Architektura systemów komputerowych

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

• Wprowadzenie

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