Architektura počítačů

Vztahy:

Předmět B0B35APO nesmí být zapsán, je-li v témže semestru zapsán anebo již dříve absolvován předmět BE5B35APO (vztah je symetrický)

Předmět B0B35APO nesmí být zapsán, je-li v témže semestru zapsán anebo již dříve absolvován předmět B3B35APO (vztah je symetrický)

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

Předmět B0B35APO může být splněn v zastoupení předmětem BE5B35APO

Předmět B0B35APO nesmí být zapsán, je-li v témže semestru zapsán anebo již dříve absolvován předmět B3B35APO (vztah je symetrický)

Předmět B0B35APO může být splněn v zastoupení předmětem B4B35APO

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

Předmět B0B35APO může být splněn v zastoupení předmětem B3B35APO

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra řídicí techniky

Anotace:

Předmět studenty seznámí s architekturou soudobých počítačových systémů, především se základními stavebními prvky, jejich funkcí a vzájemným propojením. Předmět přistupuje k výkladu od popisu hardware a klade důraz na porozumění součinnosti programovací jazyk - assembler - hardware. Po úvodním přehledu funkčních bloků počítače je podrobněji popsána stavba procesoru, paměťový a vstupně výstupní subsystém až po přehledové seznámení s různými síťovými topologiemi a sběrnicemi. Během výkladu je brán zřetel na provázanost hardwarových a softwarových komponent, především nejnižších vrstev operačních systémů, ovladačů zařízení a virtualizačních technik. Obecné principy jsou 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. Reprezentace, zobrazení a přenos informace (především čísel, IEEE-754) v počítači.

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

3. Paměť - hierarchický koncept, technologie pamětí, vyrovnávací paměti - cache, konzistence dat, disková úložiště, zabezpečení dat a RAID

4. Paměť - virtuální paměť, správa paměti, MMU

5. Zřetězené vykonávaní instrukcí, hazardy, vyvažování stupňů zřetězení a časování; Superzřetězení

6. Vstupní a výstupní podsystém počítače, sběrnice, dvoubodové spoje, sítě, PCI a PCI express sběrnice, souvislý režim, HyperTransport, Quickpath Interconnect

7. Vstupní a výstupní podsystém počítače z pohledu software

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

9. Sítě procesorů a počítačů, topologie sítí, komunikace - sítě typu LAN, MAN, WAN, sítě řídicích počítačů

10. Předávání parametrů funkcím a virtuálním instrukcím operačního systému. Zásobníkové rámce, registrová okna, přepínání režimů a realizace systémových volání.

11. Klasické registrově orientované architektury s komplexní instrukční sadou. Ukázka realizace MMU, cache, sběrnice.

12. 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).

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

14. 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.

Osnova cvičení:

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, 4rd ed. Morgan Kaufman, 2006. ISBN: 0123704901.

[2] Patterson, D. A., and J. L. Hennessy. Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, 4rd ed. Morgan Kaufman, 2011. ISBN: 0123747503.

Poznámka:

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

Další informace:

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

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Kybernetika a Robotika 2016 (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - Informatika a počítačové vědy 2016 (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - Internet věcí 2016 (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - Software 2016 (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - Počítačové hry a grafika 2016 (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - před rozřazením do oborů (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - před rozřazením do specializací (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - Základy umělé inteligence a počítačových věd 2018 (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - Internet věcí 2018 (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - Software 2018 (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - Počítačové hry a grafika 2018 (povinný předmět programu)