Architektura systemów komputerowych

From Studia Informatyczne

Spis treści

Forma zajęć

wykład (30 godzin)

Opis

Celem wykładu jest zapoznanie słuchaczy ze strukturą i budową współczesnych procesorów i komputerów. Treść wykładu obejmuje niezbędne podstawy teoretyczne, budowę aplikacyjnego modelu programowego komputera dostosowanego do wykonywania programów napisanych w językach wysokiego poziomu, budowę jednostki wykonawczej komputera, model i implementację mechanizmów systemowych oraz podstawowe informacje o organizacji współpracy z urządzeniami zewnętrznymi i strukturze komputera.

Sylabus

Autor

  • Grzegorz Mazur — Politechnika Warszawska,

Wymagania wstępne

  • Programowanie w języku C

Zawartość

  • Wprowadzenie — pojęcie komputera, taksonomie architektur komputerowych, pojęcie hierarchii pamięci. Maszyna von Neumanna, architektury Harvard, Princeton, Harvard-Princeton.
  • Dane — typy, reprezentacje, organizacja i adresowanie pamięci. Konwencje Big-Endian i Little-Endian. Wyrównanie naturalne. Dane wektorowe.
  • Synteza aplikacyjnego modelu programowego na podstawie wymagań języka wysokiego poziomu.
  • Budowa modelu programowego — rejestry, tryby adresowania, model operacji warunkowych, lista instrukcji. Konstrukcja modelu programowego w podejściu CISC i RISC.
  • Przykłady modeli programowych RISC (MIPS) i CISC (x86). Jednostki zmiennopozycyjne i wektorowe.
  • Synteza jednocyklowej jednostki wykonawczej. Jednostki wielocyklowe. Przejście od jednostki jednocyklowej do potokowej.
  • Struktura potoku. Problemy synchronizacji i opóźnienia w prostym potoku. Superpotok.
  • Jednostki wielopotokowe (superskalarne) — zasady działania, hazardy i opóźnienia.
  • Kieszenie jako warstwa hierarchii pamięci. Organizacja i zasady działania. Model wydajności. Reakcja na zapis danych. Wielopoziomowe systemy kieszeni.
  • Metody redukcji opóźnień w procesorach superpotokowych i superskalarnych. Przewidywanie skoków. Sposoby redukcji opóźnienia danych.
  • Wymagania wieloprocesowego systemu operacyjnego. Zasady ochrony zasobów komputera. Funkcje systemu zarządzania pamięcią.
  • Implementacja zarządzania pamięcią — prosta relokacja, segmentacja, stronicowanie. Podstawy realizacji systemu pamięci wirtualnej. Optymalizacja stronicowania.
  • Wyjątki — definicja, klasyfikacja. Obsługa wyjątków.
  • Podstawy organizacji wejścia wyjścia. Obsługa urządzeń zewnętrznych przy użyciu aktywnego oczekiwania, przerwań i DMA.
  • Struktura komputera jednoprocesorowego i jej ewolucja od lat 60 XX w. do współczesności.

Literatura

  • D. Patterson, J. Hennessy, Computer Organization and design, Elsevier 2005
  • J. Biernat, Arytmetyka komputerów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1996
  • Materiały firmowe - dokumenty techniczne dostępne w sieci WWW - MIPS, Intel, AMD
  • Specyfikacje Application Binary Interface

Moduły

  1. Wstęp - trochę teorii
  2. Dane
  3. Synteza modelu programowego
  4. Struktura modelu programowego
  5. Model programowy procesora w podejściu CISC i RISC
  6. Jednostka wykonawcza procesora
  7. Działanie potokowej jednostki wykonawczej
  8. Procesory wielopotokowe
  9. Kieszenie jako warstwa hierarchii pamięci
  10. Redukcja opóźnień w procesorach superskalarnych i superpotokowych
  11. Ochrona zasobów
  12. Zarządzanie pamięcią
  13. Wyjątki
  14. Wejście-wyjście
  15. Struktura komputera