Prednášajúci: prof. Ing. Miloš Drutarovský, CSc.

Cvičiaci (hromadné semináre): prof. Ing. Miloš Drutarovský, CSc.

Anotácia predmetu (2/2s)   

Prehľad riešení architektúr počítačových systémov so zameraním na technické prostriedky počítačov od teoretických princípov ich činnosti, funkcie základných stavebných blokov, štruktúrnu organizáciu počítača, až po architektonické koncepcie moderných počítačových systémov. Komponenty počítačového systému. Architektúra univerzálneho procesora. Inštrukčne orientovaná architektúra. Zobrazenie a uloženie informácií v číslicovom počítači. Počítačová aritmetika a algoritmy. Prúdové spracovanie a paralelizmus. Hierarchická štruktúra pamäťového podsystému. Vstupno-výstupný podsystém. Multiprocesorové počítačové systémy. Počítačové architektúry pre vstavané systémy.

Cieľ predmetu  

V rámci predmetu získa študent informácie o technických prostriedkoch počítačov, od teoretických princípov ich činnosti až po praktické zručnosti návrhu, opisu a testovnia základných stavebných blokov počítača v jazyku VHDL. Na vybraných experimentoch v simulátore procesora s inštrukčne orientovanou architektúrou (ISA - Instruction Set Architecture) otestuje základné funkcie a princípy využívané v CPU s ISA architektúrou, ako napr. funkčnopsť zásobníka, prerušovací systém a vektory prerušení, aritmetické operácie a prácu s príznakmi CPU, spôsoby adresovania údajov v pamäti a registroch, väzbu medzi asemblerom a vyšším programovacím jazykom (jazyk C), prepnutie kontextu CPU a pod. Získané znalosti o komponentoch počítačového systému a algoritmoch používaných systémom pri spracovaní, uchovávaní a prenášaní dát, študent bude schopný uplatniť tak v praktickej sfére, ako aj v teoretickej oblasti informatiky.

Hlavné tématické okruhy:

• Východiská architektonických koncepcií číslicových počítačov
• Stavebné prvky číslicových počítačov
• Počítačová aritmetika a algoritmy
• Inštrukčne orientovaná architektúra
• Centrálna procesorová jednotka
• Prúdové spracovanie a paralelizmus
• Pamäťový podsystém číslicového počítača
• Vonkajšie komunikácie procesora a riadenie vstupno/výstupných operácií
• Multiprocesorové počítačové systémy
• Signálové procesory
• Trendy vo vývoji počítačových architektúr pre vstavané systémy

Vybrané témy budú v jazyku VHDL  prakticky precvičované s využitím  CAE  (angl. Computer Aided Engineering) nástrojov pre prácu s obvodmi FPGA (angl. Field Programmable Gate Arrays) firiem Intel  (do roku 2015 vo vlastníctve firmy Altera) a Mentor Graphics (aktuálne vlastnená firmou Siemens).  Ako základ pre prácu vo VHDL bude v rámaci cvičení využívané vývojové prostredie Quartus Prime firmy Intel,  ktoré je možné voľne stiahnuť a používať v limitovanej Quartus Prime Lite Edition verzii CAE  nástroja Quartus (súčasťou inštalácie je aj limitovaná verzia simulačného programu Modelsim firmy Mentor Graphics, novšou verziu programu QUESTA využívať nebudeme). Základné vlastnosti ISA architektúry a väzba medzi asemblerom a jazykom C budú precvičované s využitím simulačného prostredia uVision firmy ARM Keil, ktoré je možné voľne stiahnuť a používať v limitovanej verzii.  Informácie o cvičeniach, prednáškach a podmienkach udelenia zápočtu nájdete v dokumente APS, témy starých zadaní (budú počas semestra aktualizované) v dokumente APS_zadania (voliteľné bonusové zadanie). 

Odporúčaná literatúra:
1. Hennessy, J. l. - Patterson, D. A.: Computer Architecture: A Quantitative Approach, 5th Edition. Morgan Kaufmann Publishers, Elsevier, 2012.
2. Patterson, D. A. - Hennessy, J. L.: Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, 5th Edition. Morgan Kaufmann Publishers, Elsevier, 2014.
3. Harris, D. - Harris, S.: Digital Design and Computer Architecture, Second Edition, Morgan Kaufmann Publishers, Elsevier, 2013.
4. Jelšina, M.: Architektúry počítačových systémov: princípy, štruktúrna organizácia, funkcia. Elfa s.r.o., Košice, 2002
5. Pinker, J. - Poupa, M.: Číslicové systémy a jazyk VHDL, BEN - Technická literatúra, Praha 2006.

