Számítógép-architektúrák

Az előadások:
Bevezető jellegű ismeretek (1 ea.). Információfeldolgozási modellek megismerése. Vezérlésáramlásos architektúrák: Neumann architektúra, Harvard architektúra, módosított Harvard architektúra.

Perifériakezelés (2 ea.). Dedikált I/O utasítások, és memóriára leképzett perifériakezelés. Forgalomszabályozás. Perifériák jelzéseinek feldolgozása: polling, interrupt, interrupt többprocesszoros környezetben, interrupt moderáció. A processzor tehermentesítése: DMA, I/O processzor. Összeköttetések: busz, pont-pont, soros, párhuzamos, időzítés, arbitráció. Egy-, több-buszos, ill. híd alapú rendszerek. PCI, PCI Express és USB csatolófelületek.

Háttértárolók (1 ea.). Merevlemezek működése: szektor fogalma és részei, zóna rendszerű adattárolás. Az adatátviteli parancsok kiszolgálási idejének főbb összetevői. Parancsok sorbaállítása és soron kívüli ütemezése. SSD háttértárak működése:  Lapok, blokkok fogalma és szerepe. Az írás/olvasás megvalósítása és mellékhatásai. Az öregedés oka és jelentősége. Az SSD vezérlő feladatai.

Memória (4 ea). Szinkron DRAM alapú memóriarendszerek: memóriavezérlő, modul, rank, bank fogalma és működése. DRAM parancsok és azok időzítése, parancsok sorok kívüli végrehajtása. Virtuális tárkezelés: címfordítás, TLB, laptábla implementációk, egyszintű éshierarchikus laptáblák. Cache memória: lokalitási elvek szerepe, cache szervezés, cache szervezés és a virtuális tárkezelés viszonya. Cache tartalom menedzsment: cache szemetelés megelőzése, idő előtti betöltés, blokk csere algoritmusok. Lokalitástudatos programozási technikák.

Processzor (4 ea). Utasításkészletek jellemzői, CISC-RISC stratégiák.
Pipeline utasításfeldolgozás. Egymásrahatások fogalma és kezelése. Egyszerű 5 fokozatú pipeline implementációja. Eltérő késleltetésű aritmetikai műveletek kezelése. Dinamikus ütemezés (soron kívüli utasítás-végrehajtás). A precedenciagráf fogalma, és az adatfolyam-elvű utasításütemezés. Az utasítástároló, a regiszter-átnevezés és a sorrendvisszaállító buffer szerepe és megvalósítása. A pipeline szélesítése: szuperskalár, VLIW és EPIC architektúrák. Elágazásbecslés: jelentősége, ugrási feltétel kimenetelének becslése, ugrási cím becslése. Elágazásbecslés-tudatos programozás.

Párhuzamos feldolgozás (2 ea.). Adatpárhuzamosság: vektorprocesszorok, SIMD utasításkészlet kiegészítések, tömbprocesszorok. Multiprocesszoros rendszerek: explicit párhuzamosság fogalma, több szálat kezelő processzorok, multiprocesszoros rendszerek osztályozása, az osztott tárkezelésből fakadó problémák.

A gyakorlatok:
- Digitális technika ismétlés egy egyszerű hardver-szoftver tervezési feladaton keresztül
- Perifériakezelés: A CPU perifériakezelésre fordított relatív terhelésének kiszámítása polling és interrupt használata esetén
- Háttértárak: HDD késleltetés és átviteli sebesség számítások, SSD írás menedzsment algoritmusok kézi végig követése
- Memóriakezelés: DRAM parancsütemezés, parancskésleltetési idő számítások, virtuális memóriakezelés példák TLB-vel és anélkül
- Cache memória: Cache szervezések gyakorlása, egyszerű C programokra cache hibaarány-számolás és kódoptimalizálás
- Pipeline ütemezés: Alacsony szintű programok ütemezése különféle utasítás pipeline-okra, optimális utasítássorrend meghatározása
- Fejlett pipeline technikák: Függőségi analízis, álfüggőségek eliminálása regiszter átnevezéssel, elágazásbecslő működésének végig követése egyszerű C programrészletekre