ECE8130 Οργάνωση Η/Υ

Το μάθημα περιλαμβάνει εισαγωγή στην Άλγεβρα Boole, βασικές συνδυαστικές πύλες, πίνακες αληθείας, απλοποίηση με χάρτες Karnaugh, απλοποίηση με τη μέθοδο Quine-McCluskey, ακολουθιακά στοιχεία και κυκλώματα, διαγράμματα και πίνακες καταστάσεων, σχεδίαση ακολουθιακών κυκλωμάτων, ελαχιστοποίηση καταστάσεων, μνήμες RAM, αλγοριθμικές μηχανές καταστάσεων (Finite State Machines), γενική περιγραφή της οργάνωσης ενός Η/Υ, εισαγωγή στη συμβολική γλώσσα μηχανής (assembly) με έμφαση στην assembly του επεξεργαστή MIPS, υποστήριξη διαδικασιών (procedures) στο υλικό (hardware) ενός Η/Υ, μικρο-αρχιτεκτονική επεξεργαστών MIPS, υλοποίηση μικρο-αρχιτεκτονικής ενός κύκλου μηχανής, τμήμα ελέγχου και τμήμα δεδομένων, μικρο-αρχιτεκτονική διοχέτευσης (pipeline), προβλήματα που δημιουργεί η διοχέτευση όπως δομικά λάθη, λάθη δεδομένων και λάθη ελέγχου (structural, data, control hazards), ιεραρχία μνήμης και μνήμες cache. Απόδοση συστήματος με ιεραρχία μνήμης, εικονική μνήμη (Virtual Memory).

Το μάθημα αποτελεί βασικό εισαγωγικό μάθημα στη δομή και τη λειτουργία ενός σύγχρονου συστήματος Ηλεκτρονικού Υπολογιστή. Η ύλη του στοχεύει στο να εισάγει στους φοιτητές τις αρχές της ψηφιακής λογικής, της λειτουργίας και της δομής ενός σύγχρονου επεξεργαστικού συστήματος και της διασύνδεσης λογισμικού και υλικού μέσω του αρχιτεκτονικής συνόλου εντολών.
Στο πρώτο μέρος του μάθηματος, η ύλη επικεντρώνεται στη θεωρητική θεμελίωση της Άλγεβρας Boole. Στην συνέχεια στην μελέτη συνδυαστικών κυκλωμάτων χωρίς στοιχεία μνήμης και σε ζητήματα σχεδίασης και ελαχιστοποίησης κυκλωμάτων δύο ή και περισσότερων μεταβλητών καθώς και ζητήματα σχεδίασης προγραμματιζόμενων συνδυαστικών κυκλωμάτων. Στη συνέχεια γίνεται μια εισαγωγή στη σχεδίαση ακολουθιακών κυκλωμάτων που περιέχουν στοιχεία μνήμης.
Το δεύτερο μέρος του μαθήματος χρησιμοποιεί τις γνώσεις ψηφιακής σχεδίασης που ανεπτύχθησαν στο πρώτο μέρος για να εισάγει τις έννοιες της οργάνωσης και σχεδίασης ενός σύγχρονου επεξεργαστή. Αναλύονται οι βασικές αρχές της αρχιτεκτονικής συνόλου εντολών ενός επεξεργαστή (assembly) με έμφαση στην σχέση μεταξύ της γλώσσας assembly, των γλωσσών προγραμματισμού υψηλού επιπέδου και του επεξεργαστή. Στην συνέχεια περιγράφεται και αναλύεται η βασική δομή του επεξεργαστή ενός κύκλου μηχανής ως μιας διατάξης υλικού που ερμηνεύει και εκτελεί τις εντολές assembly. Βελτιστοποιήσεις στις μετρικές απόδοσης ενός επεξεργαστή με την χρήση διοχέτευσης (pipeline) και ιεραρχίας μνήμης θα περιγραφούν στα πλαίσια του μαθήματος.