Popis předmětu - AD4B35APO

Přehled studia | Přehled oborů | Všechny skupiny předmětů | Všechny předměty | Seznam rolí | Vysvětlivky               Návod
AD4B35APO Architektury počítačů
Role:  Rozsah výuky:14KP+6KC
Katedra:13135 Jazyk výuky:CS
Garanti:  Zakončení:Z,ZK
Přednášející:  Kreditů:6
Cvičící:  Semestr:L

Anotace:

Předmětem studenty seznámí se stavebními prvky počítačových systémů. Předmět přistupuje k výkladu od popisu hardware a tím navazuje na předmět Struktury počítačových systémů, ve kterém se studenti seznámili s kombinačními, sekvenčními obvody a základu stavby procesorů. Po úvodním přehledu funkčních bloků počítače je podrobněji popsána stavba procesoru, jejich propojování, paměťový a vstupně výstupní subsystém až po přehledové seznámení s různými síťovými topologiemi a sběrnicemi. Během výkladu je brán důrazný zřetel na ozřejmení 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 naopak zaměřena na softwarový pohled na počítačový systém, kdy studenti postupně přecházejí od výuky základů multithreadového programování k přímé obsluze portů a hardware.

Cíle studia:

Předmět seznamuje s architekturou počítačů a studenti poznají funkcionalitu jeho typických podsystémů.

Osnovy přednášek:

1. Architektura počítače, struktura, organizace a podsystémy.
Reprezentace, zobrazení a přenos informace (především čísel, IEEE-754) v počítači.
2. Vývoj koncepcí a technik CPU. Porovnaní přístupů RISC (load-store)
CISC procesorů. Pipeline, predikce skoků a super-skalární CPU.
3. Sítě procesorů, paralelní systémy a propojovací sítě.
Topologie, komunikace. Symetrický multiprocesing, NUMA architektury.
4. Hierarchický koncept pamětí, správa paměti a MMU, konsistence dat,
protokoly MSI až MOESI, speciální instrukce a atomické operace.
5. Vstupní a výstupní podsystém počítače, řízení vstupů a výstupů.
Periferie, řadič periferie, DMA, řešení konzistence dat při DMA operacích.
6. Počítačový systém, technické a organizační prostředky.
Zpracování vnějších událostí (přerušení), výjimek, obvody reálného času.
7. Sítě počítačů, topologie sítí, komunikace. Sítě typu LAN, MAN, WAN,
sítě řídicích počítačů.
8. Předávání parametrů funkcím a virtuálním instrukcím operačního systému.
Zásobníkové rámce, registrová okna, přepínání režimů a realizace systémových volání.
9. 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.
10. Klasická registrově orientovaná architektura s kompletní
instrukční sadou. Principy jsou demonstrovány na architektuře FreeScale M68xxx/ColdFire. Ukázka realizace MMU, cache, sběrnice a atd.
11. 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).
12. Krátký přehled architektur RISC a procesorů používaných pro vestavěné
aplikace ARM, ColdFire a PowerPC.
13. Standardní systémové a I/O sběrnice počítačových systémů (ISA,
PCI, PCIexpress, USB, SCSI, SATA, VME,.). Hlavní důraz na důvody přechodu od paralelních k vícekanálovým sériovým sběrnicím s paketovou komunikací. Výhody a nevýhody tohoto přístupu pro reálné řízení.
14. Prostředky pro styk s technologickým procesem, analogové a diskrétní I/O, sběr a zpracování dat.

Osnovy cvičení:

1. Program cvičení, bezpečnost, provozní řád, řízení v reálném čase (RT).
2. Charakteristika a práce v OS Linux,
Úloha 1 - procvičení tvorby algoritmů v jazyku C.
3. Úloha 2 - Procesy, signály.
4. Úloha 3 - Vlákna
5. Úloha 4 - Sockety
6. Úloha 5 - Seriová komunikace
7. Rezerva na řešení úloh 1 - 5.
8. Zadání hlavní úlohy - regulace otáček a polohy motoru. Snímání pomocí IRC,
generování PWM, vizualizace.
9. Test. 3 teoretické otázky z témat probíraných na cvičení a praktická část
ve formě programu.
10. Samostatné řešení hlavní úlohy.
11. Samostatné řešení hlavní úlohy.
12. Samostatné řešení hlavní úlohy.
13 Odevzdání hlavní úlohy, opravný test.
14. Zápočet

Literatura:

[1] Hennessy, J. L., and D. A. Patterson. Computer Architecture: A Quantitative Approach, 3rd ed. San Mateo, CA: Morgan Kaufman, 2002.
ISBN: 1558605967.
[2] Hennessy, J. L., and D. A. Patterson. Computer Architecture: A Quantitative Approach, 2nd ed. San Mateo, CA: Morgan Kaufman, 1995.
ISBN: 1558603727.
[3] Patterson, D. A., and J. L. Hennessy. Computer Organization and
Design: The Hardware/Software Interface, 3rd ed. San Mateo, CA: Morgan Kaufman, 2004. ISBN: 1558606041.
[4] Pinker, J.: Mikroprocesory a mikropočítače, BEN
http://www.ben.cz/_e/all/121158_mikroprocesory-a-mikropocitace.htm
[5] Hyde, R.: The Art of Assembly Language, 2003, 928 pp.
ISBN-10 1-886411-97-2 ISBN-13 978-1-886411-97 http://webster.cs.ucr.edu/AoA/
[7] Bach., M., J.: The Design of the UNIX Operating System,
Prentice Hall, 1986
[8] Bayko., J.: Great Microprocessors of the Past and Present
http://www.cpushack.com/CPU/cpu.html

Požadavky:

Přiměřená znalost jazyka C, základní orientace v oblasti logických a sekvenčních obvodů. Základní znalost práce s příkazovou řádkou a kompilátorem v prostředí splňujícího standard POSIX (např. Linux) je vítaná.Stránky předmětu: https://moodle.dce.fel.cvut.cz/

Poznámka:

Computer architectures Rozsah výuky v kombinované formě studia: 14p+6c

Předmět je zahrnut do těchto studijních plánů:

Plán Obor Role Dop. semestr

Stránka vytvořena 14.3.2025 15:50:53, semestry: Z/2025-6, L/2024-5, L/2025-6, Z/2024-5, připomínky k informační náplni zasílejte správci studijních plánů Návrh a realizace: I. Halaška (K336), J. Novák (K336)
Za obsah odpovídá: doc. RNDr. Veronika Sobotíková, CSc.