Οργάνωση Υπολογιστών (ΑΜ)

Το μάθημα "Οργάνωση Υπολογιστών" περιλαμβάνει τη λειτουργία των βασικών μονάδων που αποτελούν ένα υπολογιστικό σύστημα. Ασχολείται με τις βασικές παραμέτρους που αφορούν τη σχεδίαση ενός επεξεργαστή, όπως η οργάνωση, το σύνολο εντολών, η κεντρική μονάδα επεξεργασίας και η κρυφή και η εικονική μνήμη. Περιγράφει την ανάπτυξη ρουτινών λογισμικού σε συμβολική γλώσσα και την εκτέλεσή τους σε έναν επεξεργαστή τύπου RISC (MIPS). Επίσης, αναλύει την τεχνική της διοχέτευσης (pipeline), τις μεθόδους αντιμετώπισης των κινδύνων που εισάγει καθώς και την εφαρμογή της κατά τον σχεδιασμό ενός επεξεργαστή. Τέλος, περιγράφει τη λειτουργία της κρυφής και εικονικής μνήμης και τις τεχνικές για τη βελτίωση των επιδόσεών τους.

Στόχοι Μαθήματος

Οι στόχοι του μαθήματος είναι η σε βάθος κατανόηση των παρακάτω θεμάτων: Οργάνωση (αρχιτεκτονική) επεξεργαστών μειωμένου συνόλου εντολών (Reduced Instruction Set Computers ?RISCs) Σχεδίαση του συνόλου εντολών ενός επεξεργαστή τύπου RISC (MIPS). Εκτέλεση του λογισμικού. Μετάφραση γλώσσας υψηλού επιπέδου σε συμβολική γλώσσα. Εκτέλεση εντολών συμβολικής γλώσσας Αλγόριθμοι εκτέλεσης αριθμητικών πράξεων (πρόσθεση, αφαίρεση, πολ/σμός, διαίρεση) σε επεξεργαστές. Αριθμητική σταθερής και κινητής υποδιαστολής Σχεδίαση κεντρικής μονάδας επεξεργαστή MIPS. Σχεδίαση (υπό-κυκλώματα και διασύνδεση τους) κεντρικής μονάδας ενός κύκλου. Σχεδίαση κεντρικής μονάδας με την τεχνική της διοχέτευσης (pipeline). Αντιμετώπιση κινδύνων (δομικοί, δεδομένων, ελέγχου) σε σχεδιασμούς με διοχέτευση. Λειτουργία κρυφής μνήμης (cache memory) και τις εικονικής μνήμης (virtual memory). Τεχνικές και μέθοδοι σχεδιασμού για τη βελτίωση των επιδόσεων της κρυφής και εικονικής μνήμης.

Προαπαιτούμενες Γνώσεις

Βασικές γνώσεις προγραμματισμού και Ψηφιακής Λογικής Σχεδίασης

Περιεχόμενα

Γενικές έννοιες: Ιστορική Αναδρομή, Εκτέλεση προγράμματος, Απόδοση και κατανάλωσης ενέργειας, Μονό-επεξεργαστικά- & Πολύ-επεξεργαστικά συστήματα. Η γλώσσα του υπολογιστή: Λειτουργίες υλικού, Σύνολο εντολών του MIPS (εντολές αριθμητικών και λογικών πράξεων, εντολές λήψεις απόφασης). Διαδικασίες και συναρτήσεις. Διευθυνσιοδότηση εντολών. Μετάφραση και εκτέλεση προγράμματος. Αριθμητική για υπολογιστικά συστήματα: Αλγόριθμοι πρόσθεσης, αφαίρεσης, πολλαπλασιασμού και διαίρεσης. Αριθμητική κινητής υποδιαστολής. Ο επεξεργαστής: Σχεδίαση κεντρικής μονάδας επεξεργασίας (κυκλώματα χειρισμού δεδομένων και ελέγχου). Διοχέτευση (pipeline) και απόδοση υπολογιστικών συστημάτων. Κίνδυνοι δεδομένων και αντιμετώπιση τους (προώθηση, καθυστέρηση). Κίνδυνοι ελέγχου. Σχεδίαση επεξεργαστή με διοχέτευση. Μνήμη: Τύποι κυκλωμάτων μνήμης. Ιεραρχία μνήμης. Κρυφή μνήμη (cache memory). Βελτίωση απόδοσης κρυφής μνήμης. Εικονική μνήμη