Architektura počítačů

Vztahy:

Předmět B4B35APO může při kontrole studijních plánů nahradit předmět B0B35APO

Předmět B4B35APO nesmí být zapsán, je-li v témže semestru zapsán anebo již dříve absolvován předmět B0B35APO (vztah je symetrický)

Předmět B4B35APO nesmí být zapsán, je-li v témže semestru zapsán anebo již dříve absolvován předmět B0B35APO (vztah je symetrický)

Garant předmětu:

Pavel Píša

Přednášející:

Pavel Píša, Petr Štěpán

Cvičící:

Pavel Píša, Petr Štěpán

Předmět zajišťuje:

katedra řídicí techniky

Anotace:

Předmět seznamuje studující se stavebními prvky počítačových systémů. Předmět přistupuje k výkladu od popisu hardware a tím navazuje na předmět Počítačové a systémy, ve kterém se studující seznámili s kombinačními, sekvenčními obvody a základy stavby procesorů. Po úvodním přehledu funkčních bloků počítače je podrobněji popsána stavba procesoru propojením bloků, paměťový a vstupně výstupní subsystém. Ten je dále přiblížený na příkladech od paralelních sběrnic pro propojení zásuvných karet i subsystémů na čipu. Vysvětlený je i důvod přechodu na rychlé sériové linky. Během výkladu je brán důrazný zřetel na ozřejmění 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 v první části zaměřena na detailní seznámení s činností procesoru. Od programování na úrovni procesoru pak postupují k přímé obsluze portů a hardware s využitím programovacího jazyka C.

Požadavky:

Během druhé půle semestru je potřebná přiměřená znalost jazyka C. Programování v jazyce C lze studovat paralelně s tímto předmětem. Základní znalost práce s příkazovou řádkou a kompilátorem v prostředí splňujícího standard POSIX (např. Linux) je vítaná.

Osnova přednášek:

1. Architektura počítače, struktura, organizace a podsystémy. Opakování logických hradel, sčítačky a násobení.

2. Procesor - ALU, von Neumannova architektura, formát instrukcí, jednocyklový procesor, řadič a řízení.

3. Paměť - hierarchický koncept, technologie pamětí, správa paměti, vyrovnávací paměti cache, konzistence dat.

4. Virtualizace paměti, MMU. Zřetězené vykonávání instrukcí, hazardy, vyvažování stupňů zřetězení a časování.

5. Superskalární architektura, statické (in-order) a dynamické (out-of-order) vykonávání instrukcí v superskalárních procesorech, Tomasulův algoritmus a přechod k přístupu s přejmenováním registrů.

6. Zpracování paměťových instrukcí, spekulativní načítání dat z paměti. Paměťová koherence a konzistence na vícejádrovém CPU.

7. Dynamický instrukční paralelismus. Predikce skoků. Statická predikce, dynamická predikce, Smithovy prediktory, perceptrony.

8. Vstupně-výstupní podsystém počítače, sběrnice, dvoubodové spoje, sítě, PCI a PCI express sběrnice.

9. Vstupně-výstupní podsystém z pohledu software, vestavných systémů a systémů na čipu.

10. Technické a organizační prostředky - vnější události, výjimky, reálný čas, přímý přístup do paměti, autonomní kanál.

11. Základy překladačů, předzpracování, syntaktická, sémantická analýza, mezikód.

12. Předávání parametrů funkcím. Zásobníkové rámce, registrová okna, přepínání režimů a realizace systémových volání. Mnohaúrovňová organizace počítače.

13. 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).

14. Přehled vývoje architektury a koncepcí CPU (RISC/CISC) - procesory RISC-V, ARM, ColdFire, SPARC a PowerPC a procesory pro vestavné aplikace

Osnova cvičení:

1. Seznámení s učebnou.

2. Reprezentace dat v paměti a plovoucí řádová čárka.

3. Instrukční sada procesoru a přepis algoritmu.

4. Hierarchický koncept pamětí, cache - 1. část.

5. Hierarchický koncept pamětí, cache - 2. část.

6. Pipeline a hazardy.

7. Predikce skoků, optimalizace kódu.

8. I/O prostor mapovaný do paměti a PCI sběrnice.

9. Přístup k HW z jazyka C s ohledem i na HW pro semestrální práci.

10. Práce na projektu.

11. Práce na projektu.

12. Práce na projektu.

13. Práce na projektu.

14. Odevzdání projektu.

Cíle studia:

Předmět seznamuje s architekturou počítačů od základních principů a subsystémů až po jejich propojení s vnějším světem, programovým vybavením a nižšími vrstvami operačních systémů.

Studijní materiály:

[1] Patterson, D. A. and Hennessy, J. L.. Computer organization and design RISC-V edition: the hardware/software interface. Second Edition. Cambridge: Elsevier, 2021. ISBN 978-0-12-820331-6

[2] Hennessy, J. L., and Patterson, D. A. Computer Architecture, A Quantitative Approach, 6th Edition, Morgan Kaufman, 2017. ISBN: 978-0-12-811905-1.

Poznámka:

Stránky předmětu: https://cw.felk.cvut.cz/wiki/courses/b35apo/ .

Další informace:

https://cw.felk.cvut.cz/wiki/courses/b35apo/

Rozvrh na zimní semestr 2025/2026:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2025/2026:

Rozvrh není připraven

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Otevřená informatika - před rozřazením do specializací (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - Základy umělé inteligence a počítačových věd 2025 (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - Internet věcí 2025 (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - Software 2025 (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - Počítačové hry a grafika 2025 (povinný předmět programu)