APPS - obsah předmětu, studijní materiály

Literatura

Seznam doporučené a doplňkové literatury je uveden u anotace předmětu APPS v IS Edison.

Studijní materiály (pdf):

1. [arch] Architektura počítače - download, eng
2. [asm] Jazyk symbolických instrukcí (Assembler) - download
3. [tech] Technologie výroby číslicových obvodů - download, eng
4. [kom] Komunikace s perifériemi - download, eng
5. [proc] Procesory RISC - download, eng
6. [intel] Procesory CISC: historie procesorů Intel x86 - download, eng
7. [mopo] Monolitické počítače - download, eng
8. [pam] Paměti počítačů - download, eng
9. [dsk] Diskové paměti počítačů (disky) - download, eng
10. [mon] Zobrazovací jednotky - download, eng
11. [cuda] CUDA, počítání na GPU - download
12. [ps] Paralelní systémy - download

Materiály na internetu (dále označované jako i):

1. TTL, CMOS, mirror
2. Princip činnosti počítače, mirror a download
3. Informace o procesorech rodiny x86.
4. www.wikipedia.org - historie x86
5. AMD
6. Intel
7. Postup výroby procesoru Intel - Intel Shows How A CPU Is Made

Další zdroje informací

1. Mikroarchitektura procesorů AMD, Intel a ARM (by Cardyac).
2. Přehled technologií zobrazovacích jednotek
3. Technologie LCD
4. DVI specification
5. DVI lecture

Na přednáškách budou z této literatury vybrány tématické okruhy, odpovídající osnově předmětu. Budou doplněny o další informace, vysvětleny základní pojmy, principy a souvislosti.

Obsah přednášek je proto také jedním z nezbytných zdrojů informací ke zkoušce.

Témata:

1. Architektura počítače.

Koncepce počítače dle von Neumanna a harwardská. Čím je tvořen počítač - CPU, paměť a periférie. Základní princip fungování počítače.

Výhody a nevýhody základních principů činnosti počítače. Výhody a nevýhody von Neumannovy koncepce a harwardské koncepce.

Zdroj informací: [pdf-arch], [i2], přednášky

2. Jazyk symbolických instrukcí, strojové instrukce, Assembler

Registry procesoru, adresování, spojování JSI a C.

Základní instrukce přesunové, bitové, logické, aritmetické.

Skokové instrukce nepodmíněné a podmíněné. Volání funkcí s parametry a návratovými hodnotami.

Zdroj informací: [asm], přednášky

3. Technologie výroby číslicových obvodů.

Téma není součástí osnovy, přesto znalosti toho tématu jsou důležité pro pochopení dalších témat, jako jsou např. mikropočítače a polovodičové paměti počítačů. Pří neznalosti základních principů jako např. fungování diody a bipolárního a unipolární tranzistoru, je potřeba si znalosti doplnit.

V tomto tématu je důležitý hlavně rozdíl mezi bipolárním a unipolárním tranzistorem. Značky tranzistorů. Typy unipolárních tranzistorů.

CMOS, komplementární zapojení invertoru. Nápajení, spotřeba v klidovém a pracovním režimu.

Technologie výroby pro paměti s pevným obsahem.

Zdroj informací: [pdf-tech], [i1].

4. Komunikace s perifériemi

Sběrnice - adresní, datová, řídící. Sdílený a oddělený adresní prostor pro paměť a periférie. Jak se připojuje periférie ke sběrnici, co to je adresní dekodér.

Komunikace metodou vstupně výstupních bran (I/O portů). Komunikace s trvale připravenými perifériemi, použití indikátoru, úplný korespondenční režim (handshake).

Programové řízení obsluhy periférií testováním (pooling), nebo přerušením (interrupt), priority přerušení.

Řízení přenosu dat pomocí DMA řadiče. Důvody existence a princip činnosti DMA.

Použítí komunikačního kanálu, princip činnosti.

Příklad jedné sběrnice: I2C, viz cvičení, zapojení, cyklus sběrnice, adresování, přenos dat.

Zdroj informací: [pdf-kom], [i2], přednášky

5. Procesory CISC a RISC. Procesory RISC.

Problémy vývoje CISC.

Základní konstrukční vlastnosti procesorů RISC.

Zřetězení, princip, přínos, nevýhody.

Plnění fronty instrukcí, predikce skoků statická a dynamická, zpožděný skok, použití prázdných instrukcí.

