Подробен конспект — Компютърни архитектури

Този конспект обхваща пълния учебен материал по дисциплината Компютърни архитектури, изучавана в специалностите КСТ, ИИ и КС на ОКС бакалавър, 3-ти курс, ТУ-Варна. Материалът е структуриран в 21 теми, които проследяват пътя от основните принципи на архитектурата, през паралелната обработка и конвейерното изпълнение, до архитектурата на паметта и методите за оценка на производителността.

1. Въведение в дисциплината

1.1. Същност на понятието „Компютърна архитектура”
1.2. Основни задачи при разработването на една компютърна архитектура
1.3. Паралелна обработка в компютърните системи
1.4. Програмни нива на паралелната обработка и средства за тяхната реализация

2. Особености в архитектурата на съвременните CISC и RISC компютри

2.1. CISC и RISC процесори
2.2. Същност, предимства и недостатъци на CISC процесорите
2.3. Същност, основни изисквания, предимства и недостатъци на процесорите с RISC архитектура
2.4. Сравнение между основните качества на CISC и RISC процесорите

3. Особености в архитектурата на съвременните компютри: паралелизъм

3.1. Паралелизъм в еднопроцесорните системи
3.2. Паралелизъм в рамките на един процесор
3.3. Паралелен обмен на данни в системата на паметта
3.4. Шината като основна среда за трансфер на данни и команди
3.5. Основни предимства и недостатъци на общата шина
3.6. Основни методи за намаляване недостатъците на общата шина

4. Въведение в паралелната обработка — предимства, нива и оценки

4.1. Необходимост от паралелна обработка
4.2. Основни предимства на паралелните компютри
4.3. Нива на паралелна обработка в компютрите
4.4. Оценка на производителността и ефективността

5. Въведение в паралелната обработка — модели и класификации

5.1. Модели на мащабируемостта
5.2. Закон на Амдал
5.3. Класификации на паралелните компютри
5.4. Класификация на Флин и проблеми на компютрите от отделните групи
5.5. Класификация по степен на свързаност между процесорите
5.6. Паралелни системи за разпределена обработка

6. Конвейерно изпълнение на командите в процесора — въведение

6.1. Същност и принципи на конвейерната обработка
6.2. Оценка за увеличаване на производителността
6.3. Условия за реализация на конвейерна обработка
6.4. Особености на конвейера за команди — определяне на броя и предназначението на степените

7. Конвейерно изпълнение на командите в процесора — същност и проблеми

7.1. Производителност и проблеми при конвейерното изпълнение на команди, свързани с организацията на паметта и броя степени в конвейера
7.2. Работа на конвейера при изпълнение на команди за преход
7.3. Основни подходи за намаляване влиянието на командите за преход
7.4. Междукомандни зависимости — същност и дефиниране
7.5. Откриване и отстраняване на междукомандните зависимости на апаратно и на програмно ниво

8. Конвейерно изпълнение на командите в процесора — примери

8.1. Архитектурни особености на конвейерите в процесорите на Intel от фамилията P5
8.2. Архитектурни особености на конвейерите в процесорите на Intel от фамилията P6
8.3. Архитектурни особености на конвейерите в процесорите на Intel P4P

9. Процесор с множество функционални устройства

9.1. Въведение
9.2. Същност и видове функционални устройства в процесорите
9.3. Необходимост от синхронизация между функционалните устройства в процесорите
9.4. Синхронизация на апаратно ниво
9.5. Проблеми при паралелното изпълнение на командите в различните функционални устройства — причини
9.6. Основни принципи при изпълнение на командите в процесорите с множество функционални устройства
9.7. Стратегии за постигане на по-висока производителност

10. Процесор с множество функционални устройства с програмна синхронизация

10.1. Същност на синхронизацията на програмно ниво
10.2. Формат на командата при процесорите с програмна синхронизация на функционалните устройства
10.3. Основни характеристики на процесорите с програмна синхронизация на функционалните устройства
10.4. Пример: Процесор на Intel Itanium 2
10.5. Сравнение между синхронизацията на апаратно и на програмно ниво: предимства и недостатъци на двата подхода

11. Векторни процесори — принципи и структура

11.1. Въведение
11.2. Принципи на векторната обработка
11.3. Същност на понятията вектор, векторна обработка, векторна команда, конвейер за обработка на вектори
11.4. Структура на векторен процесор — основни функционални блокове
11.5. Изисквания към паметта
11.6. Нива на паралелизъм във векторния процесор

