[1. RISC-V Introduction - Lectures & Exercises]

Στόχοι του Μαθήματος:

• Να δώσει σε όλους τους φοιτητές –μαζί με το προηγούμενο μάθημα, την Ψηφιακή Σχεδίαση– τις ελάχιστες απαραίτητες γνώσεις υλικού (hardware) και οργάνωσης/αρχιτεκτονικής υπολογιστών τις οποίες θα χρειαστούν στην επαγγελματική τους σταδιοδρομία και για να αντιμετωπίσουν τις ανάγκες των άλλων τομέων της Επιστήμης και Μηχανικής (Engineering) των Υπολογιστών.
• Να προσφέρει κατανόηση του ποιά στοιχεία ενός υπολογιστή κοστίζουν περρισσότερο και ποιά λιγότερο, και τι επηρεάζει τον χρόνο εκτέλεσης ενός προγράμματος και ενός αλγορίθμου, άρα και πώς μπορούμε να μειώσουμε το κόστος και να αυξήσουμε την ταχύτητα των όσων λειτουργιών επιτελούν οι υπολογιστές.
• Να διδάξει στοιχειώδεις γνώσεις σχετικά με τις γλώσσες Assembly, χρησιμοποιώντας σαν παράδειγμα το μοντέρνο, ανοικτό ρεπερτόριο εντολών RISC-V που τα τελευταία χρόνια κερδίζει ολοένα σε δημοτικότητα.
• Να δείξει πώς κατασκευάζεται ένας ολόκληρος επεξεργαστής (αρχικά απλός και ύστερα με ομοχειρία (pipelining)), χρησιμοποιώντας μόνο τις λογικές πύλες και flip-flops που ο φοιτητής ξέρει από την Ψηφιακή Σχεδίαση. Έτσι, δίνει ένα στέρεο υπόβαθρο κατανόησης για την υλική βάση της Επιστήμης και Μηχανικής Υπολογιστών, και επίσης απομυθοποιεί τον υπολογιστή.
• Να προσφέρει στοιχειώδη εισαγωγή στην προχωρημένη αρχιτεκτονική των σημερινών υπολογιστικών συστημάτων, και απλοποιημένους τρόπους κατανόησης της επίδοσής τους.
• Να αποτελέσει τη βάση πάνω στην οποία θα στηριχτούν τα πιό προχωρημένα μαθήματα ψηφιακών συστημάτων και αρχιτεκτονικής, για όσους φοιτητές επιλέξουν να τα παρακολουθήσουν.

Περιεχόμενο του Μαθήματος:

• Η γλώσσα Assembly και η γλώσσα μηχανής, σαν το μοντέλο αφαίρεσης που το hardware παρουσιάζει προς το software. Παράδειγμα: το βασικό Ρεπερτόριο Εντολών του RISC-V. Στοιχειώδεις γνώσεις προγραμματισμού σε Assembly: if-then-else, βρόχοι, πίνακες, pointers, διαχείριση στοίβας, κλήση διαδικασιών, καταχωρητές caller/callee-saved.
• Υλοποίηση επεξεργαστή από καταχωρητές, πολυπλέκτες, αθροιστές, ALU's, μνήμες, και συνδυαστική λογική. Σχεδίαση του datapath και της μονάδας ελέγχου. Διακοπές-Εξαιρέσεις.
• Ομοχειρία (Pipelining): η κλασική pipeline 5 βαθμίδων in-order, με ανίχνευση αλληλεξαρτήσεων και εσωτερική προώθηση. Επίδοση (ταχύτητα) υπολογιστών, CPI, συναφείς εξισώσεις.
• Σύστημα Μνήμης: Εισαγωγή στις Κρυφές μνήμες. Εικονική μνήμη. Καταστάσεις χρήστη-πυρήνα, κάλεσμα λειτουργικού συστήματος, προστασία.
• Περιφερειακές Συσκευές και η επικοινωνία τους με την κεντρική μονάδα. Απεικόνιση I/O σε διευθύνσεις μνήμης. Επικοινωνία με δειγματοληψία και με διακοπές. DMA.
• Προχωρημένα θέματα –πολύ σύντομη επισκόπηση: Πολυπύρηνοι επεξεργαστές, Συνοχή (Coherence) κρυφών μνημών, εκτέλεση εντολών εκτός σειράς, Πολυνημάτωση, GPGPU's.
  [Course Content in English].