Podklady pre cvičenia:

Na cvičeniach využívané CAE nástroje Quartus a Modelsim, vývojové prostredie ARM Keil a niektoré ďalšie podporné programy si môžu študenti nainštalovať  na svoje počítače podľa tohto návodu (modifikované subory). Limitovaná funkčnosť voľne dostupných verzií je pre náplň cvičení dostatočná. Pre zjednodušenie práce môžu študenti požiť aj obraz virtuálneho počítača pre virtualizačný nástroj Virtual Box, ktorý bude študentoim k dizpozícii  na prvom cvičení.

Moodle TUKE (POZOR: nová verzia TUKE moodle) predmet FEI -> APS_PS.

NANDLAND - stránka venovaná obvodom FPGA a VHDL, s množstvom príkladov (napr. použitie súborov vo VHDL simuláciach) a tutoriálov (napr. ako realizovať simuláciu v Modelsime)

HW prostriedky využívané v rámci iných predmetov vyučovaných na KEMT:

Základné HW vývojové prostriedky na otestovanie funkčnosti veľmi jednoduchých návrhov vo VHDL (využívané v starších predmetoch vyučovaných na KEMT ako alternatíva k HW návrhom pomocou kontaktného poľa):
KEMT CPLD_Kit (schéma, osadenie, testovací_projekt), KEMT USB Blaster

Špecializované vývojové prostriedky pre demonštráciu zložitejších VHDL návrhov, IP funkcií, syntetického procesora, ...
Kit DE10-Lite s obvodom Altera MAX 10 FPGA, využívaný v rámci špecializovaných predmetov na KEMT
 

Prednášky:

Moodle TUKE (POZOR: nová verzia TUKE moodle) predmet FEI -> APS_PS
VHDL Language - Introduction to the design and synthesis of digital systems - kompletné podklady k prednáškam prof. Fischera

Opakovanie aritmetika + ďalšie informácie (pevná a pohyblivá rádová čiarka)
Animácia činnosti jednoduchej CPU,  projekt pre simuláciu činnosti zásobníka v MCU s jadrom 8051 počas inštrukcií ACALL a RET

Zaujímavé prednášly na iných univerzitách
Architektura počítaču na Karlovej univerzite v Prahe

Zaujímavé linky:

História vývoja tranzistora a integrovaného obvodu, prvého mikroprocesora a Bell Labs
Amdahalov zákon
Moorov zákon (originálny článok Gordona Moora), článok o 45 ročnom vývoji CPU, info o počte tranzistorov v najnovších CPU a pamätiach
Quartus tutorials
Návrhové príklady firmy Intel vo VHDL
Laboratórne cvičenia firmy Intel
Quartus Prime Introduction Using VHDL Designs - úvodný manuál o praci s VHDL v Quartuse
Quartus Prime Development Software Handbook - detailná referenčná príručka
VHDL Synth - pravidlá pre písanie syntetizovateľného VHDL kódu
VHDL Language_Reference_Manual - norma IEEE Std 1076, 2000 Edition (pomerne nečitateľný dokument)
The VHDL Cookbook - jedna z klasických kníh (VHDL-87)
VHDL Tutorial: Learn by Example - súbor ukážkových príkladov
Detailný opis aritmetiky s pohyblivou rádovou čiarkou [pdf]
Riešenie firmy Intel na báze FPGA pre akceleráciu dátových centier  [video]  
std_logic vs std_ulogic  [ppt]
Application-Specific Integrated Circuits book - el. verzia knihy
Kniha o bastlení - el. verzia knihy
Digital Design and Computer Architecture

DRAM Timing - vysvetlenie parametrov CAS Latency, RAS to CAS Delay, RAS Precharged  (ďalšie info, drams)
FPGA 4 Students - užitočné projekty a príklady vo VHDL
RS232_Basics - základne informácie o komunikácii pomocou RS232, RS232 kniznica pre Linux/Windows
Co_je_FPGA_a_proč_je_použít?- prehľadový článok na vzvoj.hw.cz