Datorers uppbyggnad och arkitektur, 7,5 hp

Innehåll

Kursen ger en grundläggande och detaljerad genomgång av uppbyggnaden hos moderna processorer, speciellt de med reducerad instruktionsuppsättning (RISC). RISC-processorer används med få undantag i alla sorters datorer, speciellt i modern IT-utrustning såsom mobiltelefoner, surfplattor och noder i IoT-system (Internet of Things).

Kursen består av två moment:
Moment 1, teori, 4.5 hp
Det här momentet behandlar följande

• hur en dators prestanda mäts och faktorer som begränsar designen, exempelvis "the power wall";
• instruktionsuppsättningen för en modern RISC-processor och hur konstruktioner i högnivåspråk realiseras;
• representationer för heltal och flyttal samt hårdvarualgoritmer för aritmetiska operationer på heltal;
• uppbyggnad av processorer samt data- och kontrollvägar, parallellism på instruktionsnivå, pipelining, och multiple issue;
• minnets uppbyggnad, inklusive minneshierarkier, cacheminnen, och virtuellt minne; lagrings- och input/outputenheter och deras gränssnitt till processorn och minnet;

Moment 2, laborationer, 3 hp
I detta moment omsätts en del av de teorier och tekniker som diskuteras i den teoretiska delen i praktik. Momentet består av två obligatoriska uppgifter.
 

Förväntade studieresultat

Kunskap och förståelse
Efter avslutad kurs ska studenten kunna:

• beskriva och analysera uppbyggnaden av instruktionsuppsättningen hos en modern processor med reducerad instruktionsuppsättning (RISC); (FSR 1)
• formulera olika instruktioner i ett imperativt högnivåspråk utifrån en RISC-processors instruktioner; (FSR 2)
• beskriva hur heltal och flyttal representeras i en dator och hur hårdvara används för att utföra aritmetiska operationer på heltal; (FSR 3)
• beskriva och förklara data- och styrningsflöde i en modern RISC-processor; (FSR 4)
• diskutera hur pipelining i en processor fungerar och beskriva hur hinder löses på olika sätt inklusive bubbles, flushes, och forwarding; (FSR 5)
• analysera och förklara hur minnet organiseras och hanteras i en modern dator, inklusive virtuellt och fysiskt minne, adressöversättning, flernivå-, förenade-, och multiväg associativa cacheminnen, översättningsbufferten och sidtabellen; (FSR 6)

Färdighet och förmåga
Efter avslutad kurs ska studenten kunna:

• beräkna prestandan hos moderna digitala datorer utifrån parametrar som processorhastighet, CPI och profileringsresultat för olika algoritmer i en benchmark; (FSR 7)
• räkna ut hur stort ett cacheminne måste vara med given indexstorlek, tag-storlek och associativitetsnivå; (FSR 8)
• räkna ut prestanda av olika former av minne från givna parametrar; (FSR 9)
• diskutera input/output-enheter inklusive hårddiskar och halvledardiskar (SSDs), hur de kommunicerar med processorn och hur deras prestanda räknas ut. (FSR 10)
• designa, implementera och dokumentera (med en engelsk användarmanual) en assemblator för en modern processor med förminskad instruktionsuppsättning som läser assembler-källkod från en fil och bryter ned den till individuella instruktioner som kan skickas till en emulator; (FSR 11)
• designa, implementera och dokumentera (med en engelsk användamanual) en emulator för en modern processor med förminskad instruktionsuppsättning som troget modellerar styrningsflöden (utan pipelining); (FSR 12)

Behörighetskrav

Univ:För tillträde till kursen krävs 90 hp avklarade studier varav 60 hp i huvudområdet datavetenskap eller 2 års avklarade studier (120hp) inom ett studieprogram, i båda fallen inkluderande kurserna Systemnära programmering (5DV088) och Digitalteknik (5EL006) eller motsvarande kunskaper.

Svenska för grundläggande behörighet för högskolestudier samt Engelska A/5. Krav på svenska gäller endast om utbildningen ges på svenska.

Undervisningens upplägg

Undervisningen bedrivs i form av föreläsningar och obligatoriska inlämningsuppgifter. Utöver schemalagda aktiviteter krävs även individuellt arbete med materialet.
 

Examination

Examinationen på Moment 1 (FSR 1–10) sker genom skriftlig tentamen. Momentet bedöms med något av betygen Med beröm godkänd (5), Icke utan beröm godkänd (4), Godkänd (3) eller Underkänd (U).
 
Examinationen på Moment 2 (FSR 1, 3, 4, 11, 12) består av två obligatoriska uppgifter som redovisas skriftligt. Momentet bedöms med något av betygen Underkänd (U) eller Godkänd (G).
 
På kursen som helhet ges något av betygen Underkänd (U), Godkänd (3), Icke utan beröm godkänd (4) eller Med beröm godkänd (5). För att bli godkänd på hela kursen krävs att båda momenten är godkända. Kursbetyget är detsamma som betyget på Moment 1.
 
Studerande som godkänts i ett prov får inte undergå förnyat prov för att få ett högre betyg.
 
En student som utan godkänt resultat har genomgått två prov för en kurs eller en del av en kurs, har rätt att få en annan examinator utsedd, om inte särskilda skäl talar emot det (HF 6 kap. 22 §). Begäran om ny examinator ställs till prefekten vid Institutionen för datavetenskap.
 
Examination baserad på denna kursplan garanteras under två år efter studentens förstagångsregistrering på kursen. Detta gäller även om kursen lagts ned och denna kursplan upphört gälla.
 
TILLGODORÄKNANDE
Student har rätt att få prövat om tidigare utbildning eller motsvarande kunskaper och färdigheter förvärvade i yrkesverksamhet kan tillgodoräknas för motsvarande utbildning vid Umeå universitet. Ansökan om tillgodoräknande skickas in till Studentcentrum/Examina. Mer information om tillgodoräknande finns på Umeå universitets studentwebb, www.student.umu.se, och i högskoleförordningen (6 kap). Ett avslag på ansökan om tillgodoräknande kan överklagas (Högskoleförordningen 12 kap) till Överklagandenämnden för högskolan. Detta gäller såväl om hela som delar av ansökan om tillgodoräknande avslås.
 

Övriga föreskrifter

I en examen får denna kurs ej ingå, helt eller delvis, samtidigt med en annan kurs med likartat innehåll. Vid tveksamheter bör den studerande rådfråga studievägledare vid Institutionen för datavetenskap och/eller programansvarig för sitt program.
 
Speciellt gäller att denna kurs ersätter den tidigare kursen 5DV118 (med samma namn) och kan inte tas med i examen tillsammans med denna. Överlappet med denna kurs är 7.5hp.
 
Kursens kopplingar till program och examina
Kursen är baskurs på civilingenjörsprogrammet i Teknisk datavetenskap.