12. Векторни процесори — команди

12.1. Векторни команди — кодове на операциите
12.2. Векторни команди — видове адресация на операндите
12.3. Предимства и недостатъци на различните видове адресация и разположение на данните в паметта
12.4. Особености и способи за съхранение състоянието на процесора след изпълнение на командите

13. Паралелни SMP и MPP компютри с обща и с разпределена памет

13.1. Въведение
13.2. SMP и MPP архитектури на паралелни компютри: същност и обща блокова схема
13.3. Основни качества, предимства и недостатъци на SMP и MPP архитектурите
13.4. Средства за намаляване отрицателния ефект на общата памет при компютрите с SMP архитектура
13.5. Основни изисквания към компютърните системи с масов паралелизъм

14. Паралелни NUMA и кластерни компютри с обща и с разпределена памет

14.1. Компютри с NUMA и cc-NUMA архитектура: същност и обща блокова схема
14.2. Основни качества, предимства и недостатъци на компютрите с NUMA архитектура
14.3. Разпределена споделена памет (DSM) — основно понятие
14.4. Кластерни системи: същност, предназначение и обща блокова схема
14.5. Предимства и недостатъци на кластерните системи

15. Паралелни компютри с разпределена памет — моделиране и подходи за работа

15.1. Абстрактен модел на Хоар за изчисления в MPP компютрите: процес, канал и начин за комуникация между процесите
15.2. Основни проблеми на компютрите с разпределена памет
15.3. PVM и MPI
15.4. Груб и фин паралелизъм
15.5. Балансирано натоварване — причини и реализация

16. Комуникационни мрежи — основни понятия

16.1. Въведение
16.2. Същност, предназначение и основни качества на комуникационните мрежи
16.3. Видове комутация
16.4. Основни въпроси, решавани от всяка комуникационна мрежа
16.5. Същност на топологията и маршрутизацията за една комуникационна мрежа

17. Статични и динамични комуникационни мрежи

17.1. Статични комуникационни мрежи
17.2. Същност и физическият смисъл на параметрите за оценка на статичните комуникационни мрежи
17.3. Видове топологии на статични комуникационни мрежи
17.4. D-измерни n-решетки и кубове
17.5. Динамични комуникационни мрежи — принцип на работа, видове, примери
17.6. Параметри за оценка на динамичните комуникационни мрежи

18. Комуникационни мрежи — примери

18.1. Комутационни елементи за комуникационните мрежи — предназначение и свързване
18.2. Двоичен хиперкуб, Crossbar и Delta мрежа
18.3. Мрежи на Бенес и Клос
18.4. Мрежа Dragonfly

19. Архитектура на паметта в паралелните компютри — организация и достъп

19.1. Същност на вертикалната (йерархична) организация на паметта
19.2. Видове памет при вертикалната организация
19.3. Време за достъп, латентност и ширина на лентата на предаване на паметта
19.4. Същност на хоризонталната организация на паметта
19.5. Видове достъп при хоризонталната организация на паметта — принципи, предимства и недостатъци

20. Архитектура на паметта в паралелните компютри — кеш памет

20.1. Кеш памет: място в йерархичната организация
20.2. Принцип на работа и организация на информацията в кеш паметта
20.3. Основни операции в кеш паметта
20.4. Видове асоциативност при кеш паметта
20.5. Стратегия за заместване на информацията в кеш паметта
20.6. Стратегии за запис в кеш паметта
20.7. Съгласуваност на данните в кеш-паметта на процесорите при SMP системите
20.8. Размер на кешовия блок, латентност и пропускателна способност

21. Производителност на компютъра. Методи за нейното определяне

21.1. Производителност. Видове производителност
21.2. Определяне на производителност чрез метод на измерването
21.3. Измервателни и синтетични програми: същност, предимства, недостатъци и сравнения
21.4. Източници на грешки при измервателните програми
21.5. Определяне на производителността чрез метод на моделирането
21.6. Аналитично моделиране — същност
21.7. Видове аналитични модели, предимства и сравнения между тях
21.8. Имитационно моделиране — същност
21.9. Времето като основа за работата на един имитационен модел
21.10. Основни предимства на имитационния пред аналитичния модел