Architektury počítačových systémů

Garant předmětu:

Pavel Tvrdík

Přednášející:

Michal Štepanovský, Pavel Tvrdík

Cvičící:

Michal Štepanovský, Pavel Tvrdík

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. Paměťově mapované I/O.

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. 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:

1. Vyhodnocování výkonnosti počítače

2. ISA a jazyk symbolických adres (assembler) MIPS

3. Programování v JSA (assembleru) MIPS.

4. Verilog jako jazyk pro popis HW

5. Základní komponenty jednoduchého RISC procesoru

6. Proudově pracující procesor

7. Skrytá paměť z pohledu CPU/assembleru

8. Skrytá paměť z pohledu vyššího programovacího jazyka

9. MESI koherenční protokol

10. Paměťová konzistence a synchronizační primitiva

11. Paměťová konzistence z pohledu programátora v C/C++

12. Superskalární procesory

13. Kontrola semestrálních projektů, zápočet

Cíle studia:

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.

Poznámka:

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

Na tento předmět navazuje v magisterském studiu předmět Pokročilé architektury počítačových systémů a také Virtualizace a cloud computing.

Další informace:

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

Rozvrh na zimní semestr 2024/2025:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2024/2025:

Rozvrh není připraven

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Mgr. specializace Počítačová bezpečnost, 2020 (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Návrh a programování vestavných systémů, 2020 (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Počítačové systémy a sítě, 2020 (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Manažerská informatika, 2020 (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Softwarové inženýrství, 2020 (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Systémové programování, verze od 2020 (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Webové inženýrství, 2020 (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Znalostní inženýrství, 2020 (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Teoretická informatika, 2020 (volitelný předmět)
• Mgr. program, pro fázi studia bez specializace, ver. pro roky 2020 a vyšší (volitelný předmět)
• Bc. specializace Informační bezpečnost, 2021 (PS)
• Bc. specializace Manažerská informatika, 2021 (volitelný předmět)
• Bc. specializace Počítačová grafika, 2021 (volitelný předmět)
• Bc. specializace Počítačové inženýrství, 2021 (PS)
• Bc. program, pro fázi studia bez specializace, 2021 (VO)
• Bc. specializace Webové inženýrství, 2021 (volitelný předmět)
• Bc. specializace Umělá inteligence, 2021 (volitelný předmět)
• Bc. specializace Teoretická informatika, 2021 (PS)
• Bc. specializace Softwarové inženýrství, 2021 (volitelný předmět)
• Bc. specializace Počítačové systémy a virtualizace, 2021 (PS)
• Bc. specializace Počítačové sítě a Internet, 2021 (PS, volitelný předmět)
• Study plan for Ukrainian refugees (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Systémové programování, verze od 2023 (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Teoretická informatika, 2023 (volitelný předmět)
• Bc. specializace Informační bezpečnost, 2024 (PS)
• Bc. program, pro fázi studia bez specializace, 2024 (VO)
• Bc. specializace Manažerská informatika, 2024 (volitelný předmět)
• Bc. specializace Počítačová grafika, 2024 (volitelný předmět)
• Bc. specializace Softwarové inženýrství, 2024 (volitelný předmět)
• Bc. specializace Webové inženýrství, 2024 (volitelný předmět)
• Bc. specializace Počítačové sítě a Internet, 2024 (PS, volitelný předmět)
• Bc. specializace Počítačové inženýrství, 2024 (PS)
• Bc. specializace Počítačové systémy a virtualizace, 2024 (PS)
• Bc. specializace Umělá inteligence, 2024 (volitelný předmět)
• Bc. specializace Teoretická informatika, 2024 (PS)