Logo ČVUT
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
STUDIJNÍ PLÁNY
2019/2020

Architektury počítačů

Předmět není vypsán Nerozvrhuje se
Kód Zakončení Kredity Rozsah Jazyk výuky
AD4B35APO Z,ZK 6 14KP+6KC česky
Přednášející:
Cvičící:
Předmět zajišťuje:
katedra řídicí techniky
Anotace:

Předmětem studenty seznámí se stavebními prvky počítačových systémů.

Předmět přistupuje k výkladu od popisu hardware a tím navazuje

na předmět Struktury počítačových systémů, ve kterém se studenti seznámili

s kombinačními, sekvenčními obvody a základu stavby procesorů. Po úvodním

přehledu funkčních bloků počítače je podrobněji popsána stavba

procesoru, jejich propojování, paměťový a vstupně výstupní subsystém

až po přehledové seznámení s různými síťovými topologiemi a sběrnicemi.

Během výkladu je brán důrazný zřetel na ozřejmení provázanosti

hardwarových komponent s podporou SW, především nejnižších vrstev

operačních systémů, ovladačů zařízení a virtualizačních technik.

Obecné principy jsou v další části přednášek rozvedeny na příkladech

několika standardních procesorových architektur.

Cvičení jsou naopak zaměřena na softwarový pohled na počítačový

systém, kdy studenti postupně přecházejí od výuky základů

multithreadového programování k přímé obsluze portů

a hardware.

Požadavky:

Přiměřená znalost jazyka C, základní orientace v oblasti logických

a sekvenčních obvodů. Základní znalost práce s příkazovou řádkou

a kompilátorem v prostředí splňujícího standard POSIX (např. Linux)

je vítaná.Stránky předmětu: https://moodle.dce.fel.cvut.cz/

Osnova přednášek:

1. Architektura počítače, struktura, organizace a podsystémy.

Reprezentace, zobrazení a přenos informace (především čísel,

IEEE-754) v počítači.

2. Vývoj koncepcí a technik CPU. Porovnaní přístupů RISC (load-store)

CISC procesorů. Pipeline, predikce skoků a super-skalární CPU.

3. Sítě procesorů, paralelní systémy a propojovací sítě.

Topologie, komunikace. Symetrický multiprocesing, NUMA architektury.

4. Hierarchický koncept pamětí, správa paměti a MMU, konsistence dat,

protokoly MSI až MOESI, speciální instrukce a atomické operace.

5. Vstupní a výstupní podsystém počítače, řízení vstupů a výstupů.

Periferie, řadič periferie, DMA, řešení konzistence dat při DMA

operacích.

6. Počítačový systém, technické a organizační prostředky.

Zpracování vnějších událostí (přerušení), výjimek, obvody reálného času.

7. Sítě počítačů, topologie sítí, komunikace. Sítě typu LAN, MAN, WAN,

sítě řídicích počítačů.

8. Předávání parametrů funkcím a virtuálním instrukcím operačního systému.

Zásobníkové rámce, registrová okna, přepínání režimů a realizace

systémových volání.

9. Mnohaúrovňová organizace počítače, virtuální stroje. Konvenční

architektura a implementačně závislá mikroarchitektura.

Přenositelný bytecode a virtuální programovací prostředí (Java,

C#/.Net). Virtualizační techniky (např XEN, VMWARE) a

paravirtualizace.

10. Klasická registrově orientovaná architektura s kompletní

instrukční sadou. Principy jsou demonstrovány na architektuře

FreeScale M68xxx/ColdFire. Ukázka realizace MMU, cache, sběrnice

a atd.

11. Procesorová rodina INTEL x86, Od 8086 k EMT64, hlavní zaměření

na 32-bit a 64-bit režimy s krátkým vysvětlením komplikací

způsobených nutností zachování kompatability s 16-bit 8086

a 80286 segmentového přístupu a proč ho současné OS používají

v co nejvíce minimalizované formě. Příklad SIMD instrukcí (MMX, SSE).

12. Krátký přehled architektur RISC a procesorů používaných pro vestavěné

aplikace ARM, ColdFire a PowerPC.

13. Standardní systémové a I/O sběrnice počítačových systémů (ISA,

PCI, PCIexpress, USB, SCSI, SATA, VME,.). Hlavní důraz na důvody

přechodu od paralelních k vícekanálovým sériovým sběrnicím s

paketovou komunikací. Výhody a nevýhody tohoto přístupu pro

reálné řízení.

14. Prostředky pro styk s technologickým procesem, analogové a

diskrétní I/O, sběr a zpracování dat.

Osnova cvičení:

1. Program cvičení, bezpečnost, provozní řád, řízení v reálném čase (RT).

2. Charakteristika a práce v OS Linux,

Úloha 1 - procvičení tvorby algoritmů v jazyku C.

3. Úloha 2 - Procesy, signály.

4. Úloha 3 - Vlákna

5. Úloha 4 - Sockety

6. Úloha 5 - Seriová komunikace

7. Rezerva na řešení úloh 1 - 5.

8. Zadání hlavní úlohy - regulace otáček a polohy motoru. Snímání pomocí IRC,

generování PWM, vizualizace.

9. Test. 3 teoretické otázky z témat probíraných na cvičení a praktická část

ve formě programu.

10. Samostatné řešení hlavní úlohy.

11. Samostatné řešení hlavní úlohy.

12. Samostatné řešení hlavní úlohy.

13 Odevzdání hlavní úlohy, opravný test.

14. Zápočet

Cíle studia:

Předmět seznamuje s architekturou počítačů a studenti poznají funkcionalitu jeho typických podsystémů.

Studijní materiály:

[1] Hennessy, J. L., and D. A. Patterson. Computer Architecture: A

Quantitative Approach, 3rd ed. San Mateo, CA: Morgan Kaufman, 2002.

ISBN: 1558605967.

[2] Hennessy, J. L., and D. A. Patterson. Computer Architecture: A

Quantitative Approach, 2nd ed. San Mateo, CA: Morgan Kaufman, 1995.

ISBN: 1558603727.

[3] Patterson, D. A., and J. L. Hennessy. Computer Organization and

Design: The Hardware/Software Interface, 3rd ed. San Mateo, CA: Morgan

Kaufman, 2004. ISBN: 1558606041.

[4] Pinker, J.: Mikroprocesory a mikropočítače, BEN

http://www.ben.cz/_e/all/121158_mikroprocesory-a-mikropocitace.htm

[5] Hyde, R.: The Art of Assembly Language, 2003, 928 pp.

ISBN-10 1-886411-97-2

ISBN-13 978-1-886411-97

http://webster.cs.ucr.edu/AoA/

[7] Bach., M., J.: The Design of the UNIX Operating System,

Prentice Hall, 1986

[8] Bayko., J.: Great Microprocessors of the Past and Present

http://www.cpushack.com/CPU/cpu.html

Poznámka:

Computer architectures Rozsah výuky v kombinované formě studia: 14p+6c

Další informace:
Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje
Předmět je součástí následujících studijních plánů:
Platnost dat k 18. 10. 2019
Aktualizace výše uvedených informací naleznete na adrese http://bilakniha.cvut.cz/cs/predmet1210606.html