Notatki – Architektura Systemów Komputerowych

System komputerowy

• Układ współdziałania sprzętu, oprogramowania oraz (coraz częściej) sieci

• 3 warstwy: sprzęt ➔ system operacyjny ➔ aplikacje

Kryteria i klasyfikacje architektur

• Ile/jakich procesorów? Ile/jakich pamięci? Sposób połączenia (statyczne/dynamiczne)

• Klasyfikacje:
  • wg Flynna: $\text{SISD},\text{SIMD},\text{MISD},\text{MIMD}$
  • wg liczby/rodzaju CPU: skalarne, wektorowe, kwantowe, chemiczne
  • ziarnistość przetwarzania: coarse / fine
  • gospodarka pamięcią: wspólna/rozproszona
  • synchroniczność: synchronous vs asynchronous
  • komunikacja: loosely- vs tightly-coupled, multiprocessor vs multicomputer

• SMP, ASMP, NUMA, AMP, MPP

• Model pamięci: von Neumanna, harwardzki, mieszany

Ewolucja technologii

• Lampy ➔ tranzystory (1948) ➔ układy scalone (1959) ➔ VLSI (koniec 70.)

• Wzrost mocy: $350\;\text{flop/s}\;(1945) \Rightarrow 1.1\;\text{PFlop}\;(2022)$

• Prawo Moore’a: liczba tranzystorów podwaja się co ~24 miesiące

• Stopnie scalenia: SSI < MSI < LSI < VLSI < ULSI

Algebra Boole’a

• Zbiór ${0,1}$, operacje: suma ($+$), iloczyn ($\cdot$), negacja ($\overline{a}$)

• Aksjomaty: przemienność, łączność, rozdzielność, De Morgana itd.

Układy logiczne

• Kombinacyjne: wyjście zależy tylko od wejść

• Sekwencyjne: zależność od wejść + stanu wewn.
  • Struktura Mealy: $Y^t = \lambda(Q^t,X^t)$
  • Struktura Moore: $Y^t = \lambda(Q^t)$

• Synchroniczne (zegara) vs asynchroniczne (brak zegara)

Podstawowe bramki

• BUF, NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR

• Systemy funkcjonalnie pełne: {AND,OR,NOT}, {NOR}, {NAND} …

Układy kombinacyjne przykład

• Multiplekser (MUX): wybór $x<em>i$ adresowanym $a</em>j$

• Demultiplekser: odwrotność MUX

Układy sekwencyjne przykład

• Przerzutnik D (zbocze/przebieg, sync/async)

• Liczniki: up, down, rewersyjne, modulo $n$

Pamięci półprzewodnikowe

• RAM: SRAM (szybka, $\neg$ odświeżania, cache) vs DRAM (tańsza, wymaga refresh, RAM główna)

• ROM: ROM, PROM, EPROM, EEPROM, FLASH

• Hierarchia: rejestry ➔ cache ➔ RAM ➔ dysk/SSD/opt.

• Parametry: czas dostępu, cyklu, przepustowość, pobór mocy

• Kodowanie błędów: parzystość, suma kontrolna, Hamming

CPU

• Def. jednostka wykonująca rozkazy; długość słowa (np. 64-bit)

• Cykl rozkazowy: fetch ➔ decode ➔ opcjonalne fetch argumentu ➔ execute ➔ writeback

• Rejestry x86: ogólne (AX,BX,CX,DX), wskaźnikowe (RBP,RSP,RIP), segmentowe (CS,DS,SS,ES)

• Dekodowanie instrukcji (opcody, adresy źródło/cel)

Pamięć i magistrale

• Szyny: adresowa, danych, sterująca

• Endianness (mało/dużo-porządkowy zapis w pamięci)

• Interleaving dla konfliktów dostępu w pamięci wspólnej

Asembler (MASM/NASM/FASM/GAS/…)

• Asemblacja: mnemoniki ➔ kod maszynowy

• Zalety: szybki, mały kod, pełna kontrola; wady: nieprzenośny, trudniejsze utrzymanie

• Dyrektywy (.model .data .code .stack)

• Instrukcje: MOV, ADD, SUB, CMP, INC/DEC, AND/OR/XOR/NOT, JMP, CALL, RET, PUSH/POP

• Przerwania DOS: $\text{INT }21h$ (funkcje 01h–4Ch itd.)

