toiminnan ymmärtäminen on tässä keskeisessä osassa. Tämän vuoksi opetuksen apuna on käytetty liukuhihnasimulaattoria, jolla voidaan simuloida käytettävän käskykannan mukaisten assembly-käskyjen suoritusta prosessorin liukuhihnalla. Tampereen yliopiston kurssilla Tietokoneen arkkitehtuuri on aiemmin käytetty opetuksessa esimerkkiarkkitehtuurina MIPS-käskykantaa. Laitteiston ja sovellusten kehittyessä on kuitenkin tullut tarvetta uudistaa myös käskykanta-arkkitehtuuria, ja opetuskäytön olisi hyvä seurata teollisuuden tarpeita. MIPS-käskykanta ja kurssilla käytetty MIPS-simulaattori MipsIT olisi tarkoituksena vaihtaa uudempiin, ajan mukaisiin teknologioihin.

RISC-V on moderni, rajoitetun käskykannan ideologiaan pohjautuva tietokoneen käskykanta-arkkitehtuuri. Sen suosio on ollut kasvussa, ja lähivuosina sen käyttäjämäärä tulee moninkertaistumaan. RISC-V on myös alunperin kehitetty opetuskäyttöön, ja myös tästä syystä se on potentiaalinen MIPS:n korvaaja. Tässä tutkimuksessa selvitetään markkinoilta löytyviä RISC-V-simulaattoreita ja niiden ominaisuuksia. Työn tavoitteena on löytää yksi tai useampi simulaattori, joita voitaisiin hyödyntää opetuskäytössä. Simulaattoria voitaisiin myöhemmin käyttää Tampereen yliopiston kurssin Tietokoneen arkkitehtuuri harjoitustyössä.

Tutkimusta varten määritettiin opetusympäristön kautta muutamia kriteerejä mahdollisille simulaattoreille. Simulaattoreita valittiin lopulta 3 kappaletta tutkimukseen useaan valintakriteeriin perustuen. Simulaattoreita testattiin muutamalla vanhan harjoitustyön ohjelmakoodilla. Tämän jälkeen niitä pisteytettiin niiden ominaisuuksiin ja käytettävyyteen perustuvin parametrein. Tutkimuksessa huomattiin, että yhtä ainoaa simulaattoria ei välttämättä kannata valita, vaan voidaan valita useampi simulaattori, joita käytettäisiin kurssin harjoitustyön eri vaiheissa. Myös muutamissa muissa yliopistoissa on toimittu näin, joten lopputuloksena päädyttiinkin kahteen eri simulaattoriin. Näistä toista voitaisiin käyttää esimerkiksi kurssin viikkoharjoituksissa, ja toisella voitaisiin tehdä varsinainen harjoitustyö.