Ασκήσεις, Βιβλίο:

• Εβδομαδιαίες Ασκήσεις καθ' όλο το εξάμηνο, οι οποίες περιλαμβάνουν:
  • Ασκήσεις προγραμματισμού σε γλώσσα Assembly, σ' έναν προσομοιωτή του RISC-V.
  • Σχεδίαση και οπτικοποιημένη προσομοίωση ενός υποσυνόλου επεξεργαστή RISC-V σε επίπεδο μεταφοράς καταχωρητών (RTL), σε παραλλαγές ενός κύκλου και ομοχειρίας (pipelined).
  • Ασκήσεις στην ανάλυση επίδοσης επεξεργαστών, σε κρυφές μνήμες, εικονική μνήμη, και I/O, περιλαμβανόμενης της χρήσης ενός απλού προσμοιωτή κρυφών μνημών.
• Βιβλίο - θα ακολουθηθεί το: D. Patterson, J. Hennessy: "Computer Organization and Design – RISC-V Edition", 2017, Elsevier Morgan Kaufmann Series, ISBN 9780128122754 – www.elsevier.com/books/title/author/9780128122754 (μεγάλα μέρη των κεφαλαίων 2, 4, 5, συν άλλα θέματα), το οποίο όμως δεν έχει μεταφραστεί ακόμα στα Ελληνικά, άρα μπορείτε να επιλέξετε:
• Το πλησιέστερο στον Εύδοξο είναι το: D. Patterson, J. Hennessy: "Computer Organization and Design: the Hardware/Software Interface -- Οργάνωση και Σχεδίαση Υπολογιστών: η Διασύνδεση Υλικού και Λογισμικού", Εκδόσεις Κλειδάριθμος, 2010, ISBN 978-960-461-352-6 [Σύγγραμμα αριθμός 12561945 στο σύστημα "Εύδοξος": service.eudoxus.gr/search/#a/id:12561945/0] Ελληνική Μετάφραση της 4ης έκδοσης του Αγγλικού πρωτοτύπου (Elsevier Morgan Kaufmann Series).
• Άλλα δημοφιλή βιβλία που έχουν χρησιμοποιηθεί (διεθνώς) γιά ανάλογα μαθήματα:
  • V. Hamacher, Z. Vranesic, S. Zaky: "Οργάνωση και αρχιτεκτονική ηλεκτρονικών υπολογιστών", Ελληνική μετάφραση: Εκδόσεις Επίκεντρο (2007), ISBN: 978-960-458-000-2, από το Αγγλικό πρωτότυπο: McGraw-Hill, 3rd edition, 1990, ISBN 0-07-100742-3.
  • M. Mano: "Computer System Architecture", Prentice-Hall, 2nd edition, 1982, ISBN 0-13-166611-8.
• Σημειώνεται ότι σε πολλά Πανεπιστήμια δίδεται ο τίτλος "Αρχιτεκτονική Υπολογιστών" σε μαθήματα με περιεχόμενο ανάλογο του ΗΥ-225 (όπως π.χ. και στο βιβλίο του Mano "Computer System Architecture"). Εμείς, κρατάμε τον τίτλο "Αρχιτεκτονική Υπολογιστών" για το πιο προχωρημένο μάθημα (ΗΥ-425), όπου διδάσκονται οι τεχνικές αύξησης της επίδοσης ενός υπολογιστή με δοσμένο κόστος κατασκευής, και χρησιμοποιούμε τον πιο μετριόφρονα τίτλο "Οργάνωση Υπολογιστών" για το παρόν, εισαγωγικό μάθημα.

Μέσος βαθμός ασκήσεων κάτω του 3.0 στα 10, ή βαθμός τελικής εξέτασης κάτω του 3.5 στα 10 (κατά την εκάστοτε εξεταστική περίοδο Α' ή Β') προκαλεί αποτυχία στο μάθημα (κατά την περίοδο αυτή). Οι εξετάσεις (προόδου και τελική) είναι με κλειστές σημειώσεις. Κάθε αντιγραφή τιμωρείται αυστηρά.
Συνιστάται ένθερμα στους εγγεγραμμένους στο μάθημα να κάνουν ανελλιπώς όλες τις ασκήσεις και να διαβάζουν το μάθημα καθ' όλη τη διάρκεια του εξαμήνου –όχι μόνο κατά την εξεταστική περίοδο– και να το περάσουν κατά την Α' εξεταστική περίοδο –η εμπειρία των διδασκόντων δείχνει ότι τα μαθήματα περνιούνται πολύ ευκολότερα τότε, όταν η ύλη είναι ακόμη φρέσκια στη μνήμη.

© copyright University of Crete, Greece. Last updated: 21 Jan. (4 Mar.: two emails) 2021 by M. Katevenis.