Architektury počítačových systémů

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra počítačových systémů

Anotace:

Studenti se seznámí s principy konstrukce vnitřní architektury počítačů s univerzálními procesory na úrovni strojových instrukcí s důrazem na proudové zpracování instrukcí a paměťovou hierarchii. Porozumí základním konceptům RISC a CISC architektur a principům zpracování instrukcí v skalárních procesorech ale i v superskalárních procesorech, které dokážou v jednom taktu vykonat více instrukcí najednou a při tom zajistit korektnost sekvenčního modelu výpočtu. Předmět dále rozpracovává principy a architektury víceprocesorových a vícejádrových systémů se sdílenou pamětí a problematiku paměťové koherence a konzistence v těchto systémech.

Požadavky:

Znalost základů kombinačních a sekvenčních logických obvodů. Znalost fungování počítače na úrovni strojových instrukcí,programování v jazyce strojových instrukcí. Programování v jazyce C, funkce překladače z vyššího programovacího jazyka.

Osnova přednášek:

1. Kvantitativní principy návrhu počítačů, Amdahlův zákon, hodnocení výkonnosti a propustnosti počítačů, CPU výkonnostní rovnice, zkušební úlohy.

2. Architektura souboru instrukcí, taxonomie, procesory RISC vs procesory CISC, jazyky symbolických adres a asemblery.

3. Verilog jako jazyk pro popis HW: syntaxe a sémantika.

4. Inkrementální návrh jednocyklového RISC procesoru. Obecný pohled na řadič procesoru a jeho funkce.

5. Návrh proudově pracujícího RISC procesoru, hazardy a jejich řešení

6. Paměťová hierarchie: skrytá paměť (cache memory), princip, různé implementace (přímo mapovaná, plně asociativní, částečně asociativní).

7. Paměťová hierarchie: virtuální paměť pomocí stránkování a jeho HW podpora v procesorech (MMU).

8. [2] Vícejádrové CPU a víceprocesorové počítače. Koherence skrytých pamětí, MESI protokol, koherence založená na adresářích.

10. Paměťová konzistence, princip a model sekvenční paměťové konzistence, synchronizační instrukce pro přístup do sdílené paměti.

11. Superskalární procesory I: statické (in-order) a dynamické (out-of-order) vykonávání instrukcí, přejmenování registrů (Tomasolův algoritmus).

12. Superskalární procesory II: zpracování paměťových instrukcí, load bypassing/forwarding, spekulativní načítání dat z paměti. Paměťová konzistence na vícejádrovém CPU.

13. Superskalární procesory III: predikce větvení a spekulativní provádění instrukcí.

Osnova cvičení:

Cíle studia:

Studenti rozumějí architekturám počítačů s univerzálními procesory na úrovni strojových instrukcí s důrazem na proudové zpracování instrukcí a paměťovou hierarchii. Získají znalosti základních konceptů RISC a CISC architektur, naučí se, jak moderní počítače pracují a jak jsou konstruovány. Naučí se technologie dnešních procesorů sloužící ke zvýšení rychlosti vykonávání programů. Získají schopnost optimalizovat jejich programy za účelem maximálního využití procesoru. Seznámí se s myšlenkami současných trendů v oblasti počítačových architektur a s tím souvisejícím dopadem na software. Porozumí také principům a architekturám víceprocesorových systémů se sdílenou pamětí a problematice paměťové konzistence u těchto systémů.

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. Hennessy J.L., Patterson D.A. : Computer Architecture: A Quantitative Approach (6th Edition). Morgan Kaufmann, 2017. ISBN 978-0128119051.

3. Shen J. P., Lipasti M. H. : Modern Processor Design. Fundamentals of Superscalar Processors. Waveland Press, 2013. ISBN 978-1478607830.

I

Poznámka:

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

Další informace:

https://courses.fit.cvut.cz/BI-APS/

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bc. program Informatika, pro fázi studia bez oboru, kombi., 2015 - 2020 (VO)
• Bc. obor Bezpečnost a informační technologie, kombi., 2015 - 2019 (povinný předmět oboru)
• Bc. obor Webové a softwarové inženýrství, zaměření Softwarové inženýrství, kombi., 2015 - 2020 (volitelný předmět)
• Bc. specializace Informační bezpečnost, kombi., 2021 (VO)
• Bc. specializace Softwarové inženýrství, kombi., 2021 (VO)
• Bc. obor Bezpečnost a informační technologie, kombinovaná forma studia, 2020 (povinný předmět oboru)