Arhitektura računala 2

Opis predmeta

U okviru predmeta proučavaju se arhitektonske komponente računalnih sustava: procesor, memorija, sabirnice, ulazno izlazni uređaji. Razmatraju se pristupi oblikovanju kojima se postižu željena svojstva računalnog sustava: performansa, cijena, potrošnja, pouzdanost. Područja glavnog interesa su i) specifičnosti arhitekture računala opće namjene, ii) detalji organizacije arhitektonskih komponenti koji utječu na performansu programa, te iii) iskorištavanje paralelizma na razinama instrukcija, vektorskih instrukcija, odnosno tokova izvođenja ili dretvi.

Opće kompetencije

Studenti se osposobljavaju za rješavanje problema koji se odnose na oblikovanje, konfiguriranje i upotrebu računala opće namjene. Predavanja i vježbe potiču povezivanje važnijih arhitektonskih i organizacijskih koncepata s recentnim analizama slučaja. Studenti se posebno upoznaju s detaljnom organizacijom jednostavnog procesora, mjerenjem performanse, instrukcijskim arhitekturama, protočnim jedinicama s dinamičkim raspoređivanjem, memorijskom hijerarhijom, višeprocesorskim i višejezgrenim sustavima, te posljedicama koje utječu na oblikovanje programske potpore.

Ishodi učenja

  1. Razlikovati uloge glavnih komponenata računala uključujući procesor, memoriju, sabirnice i ulazno-izlazne uređaje
  2. predvidjeti aktivnost na memorijskoj sabirnici jednostavnog procesora kao posljedicu izvođenja kratkih odsječaka strojnog kôda
  3. pokazati implementaciju jednostavnih instrukcija na razini logičkih vrata
  4. rekonstruirati načela oblikovanja instrukcijskih arhitektura RISC i x86
  5. riješiti manje programske zadatke dopunjavajući C asemblerom
  6. rekonstruirati organizaciju superskalarnih procesora s dinamičkim raspoređivanjem
  7. pokazati korake pri generaciji fizičke adrese u prisutnosti priručne i virtualne memorije
  8. objasniti implementaciju grubo zrnatog paralelizma na višejezgrenim i višeprocesorskim računalima

Oblici nastave

Predavanja

Predmet predviđa tri sata predavanja tjedno.

Provjere znanja

Provjere znanja sastoje se od prvog međuispita (40%), završnog ispita (45%) i tri provjere na laboratorijskim vježbama (15%).

Laboratorijske vježbe

Predmet predviđa tri laboratorijske vježbe. http://www.zemris.fer.hr/~ssegvic/ar2/

Konzultacije

Konzultacije se održavaju jednom tjedno u trajanju od dva sata.

Seminari

Studenti mogu dobiti dodatne bodove izrađivanjem tehničkog seminara. Seminar mora biti dogovoren prije međuispita.

Način ocjenjivanja

Kontinuirana nastava Ispitni rok
Vrsta provjere Prag Udio u ocjeni Napomena / komentar Udio u ocjeni
Laboratorijske vježbe 0 % 15 % 40 % 0 %
Međuispit: Pismeni 0 % 40 % 0 %
Završni ispit: Pismeni 0 % 45 %
Ispit: Pismeni 50 % 80 %
Ispit: Usmeni 20 %

Tjedni plan nastave

  1. Uvodno predavanje. Trendovi razvoja tehnologije VLSI, te arhitekture i procesne moći računala. Uloge glavnih komponenata u Von Neumannovom modelu računala, uključujući procesor, memoriju, sabirnice i ulazno-izlazne uređaje. Ostvarivanje dijeljene sabirnice sklopovima s tri logička stanja. Vježbanje zadataka.
  2. Pojednostavljeni model organizacije procesora. Praćenje sabirničke aktivnosti prilikom izvođenja kratkih odsječaka strojnog kôda. Vježbanje zadataka.
  3. Ožičena izvedba upravljanja u 8-instrukcijskom modelu procesora. Implementacija jednostavnih instrukcija na razini logičkih vrata. Komponente upravljačke jedinice: brojilo sekvenci, dekoder, logičko polje, generator taktnog signala. Vježbanje zadataka.
  4. Izvedba upravljanja u modelu mikroprogramiranog procesora: model mikroprogramiranog procesora, struktura mikroprogramirane upravljačke jedinice, formati upravljačkih riječi. Vježbanje zadataka.
  5. Sučelje između arhitekture računala i programske podrške: upravljački stogovi, iznimke, kreiranje izvršnih datoteka, raspored memorije procesa. Vježbanje zadataka.
  6. Klasifikacije arhitektura računala s obzirom na paralelizam (Flynn), izvedbu upravljanja (instrukcije ili podatci), te instrukcijski skup (CISC, RISC, ili VLIW). Performansa računala: uvođenje parametra CPI, SPEC-ove kolekcije evaluacijskih programa. Vježbanje zadataka.
  7. Instrukcijske arhitekture RISC i x86. Put podataka modernog procesora arhitekture RISC. Vježbanje zadataka.
  8. Međuispit - provjera znanja.
  9. Koncept protočne obrade podataka. Strukturni, podatkovni i upravljački konflikti u protočnoj strukturi. Organizacija protočnog procesora arhitekture RISC.
  10. Agresivno iskorištavanje instrukcijskog paralelizma. Superskalarna organizacija. Dinamičko raspoređivanje instrukcija. Preimonovanje registara. Predviđanje grananja. Analize slučaja.
  11. Memorijska hijerarhija. Metode ubrzanja propusnosti radne memorije. Organizacije priručne memorije: izravna, potpuno asocijativna, skupno asocijativna. Algoritmi zamjene blokova. Problem koherentnosti. Analize slučaja. Vježbanje zadataka.
  12. Virtualni memorijski sustav. Fizički i logički adresni prostori. Adresno preslikavanje straničenjem i segmentacijom. Translacijski spremnici i višerazinske stranične tablice. Algoritmi zamjene blokova. Analize slučaja. Vježbanje zadataka.
  13. Oblici i razine paralelizma. Paralelne arhitekture. Višeprocesorski sustavi tipa SIMD. Vektorski procesori.
  14. Višeprocesorski sustavi tipa MIMD. Koherencija priručne memorije u multiprocesorskom sustavu. Sinkronizacija procesa i dretvi. Višejezgreni procesori. Grafički procesori.
  15. Završni ispit

Studijski programi

Obradba informacija -> Računarstvo (Modul)

Računalno inženjerstvo -> Računarstvo (Modul)

Računarska znanost -> Računarstvo (Modul)

Telekomunikacije i informatika -> Računarstvo (Modul)

Literatura

S. Ribarić (2011.), Građa računala, Arhitektura i organizacija računarskih sustava, Algebra
S. Ribarić (1996.), Arhitektura računala RISC i CISC, Školska knjiga
D. A. Patterson J. L. Hennessy (2008.), Computer Organization & Design, Morgan Kaufmann
J. L. Hennessy, D. A. Patterson (2006.), Computer Architecture, A Quantitative Approach, Morgan Kaufmann

Bodovi i izvedba

4 ECTS
R1 Engleski jezik
R1 E-učenje
45 Predavanja
0 Auditorne vježbe
15 Laboratorijske vježbe

Ocjenjivanje

89 izvrstan
76 vrlo dobar
63 dobar
50 dovoljan