Kompiuterių architektūra
========================
$Author: saulius $
$Date: 2020-08-24 14:51:15 +0000 (Mon, 24 Aug 2020) $
$Id: projektas.txt 7635 2020-08-24 14:51:15Z saulius $

1. Kodėl reikia studijuoti kompiuterių architektūrą?

   -- Tik kompiuterius, kurių architektūrą suprantame, galime
      efektyviai programuoti!

   -- Bendra kompiuterio architektūros apžvalga.

   -- Kompiuterio komponentų sąveika.

2. Trumpa pažintis su fizikine skaičiuojančių mechanizmų realizacija

   -- Elektrinės loginės schemos (pavyzdys: relės (lengvai
      suvokiamas); komplementarūs MOP-tranzistoriai (šiuolaikinė
      technika)).

   -- Loginės schemos, Būlio algebra. Pilnà loginių funkcijų
      sistema. Kombinacinės schemos, Būlinės funkcijos. Aritmetika,
      sumatoriai, daugintuvai.

   -- Schemos su būsena. Trigeriai, registrai, atmintis (RAM, ROM).

   -- Magistralės, atviras kolektorius/atvira ištaka; 3-būsenų (0/1/Z)
      magistralės.

3. Skaičiavimo sistemos

   -- optimali (aparatūros prasme) skaičiavimo sistema

   -- dvejetainė, trejetainė skaičiavimo sistemos. Sistemos, kurių
      pagrindas 2^n. Vertimas į ir iš dešimtainės skaičiavimo
      sistemos.

4. Informacijos atvaizdavimas

   -- Dvejetainis duomenų atvaizdavimas.

      --- Dvejetainė aritmetika sveikų skaičių. Skaičiai su ženklu ir
          be ženklo. Sign-magnitude representation. Papildinys iki
          2. Papildinys iki 1. BCD (binary coded decimal).

      --- Aritmetinis perpildymas. Specifikuotas procesorių ir
          programų elgesys skaičiams su ženklu ir be ženklo.

      --- Big-endian, Little-endian, Mixed-endian architektūros.

      --- Slankaus kablelio aritmetika, jos standartai (IEEE floating
          point standard) ir ypatybės. Tikslumas,
          perpildymas. Specialios reikšmės (+/- Inf, Nan).

      --- Rečiau naudojamos aritmetikos rūšys: Fiksuoto kablelio
          aritmetika. "Slankios trupmenos" aritmetika (floating slash
          arithmetic). Racionalių skaičių aritmetika. Neriboto
          tikslumo aritmetika.

   -- Informacijos atvaizdavimas teksto pavidalu (simbolių eilutėmis)

      --- Simbolių ir simbolių eilučių atvaizdavimas. Kintamo ilgio
          eilutės.

      --- Simbolių koduotės: ASCII, ISO8859-*, Unicode, UTF-8, UCS-2.

5. Programuotojui matoma kompiuterių architektūra (computer
   architecture visible to a programmer)

   -- Registrai

   -- Aritmetinis-loginis įrenginys (įrenginiai) (ALU, arithmetic-logic
      unit)

   -- Komandos, komandų skaitiklis (PC, IP)

   -- Stekas/-ai (Stack)

   -- Akumuliatoriai

   -- Indeksiniai registrai

   -- Atmintis, adresai, mašinos žodis

   -- Magistralės

6. Komandų sistema (ISA, Instruction Set Architecture)

   -- Architektūros klasės: akumuliatorinė, atmintis-atmintis,
      atmintis-registras, load/store, stekinė; 0-adresinės,
      1-adresinės, 2-adresinės, 3-adresinės, 4-adresinės komandos.

   -- Komandų tipai (aritmetinės, loginės, valdymo perdavimo,
      supervizoriaus, blokinės komandos). Privilegijuoti
      režimai. Programos būsenos žodis (PWS). Valdantys registrai.

   -- Adresavimo tipai (addressing modes): register, direct, indirect,
      immediate, auto-increment/decrement

   -- Aukšto lygio kalbų palaikymas: aparatinis stekas, steko kadras
      (BP, FP)

   -- Išimtinės situacijos procesoriaus lygmenyje (INTO, Segfault).

7. Atminties architektūra. Fizinė ir virtuali atmintis. Segmentai ir
   atminties segmentavimas. Atminties pusliapiavimas
   (paging). Puslapių iškėlimas į diską (Swap). Atminties apsauga –
   puslapiai su skirtingomis priėjimo teisėmis.

   Jei liks laiko: šifruota atmintis, „curtained memory“.

8. Įvestis/įvestis. Tiesioginis priėjimas prie atminties (DMA, Direct
   memory Access). Pertraukimai ir jų apdorojimas.

9. CISC procesoriai (pvz.: Pentium; x86; amd64);

   -- Komandų sistemos ypatybės. Skirtingo pločio komandos. Adresavimo
      režimai.

   -- Daugelio procesorių sistemos. SMP. Sinchronizacija. Magistralės
      rakinimas. Komanda XCHG.

   -- Konvejeriai, JMP įtaka konvejerio darbui; spekuliatyvus vykdymas

10. RSIC architektūra (pvz.: RISC-V)

   -- Komandų sistemos ypatybės. Vienodo pločio komandos. Adresavimo
      režimai.

   -- Load/Store architektūra

   -- Konvejeriai, JMP įtaka konvejerio darbui; uždelsimo slotas
      (delay slot); spekuliatyvus vykdymas;

11. Mikrovaldikliai ir jų architektūros ypatybės (pvz. Atmega)

   -- Komandų sistemos ypatybės.

   -- Vieno kristalo ESM (CPU, RAM, Flash)

   -- Programuojami taimeriai, impulso pločio moduliacija;

   -- Analoginiai-skaitmeniniai ir skaitmeniniai-analoginiai keitikliai

12. Naujos architektūros, egzotika (trumpa apžvalga)

   -- Kvantiniai kompiuteriai; apgręžiami skaičiavimai;

   -- Neuroniniai tinklai

   -- Lygiagrečios sistemos, CUDA

   -- FPGA

   -- Tagged architectures; LISP machines

   -- Programuojamos terpės: Cell Matrix; ląsteliniai automatai

   -- Minimali ISA: SISC :) Pilnumas pagal Tiuringą.

Praktinis darbas
================

1. Parašyti pasirinkta kalba (Perl, C, C++, Java, C#, Python)
   nurodytos paprastos virtualios mašinos emuliatorių; parodyti, kad
   jis vykdo programas, parašytas primityviu
   asembleriu/autokodu. Paliesti programas auto-trasavimo režime.

2. (sudėtinga) Parašyti realiai egzistuojančio ar egzistavusio
   procesoriaus (įskaitant D. Knuto MIX :) dalinį
   emuliatorių. Parodyti, kad jis vykdo programas, parašytas
   primityviu asembleriu/autokodu. Paliesti programas auto-trasavimo
   režime.

Nuorodos
========

1. Donald D. Givone, Robert P. Rosser. Microprocessors and
   microcomputers – an introdcution Microprocessors/Microcomputers: An
   Introduction. McGraw-Hill, 1980.

2. John L. Hennessy and David A. Patterson. Computer Architecture: A
   Quantitative Approach (5th ed.), 2011.

3. Э. Таненбаум, Т. Остин. Архитектура компютера (6-е уздание). Питер,
   2013.