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 sylabusa

Grzegorz Mazur

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 snchronizacji i opóźnienia w prostym potoku. Superpotok.
• Jednostki wielopotokowe (superskalarne) - zasady działania, hazardy i opóźnienia.
• Metody redukcji opóźnień w procesorach superpotokowych i superskalarnych. Przewidywanie skoków. Sposoby redukcji opóźnienia danych.
• Kieszenie jako warstwa hierarchii pamięci. Organizacja i zasady działania. Model wydajności. Reakcja na zapis danych. Wielopoziomowe systemy kieszeni.
• 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-tych XXw do współczesności.

Literatura

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