Corso di ARCHITETTURA DEI CALCOLATORI

Lezioni prima parte

Lezione 1, 24/02/03

• Organizzazione del corso e modalità d'esame;
• Ripasso da Informatica Generale: Macchine Virtuali, stratificazione in livelli di astrazione di un sistema di calcolo, Macchina di Von Neumann, esecuzione dei programmi codifica di istruzioni e dati, codici binari.

Lezione 2, 25/02/03

• Codici ad espansione: formati multipli predefiniti, cifra di esp. e configurazione di esp.
• Codifica di numeri relativi: Modulo e segno e complemento a 2.

Lezione 3, 26/02/03

• Codifica di numeri relativi: cambiamento di segno e overflow in complemento a 2. Eccesso 2**(k-1).
• Codifica di numeri razionali: virgola fissa e virgola mobile.

Lezione 4, 28/02/03

• Rappresentazioni floating-point standard IEEE 754.
• Ridondanza e minimalità di codici binari a lunghezza fissa.
• Distanza di Hamming, Bit di parità.

Lezione 5, 03/03/03

• Rilevazione sistematica di errori e correzione di cancellazioni mediante bit di parità: esempio dischi RAID-5.
• Codici Hamming per la rilevazione di due errori e per la correzione sistematica di 1 errore.

Lezione 6, 04/03/03

• Codici Hamming con distanza di Hamming #geq; 2e+1.
• Macchine convenzionali: istruzioni, operandi e modi di indirizzamento.

Lezione 7, 05/03/03

• Struttura Stack, chiamata di procedure e ritorno al programma chiamante. Registri SP e FP. Accesso ai dati locali della procedura. Supporto a chiamate ricorsive.
• Istruzioni di I/O, controller di dispositivi e registri memory-mapped.
• Esempio didattico VM-2: struttura del sistema e codifica delle istruzioni.

Lezione 8, 07/03/03

• Istruzioni VM-2.
• Registri di I/O e interazione tra CPU e controller
• Primo esempio di programma VM-2.

Lezione 9, 10/03/03

• Assembler VM-2
• Altri esempi di programmi VM-2.

Lezione 10, 11/03/03

• Circuiti combinatori: funzioni di una o più variabili.
• Rappresentazione algebrica e roprietà algebriche delle funzioni logiche: forma normale disgiuntiva.

Lezione 11, 12/03/03

• Forme canoniche di rappresentazione: forma normale congiuntiva e mappe di Karnaugh; minimizzazione di formule mediante mappe di Karnaugh.

Lezione 12, 14/03/03

• Esempi di circuiti: Multiplexer, Demultiplexer e Decoder.
• Circuiti sommatori: half-adder, sommatore a due bit, full-adder, e realizzazione modulare di sommatori.

Lezione 13, 17/03/03

• Modello astratto dei ritardi di un dispositivo fisico e legame col numero di livelli di logica.
• Realizzazione di funzioni in logica a 3 livelli NOT/AND/OR oppure NOT/NAND/NAND.
• Circuiti sommatori con carry-lookahead.

Lezione 14, 18/03/03

Lezione 15, 19/03/03

• Esempi di circuiti: Comparatore di uguaglianza

Lezione 16, 21/03/03

• Comparatore A<B e modularizzazione.
• Circuiti a più uscite:

Lezione 17, 24/03/03

Circuiti moltiplicatori.

Lezione 18, 25/03/03

• Unità Aritmetico-Logiche (ALU).
• Cicuiti sequenziali: esempio del Flip-Flop di Tipo Set/Reset.

Lezione 19, 26/03/03

• Instabilità del flip-flop tipo Set/Reset e flip-flop tipo D (Latch).
• Configurazione Master/Slave Edge-triggered. Definizione di Circuiti Sincroni e Asincroni.

Lezione 20, 28/03/03

• Flip-flop Master/Slave di Tipo D, di Tipo T, e di Tipo J-K.
• Alee dei circuiti sequenziali asincroni.
• Schema generale di realizzazione dei circuiti sequenziali sincroni.

