Αρχιτεκτονικές Υπολογιστών

Διδάσκοντες Απόστολος Μηλιώνης
Ελένη-Λασκαρίνα Μακρή
Κατηγορία μαθήματος Κ
Κωδικός μαθήματος ΨΣ-201
Πιστωτικές μονάδες 5
Ώρες μαθήματος 3 ώρες
Ώρες εργαστηρίων 2 ώρες
Ηλεκτρονικό υλικό Προβολή στον Εύδοξο (Open e-Class)

Μαθησιακά Αποτελέσματα

Στόχος του μαθήματος είναι η εξοικείωση των φοιτητών με τη δυαδική λογική, τις βασικές ­μεθόδους και διαδικασίες σχεδίασης ψηφιακών κυκλωμάτων καθώς και με τα βασικά χαρακτηριστικά και οργάνωση των δομικών μονάδων ενός Υπολογιστικού Συστήματος.

Με την ολοκλήρωση του μαθήματος οι φοιτητές θα αποκτήσουν θεμελιώδεις γνώσεις στη Λογική Σχεδίαση και την Αρχιτεκτονική Υπολογιστών (βλ. Περιεχόμενο Μαθήματος) που επιτρέπουν την κριτική εμβάθυνση στο ευρύτερο επιστημονικό πεδίο της Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών, περιλαμβανομένων των μικροεπεξεργαστικών και μικροϋπολογιστικών συστημάτων.

Οι φοιτητές θα έχουν τη δυνατότητα:

  • να εκτελούν αριθμητικούς υπολογισμούς στα αριθμητικά συστήματα και στα πρότυπα αναπαράστασης αριθμών που απαντώνται στην Αρχιτεκτονική των Υπολογιστών.
  • να σχεδιάζουν, βελτιστοποιούν, υλοποιούν και αναλύουν σύνθετα συνδυαστικά και ακολουθιακά κυκλώματα με πλήθος δομικών στοιχείων (πύλες, κυκλώματα SSI και MSI, πολυπλέκτες, flip-flops κλπ).
  • να αξιολογούν την επίδοση των δομικών στοιχείων της Αριθμητικής και Λογικής Μονάδας της Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας.
  • να αξιολογούν και συγκρίνουν την επίδοση υπολογιστικών συστημάτων λαμβάνοντας υπόψη τη δομή και οργάνωσή τους, περιλαμβανομένης της ιεραρχίας μνήμης, της θετικής επίδρασης της κρυφής μνήμης, και βαθμίδων μερικώς επικαλυπτόμενων λειτουργιών.
  • να αποφασίσουν τη δομή της ιεραρχίας μνήμης του υπολογιστικού συστήματος για τη βελτίωση της επίδοσής του, λαμβάνοντας υπόψη το κόστος.
  • να υλοποιούν αποδοτικά προγράμματα με χρήση γλωσσών προγραμματισμού λαμβάνοντας υπόψη την απεικόνισή τους στο επίπεδο της αρχιτεκτονικής του υλικού.
  • να υλοποιούν και αναλύουν προγράμματα σε συμβολική γλώσσα σε διαφορετικές αρχιτεκτονικές συνόλου εντολών (αρχιτεκτονικές στοίβας, συσσωρευτή, καταχωρητή-μνήμης, καταχωρητή-καταχωρητή).
  • να υλοποιούν βελτιστοποιημένα προγράμματα σε συμβολική γλώσσα για επεξεργαστές μερικών επικαλυπτόμενων λειτουργιών.

Περιεχόμενα

  • Εισαγωγή: Ψηφιακά Συστήματα, Ιστορικά Στοιχεία.
  • Αριθμητικά Συστήματα: Δυαδικό, Οκταδικό, Δεκαεξαδικό, Μετατροπές μεταξύ Συστημάτων.
  • Πράξεις στο Δυαδικό Σύστημα, Χρήση Συμπληρωμάτων, Δυαδικοί Κώδικες.
  • Λογικές Πύλες. Άλγεβρα Boole (Αξιώματα – Λογικές Πράξεις).
  • Πίνακες Αληθείας, Χάρτες Karnaugh για απλοποίηση λογικών παραστάσεων, παραδείγματα σχεδίασης συνδυαστικών λογικών κυκλωμάτων, υλοποίηση συνδυαστικών κυκλωμάτων με πύλες NAND/NOR/κυκλώματα SSI/MSI/πολυπλέκτες.
  • Εισαγωγή στα Σύγχρονα Ακολουθιακά Κυκλώματα. Flip – Flops (D, T, RS και JK-type).
  • Σχεδίαση Μετρητών – Καταχωρητών – Καταχωρητών Ολίσθησης.
  • Διαδικασία Σχεδίασης και Ανάλυσης Σύγχρονων Ακολουθιακών Kυκλωμάτων.
  • Δομή, Οργάνωση και Λειτουργία Υπολογιστών, Von Neumann Αρχιτεκτονική.
  • Μορφές Αναπαράστασης Δεδομένων (Σταθερή και Κινητή Υποδιαστολή).
  • Αρχιτεκτονικές Συνόλου Εντολών, Συμβολική Γλώσσα.
  • Οργάνωση και Λειτουργία Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας. Μονάδα Ελέγχου.
  • Ιεραρχία Μνήμης, Τύποι Διευθυνσιοδότησης, Σχεδίαση και Διευθυνσιοδότηση Μνημών Τυχαίας Προσπέλασης, Διασύνδεση Μνήμης με την Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας.
  • Ιδεατή Μνήμη, Σελιδοποίηση, Τμηματοποίηση.
  • Κρυφή Μνήμη, Τεχνικές Οργάνωσης Κρυφής Μνήμης.
  • Αξιολόγηση Επίδοσης Υπολογιστών.
  • Επεξεργαστές Μερικών Επικαλυπτόμενων Λειτουργιών (pipeline).

Προτεινόμενα Συγγράμματα

  • Patterson D. & Hennessy J. (2010): Οργάνωση και Σχεδίαση Υπολογιστών, η Διασύνδεση Υλικού και Λογισμικού, Τόμοι Α & Β, 4η αμερικάνικη έκδοση (μεταφρασμένο), Εκδόσεις Κλειδάριθμος.
  • Νικολός Δ. (2017): Αρχιτεκτονική Υπολογιστών, Εκδόσεις Π. Παπακωνσταντίνου.
  • M. Mano (2018): Ψηφιακή Σχεδίαση. Εκδόσεις Παπασωτηρίου.
  • Hennessy J. and Patterson A.: Αρχιτεκτονική Υπολογιστών: Ποσοτική Προσέγγιση, 4η Έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα.
  • Stallings W. (2017): Οργάνωση και Αρχιτεκτονική Υπολογιστών, 10η Έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα.
  • C. Hammacher, Z. Vranesic, S. Zaky (2007): Οργάνωση και Αρχιτεκτονική Ηλεκτρονικών Υπολογιστών. Εκδόσεις Επίκεντρο.
  • Hayes J. (1997): Computer Architecture and Organization, 3rd Edition, McGraw-Hill.
  • V. Nelson, H.T. Nagle, J.D. Irwin, B. Carrol (2007): Ανάλυση και Σχεδίαση Κυκλωμάτων Ψηφιακής Λογικής, Εκδόσεις Επίκεντρο.

Πρόσθετη βιβλιογραφία

Στο σύστημα ΕΥΔΟΞΟΣ αναρτώνται σε ηλεκτρονική μορφή χρήσιμες πληροφορίες καθώς και ασκήσεις για την εξάσκηση των φοιτητών/τριών.