Konflikty (hazardy) datové a strukturální.

Samostudium: Vyberte si z vyráběných RISC procesorů (posledních 10 let) jeden a popište ho v souladu se základními konstrukčními vlastnostmi RISC.

Zdroj informací: [pdf-proc], přednášky, [i2].

6. Procesory CISC firmy Intel - historie i8086 až i7.

Téma mapuje vývoj procesorů na jedné souvislé vývojové řadě procesorů.

Průřez historií procesorů, velikost registrů, šířka adresní a datové sběrnice, kdy a kde je podpora chráněného (protected) módu a kompatibilita, stupně priorit. Od kdy je podpora multiprocesorových systémů, kdy se objevila podpora rychlé paměti cache L1, kdy byla implementována na čip, kdy byla oddělena datová a instrukční cache, od kdy je na čipu i cache L2, kdy se stala FPU a MMX součástí procesoru.

Pentium-Pro - blokové schéma, princip činnosti, vykonávání instrukcí (spekulativní) mimo pořadí.

Největší konkurentem Intelu je AMD. Procesory AMD K6, K6-2, K6-III, Athlon, Duron. Odchylky od P-Pro a PIII.

Samostudium: vyberter si libovolného následníka procesoru PPro z posledních 10 let a popište ho (zaměřte se na rozdíly proti PPro, složení dokódovací a exekuční jednotky, upořádání jader a cache pamětí).

Zdroj informací: [pdf-intel], přednášky, [i3], [i4], [i5], [i6].

7. Polovodičové paměti statické a dynamické, hierarchické uspořádání paměti počítače.

Základní klasifikace pamětí.

Uspořádání pamětí v počítače: Registry, Cache L1, Cache L2, RWM, disková paměť.

Paměti statické, realizace paměťové buňky, vnitřní organizace, vlastnosti.

Paměti dynamické, realizace paměťové buňky, vnitřní organizace, vlastnosti.

Zdroj informací: přednášky, [pdf-pam], [i2]. V simulátoru lze najít SRAM, DRAM i memristor.

8. Monolitické počítače.

Co to je monolitický počítač, základní konstrukční pravidla a požadavky na monolitické počítače, typická konstrukce M.P.

Organizace paměti a účel: pracovní registr(y), zápisníková paměť, RWM.

Zdroje hodinového signálu, ochrana proti rušení, rozsah napajecího napětí, Brown-Out, Watch-Dog, reset, sleep a stanby režim.

Typické periférie a jejich vlastnosti: obousměrné I/O porty, čítače, časovače, seriové porty USART a I2C, A/D a D/A převodníky, obvody RT, řadiče LCD.

Účel a použití systému přerušeni.

Charakteristika sady strojových instrukcí.

Samostudium: detailní popis jednoho vybraného mikropočítače s RISC jádrem. Např. RP2040 (obrázek 2 v dokumentaci).

Zdroj informací: [mopo], přednášky.

9. Videoadaptéry, monitory.

Základní blokové schéma videodaptéru (řadič, paměť, D/A převodník), princip činnosti.

Reprezentace analogových veličin v digitální podobě.

Principy tvorby obrazu na monitorech s klasickou obrazovkou a na LCD.

Obnovovací frekvence, šířka pásma.

LCD, OLED, E-Ink.

Zdroj informací: [pdf-mon], přednášky, [1], [2], [3], [4].

10. Diskové paměti.

Disková paměťová média. Princip získávání a ukládání informací s magnetickým, optickým a magneto-optickým přenosem.

Organizace dat na pevných discích, CD-ROM a DVD mediích.

Orientační informace o přístupových dobách, přenosových rychlostech a kapacitách jednotlivých medií.

Zdroj informací: [pdf-dsk], přednášky, [i2].

11. GP GPU, CUDA, paralelní systémy

Historie GPU, co to je CUDA, organizace GPU z pohledu CUDA, architektura GPU některé z posledních generací.

Organizace vláken, mřížka, bloky, identifikace vlákna, postup výpočtu - kooperace GPU a CPU.

Zdroj informací: CUDA - úvod a CUDA technologie

Paralelní systémy, [ps-1]: Flynnova taxonomie - str. 73..., Komunikační modely - str. 83..., [ps-2]: SMP, DMP, str. 8-11, [ps-3]: Amdahlův zákon, str. 5.