Lezione 21, 31/03/03

• Registri di memorizzazione, Registri contatori e Registri a scorrimento.
• Memorie RAM statiche e Indirizzamento per la lettura.

Lezione 22, 02/04/03

• Moduli RAM statici: Indirizzamento per la scrittura, Uscite a 3 stati e controllo mediante CS R/nW

Lezione 23, 04/04/03

• Protocollo Master/Slave per Bus di sistema, organizzazione dei fili.
• Dimensioni e velocità dei moduli RAM: RAM dinamiche.
• Presentazione della struttura del primo compitino.

Lezioni seconda parte

Lezione 24, 07/04/03

• Introduzione al livello di microarchitettura.
• Esempio didattico VM-1 di architettura con controllo microprogrammato: struttura del Data Path e del Controllo; Clock e temporizzazione.

Lezione 25, 08/04/03

• VM-1: bit di controllo del data path e microcodice per l'inizializzazione, il fetch e la decodifica delle istruzioni VM-2.

Lezione 26, 09/04/03

Vari esempi di microcodice per la realizzazione delle istruzioni VM-2 sulla microarchitettura VM-1.

Lezione 27, 14/04/03

• Considerazioni sulla efficienza della microprogrammazione (orizzontale e verticale) e introduzione all'approccio RISC.

Lezione 28, 05/05/03

• Esempio didattico VM-R: organizzazione della memoria, registri, istruzioni e loro codifica.

Lezione 29, 06/05/03

• Macchina didattica RISC VM-R: pseudo-istruzioni e assembler; esempi di programmi.

Lezione 30, 07/05/03

• Il meccanismo delle Interruzioni in una macchina convenzionale moderna: segnalazione da parte dei dispositivi, risposta della CPU, gestione immediata o differita.

Lezione 31, 09/05/03

• Interruzioni: priorità e vettorizzazione delle interruzioni; priorità e tempi di risposta.
• Il meccanismo delle Trap per la gestione degli errori e per la realizzazione di ottimizzazioni con approccio ottimistico.

Lezione 32, 12/05/03

• Memoria virtuale: segmentazione e paginazione.

Lezione 33, 13/05/03

• Realizzazione efficiente della memoria virtuale (paginazione+segmentazione).
• Confinamento di una macchina virtuale L2, istruzioni privilegiate e nucleo di sicurezza.

Lezione 34, 14/05/03

• Protocolli asincroni e sincroni per la comunicazione Master/Slave su Bus.
• Arbitrazione di più Master connessi allo stesso Bus: priorità e connessione Daisy-chain.

Lezione 35, 16/05/03

• Trasferimenti DMA: canali DMA, Bus Mastering con interruzione di completamento, Bus Mastering basato su descrittori in RAM.
• Memorie Cache: principi generali, e realizzazione mediante memoria associativa.

Lezione 36, 19/05/03

• Memorie Cache: realizzazione a corrispondenza diretta e associativa ad insiemi; e consistenza in scrittura, protocolli write-through e write-back; e gerarchie di cache a più livelli.

Lezione 37, 20/05/03

• Esecuzione di una istruzione per ciclo di clock: introduzione della organizzazione pipeline.

Lezione 38, 23/05/03

• Organizzazione pipeline e istruzioni di salto condizionale e non condizionale; stallo della pipeline; tecniche di Branch Prediction.

Lezione 39, 26/05/03

• Uso efficiente della pipeline in architetture RISC: istruzioni di salto ritardato.

Lezione 40, 27/05/03

• Esecuzione di più istruzioni per ciclo di clock: superscalarità, condizioni di parallelizzazione di Bernstein, grafo di precedenze, permutazione statica e dinamica di istruzioni.

Lezione 41, 28/05/03

• Microarchitettura superscalare con replicazione di unità funzionali specializzate.
• Istruzioni di tipo SIMD.
• Consumo energetico e vincoli su sistemi mobili.
• Ambiente di esecuzione dei programmi: linker, loader, librerie statiche, dinamiche e condivise.