Struktura a architektura počítačů

Garant předmětu:

Hana Kubátová

Přednášející:

Jaroslav Borecký, Martin Kohlík, Hana Kubátová

Cvičící:

Jaroslav Borecký, Elizaveta Denisova, Petr Fišer, René Gál, Peter Guľa, Olha Harielina, Tereza Horníčková, Robert Hülle, Stanislav Jeřábek, Oliver Karvay, Martin Kohlík, Pavel Kubalík, Hana Kubátová, Vít Mašek, Vojtěch Miškovský, Martin Novotný, Jan Řezníček, Adam Staes, Adam Švehla, Tomáš Věžník, Petr Vilímek

Předmět zajišťuje:

katedra číslicového návrhu

Anotace:

Studenti se seznámí se základní architekturou a jednotkami číslicového počítače, porozumějí jejich struktuře, funkci, způsobu realizace (aritmeticko-logická jednotka, řadič, paměť, vstupy, výstupy, způsoby uložení dat a jejich přenosu mezi jednotkami). Logický návrh na úrovni hradel a realizace programem řízeného jednoduchého procesoru je prakticky realizováno v laboratoři s využitím programovatelných obvodů FPGA, jednočipového mikropočítače a moderních návrhových prostředků.

Požadavky:

Základní znalost fyzikálních principů zvláště číslicových obvodů (spínací režim transitorů, způsob realizace registrů, princip uložení informace do paměťového prvku), základy diskrétní matematiky (číselné soustavy, Boolova algebra).

Osnova přednášek:

1. Úvod, základní architektura počítače, programovatelné obvody.

2. Logické obvody, formy jejich popisu, kombinační obvody a jejich realizace na úrovni hradel.

3. Sekvenční obvody a jejich realizace. Synchronní návrh, příklady praktické realizace pomocí hradel a klopných obvodů. Rozdíl mezi Mealyho a Moore automatem.

4. Typické kombinační a sekvenční obvody v číslicových počítačích a jejich realizace (kodéry, sčítačky, čítače, registry).

5. Data, jejich zobrazení a zpracování.

6. Aritmetické operace s čísly se znaménkem. Pevná a pohyblivá řádová čárka.

7. Základní principy realizace aritmetických operací.

8. Instrukce a strojový kód. Architektura souboru instrukcí. Instrukční cyklus.

9. Jazyk symbolických instrukcí. Podprogramy, přerušení.

10. Paměti: struktura paměťového obvodu, statická a dynamická paměť. Lineární kódy.

11. Paměťový systém počítače. Paměťová hierarchie, skrytá paměť (cache).

12. Sběrnice, vstupy a výstupy.

13. Řadič: číslicový návrh v praxi.

Osnova cvičení:

1. Sčítačka, hradla, realizace v přípravku.

2. Booleova algebra, minimalizace, hradla.

3. Kombinační obvody, převodníky.

4. Minimalizace, realizace pomocí hradel, logické funkce.

5. Sekvenční obvody, čítač, detekce správné posloupnosti.

6. Sekvenční návrh, graf přechodů, tabulka, realizace D klop. obvodem a hradly.

7. Architektura AVR procesoru, první vzorový program.

8. Aritmetika, sčítání, záporná čísla, přetečení, doplňkový kód.

9. Program - posuvy, ASCII.

10. Test, zadání dom. úkolu, asembler.

11. Práce na dom. úkolu - zobrazeni na displeji

12. Programy na aritmetiku, posuvy a zobrazeni na periferie.

13. Předvedení výsledků. Zápočet.

Cíle studia:

Předmět poskytuje základní znalost principů, jak je postaven číslicový počítač, jakým způsobem se v něm realizují operace, co je to strojový kód a jaká je vazba na vyšší programovací jazyky.

Studijní materiály:

1. Patterson D. A., Hennessy J. L. : Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface (5th Edition). Morgan Kaufmann, 2014. ISBN 978-0128012857.

2. Wakerly J. F. : Digital Design: Principles and Practices (5th Edition). Pearson, 2018. ISBN 978-0134460093.

3. Mano M.M., Ciletti M.D. : Digital Design: With an Introduction to the Verilog HDL, VHDL, and SystemVerilog (6th Edition). Pearson, 2017. ISBN 978-0134549897.

4. Kubátová H. : Struktura a architektura počítačů s řešenými příklady. ČVUT Praha, 2016. ISBN 978-80-01-06410-8.

Poznámka:

Informace o předmětu a výukové materiály naleznete na https://courses.fit.cvut.cz/BI-SAP/

Rozvrh na zimní semestr 2023/2024:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2023/2024:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po	místnost T9:155 Novotný M. 14:30–16:00 SUDÝ TÝDEN (paralelka 1) Dejvice Posluchárnamístnost T9:155 Novotný M. 16:15–17:45 SUDÝ TÝDEN (paralelka 2) Dejvice Posluchárna místnost T9:155 Novotný M. 14:30–16:00 LICHÝ TÝDEN (paralelka 3) Dejvice Posluchárnamístnost T9:155 Novotný M. 16:15–17:45 LICHÝ TÝDEN (paralelka 4) Dejvice Posluchárna
Út	místnost TH:A-1042 Jeřábek S. Mašek V. 07:30–09:00 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost T9:105 Kubátová H. Kohlík M. 11:00–12:30 (přednášková par. 1) Dejvice Posluchárnamístnost TH:A-1042 Řezníček J. Karvay O. 14:30–16:00 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Kubalík P. Vilímek P. 16:15–17:45 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Kubalík P. Vilímek P. 18:00–19:30 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborka místnost TH:A-1042 Řezníček J. Karvay O. 11:00–12:30 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost T9:105 Kubátová H. Borecký J. 12:45–14:15 (přednášková par. 2) Dejvice Posluchárna
St	místnost TH:A-1042 Hülle R. Miškovský V. 11:00–12:30 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Hülle R. Miškovský V. 12:45–14:15 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Kohlík M. Hülle R. 14:30–16:00 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Kohlík M. Věžník T. 16:15–17:45 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Kohlík M. Věžník T. 18:00–19:30 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborka
Čt	místnost TH:A-1042 Řezníček J. Gál R. 07:30–09:00 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Borecký J. Gál R. 09:15–10:45 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Borecký J. Staes A. 11:00–12:30 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Fišer P. Staes A. 12:45–14:15 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Fišer P. Švehla A. 14:30–16:00 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Švehla A. Horníčková T. 16:15–17:45 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Švehla A. Horníčková T. 18:00–19:30 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborka
Pá	místnost TH:A-1042 Borecký J. Vilímek P. 09:15–10:45 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Borecký J. Vilímek P. 11:00–12:30 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Hülle R. Řezníček J. 12:45–14:15 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborkamístnost TH:A-1042 Hülle R. Řezníček J. 14:30–16:00 Thákurova 7 (budova FSv) Hlavickova laborka

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bc. specializace Informační bezpečnost, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Manažerská informatika, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Počítačová grafika, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Počítačové inženýrství, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. program, pro fázi studia bez specializace, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Webové inženýrství, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Umělá inteligence, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Teoretická informatika, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Softwarové inženýrství, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Počítačové systémy a virtualizace, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Počítačové sítě a Internet, 2021 (povinný předmět programu)