• Makra, procedury, stos (LIFO, PUSH/POP)

• Rozszerzenia SIMD: MMX, SSE (operacje packed, saturacja)

Przerwania

• Źródła: sprzętowe, programowe, wyjątkowe, zegarowe, uszkodzenia

• Obsługa: zachowaj stan ➔ procedura ISR ➔ przywróć ➔ kontynuacja

• Priorytety, wektor przerwań

Systemy wbudowane (Embedded)

• Układ mikroprocesorowy dedykowany urządzeniu, wysoka niezawodność

• Mikrokontroler = CPU + RAM/ROM + I/O + układy analogowe (ADC/DAC, PWM, UART, SPI, I²C, USB …)

• Kryteria: koszt, zużycie energii, real-time

Systemy czasu rzeczywistego

• RTS: spełnia warunki logiczne i czasowe $t<em>{odpowiedzi}\le T</em>{max}$

• Hard vs Soft real-time

• Wymagania RTOS: priorytety, wywłaszczanie, determinizm, dziedziczenie priorytetów, dokumentacja

• Przykłady RTOS: VxWorks, QNX, RT-Linux, FreeRTOS, Windows CE …

Mikrokontroler 8051 i DSM-51

• Architektura: 4 KB ROM, 128 B RAM, 4 porty I/O, timery, UART, wektor przerwań

• DSM-51: płytka uruchomieniowa, monitor, RS-232, klawiatura, LCD, buzzer, izo­lowane I/O, ADC/DAC

• Przykłady kodu: miganie diody, wyświetlanie na LCD, kalkulator mnożenia

PLC (Programmable Logic Controller)

• Mikroprocesorowy sterownik przemysłowy, cykliczny obieg pamięci programu (scan cycle)

• Programowanie wg IEC 61131-3:
  • LD – Ladder Diagram (drabinka)
  • FBD, ST, IL, SFC

• Elementy LD: styki (NO/NC), cewki, timery (TON), liczniki (CTU/CTD)

• Cykl PLC: read inputs ➔ execute logic ➔ diagnostics/comms ➔ write outputs

• Przykłady: sterowanie napełnianiem zbiornika (histereza HH-LL), START/STOP silnika

• Sieci przemysłowe: Modbus, Profibus, CAN, AS-i, Industrial Ethernet

Asemblery porównanie

• MASM (Intel, Windows), TASM (objektowy), NASM/YASM (BSD, multiplatform), FASM (self-hosting, MenuetOS), GAS (AT&T, Linux)

• Różnice: składnia (Intel vs AT&T), makra, struktury, preprocesor, obsługa 64-bit, licencjonowanie

Koprocesor x87 (FPU)

• 8 rejestrów $80\,\text{bit}$ tworzących stos, rejestry: status, control, tag

• Format liczb: 32-, 64-, 80-bit float; 16-, 32-, 64-bit integer

• Instrukcje: FLD/FST, FADD/FSUB/FMUL/FDIV, FSQRT, FABS, trigonometry, FPREM; konwersje FILD/FIST

• Przykład: obliczenie iloczynu skalarnego $\sum a<em>ib</em>i$ przy użyciu FSQRT/FPREM

Egzamin

• Forma: pisemna, ~10 pytań, 60 min

• Skala: 10 pkt/pytanie, zaliczenie $\ge 50\,\text{pkt}$

Dokument opracowany na podstawie materiałów dr inż. Leszka Puzio, wykłady „Architektura systemów komputerowych i wbudowanych”.