معماری پیشرفته کامپیوتر

Advanced Computer Architecture

شماره درس: ۴۰۷۲۳	تعداد واحد: ۳
مقطع: کارشناسی ارشد	نوع درس: نظری
پیش‌نیاز: –	هم‌نیاز: –

اهداف درس

هدف از این درس آشنایی دانشجویان با مفاهیم و مولفه‌های معماری‌های کامپیوتری پیشرفته از جمله حافظه‌های سریع، معماری پایپلاین، کامپیوترهای برداری، سیستم‌های چندپردازنده و پردازش موازی و برنامه‌نویسی در آن است.

ریز مواد

تعاریف و کلیات
- تعاریف تسریع
- له یا علیه موازات؟ (قانون آمدال، گروش، مینسکی، گوستافسون …)
- موارد کاربرد پردازش سریع و موازی
سیستم‌های سریع حافظه
- حافظه برگ برگ شده (Interleaved memory)
- حافظه چند درگاهه و بانک ثبات
- حافظه نهان و نگاشت‌های مستقیم، کاملا شرکت پذیر و شرکت پذیر مجموعه‌ای و محاسبه زمان‌های دسترسی و انواع الگوریتم‌های جایابی و جایگزینی و نکات مربوط به پیش واکشی
معماری پایپلاین
- محاسبه زمان اجرا و تسریع
- جدول رزرواسیون، بردار تلاقی، نمودار وضعیت، جرخه‌های اجرایی و محاسبه سرعت واقعی و نظری
- طراحی واحد کنترل پایپلاین
- استفاده از عنصر تاخیر برای تسریع و رفع وابستگی‌ها
- مخاطرات (Hazards) پایپلاین و راه‌های رفع آن‌ها (انشعاب با تاخیر، جدول سوابق پرش، تزریق حباب، تغییر نام متغیرها …)
کامپیوتر‌های برداری
- کامپیوترهای مبتنی بر پایپلاین
- کامپیوترهای آرایه‌ای
- آرایش مناسب داده‌ها در حافظه کامپیوترهای برداری و مفهوم فاصله دسترسی‌های متوالی (Stride)
- استفاده از عناصر تاخیر برای تسریع محاسبات برداری در پایپلاین
شبکه میان ارتباطی
- مرور انواع همبندی‌ها: توری، فوق مکعب، هرم، Cube Connected Cycles, K-ary n-cube، پروانه، Shuffle Exchange، Omega network
- مقایسه این معماری‌ها بر اساس قطر، درجه، تعداد گره و Bisection
سیستم‌های چندپردازنده و چندکامپیوتر
- انواع معماری‌های چند پردازشی
- مدل‌های تحلیلی برای ارزیابی کارایی این معماری‌ها بر حسب نسبت زمان اجرا به زمان ارتباطات
- پروتکل‌های همسان سازی اطلاعات (Data Consistency) در حافظه‌های (نهان یا محلی) چند پردازنده‌ها
برنامه‌نویسی موازی
- بررسی مسائل همگام‌سازی (Synchronization) بین فرایندهای موازی و همروند (Concurrent)
- افزایش MSYPS
- ملاحظات ختم صحیح برنامه‌های موازی
- اشاره‌ای به زبان‌های برنامه نویسی موازی
تسریع ارزان‌قیمت
- تکنیک‌های افزایش سرعت نرم‌افزاری و بهینه‌سازی کد
روش‌های نوین موازی‌سازی
- محاسبات توزیع‌شده، رایانش Grid

ارزیابی

تمرین‌های نظری: ۳ نمره
آزمون‌های میان‌ترم و پایانی: ۱۵ نمره
آزمونک‌ها: ۲ نمره

مراجع

K. Hwang, N. Jotwani. Advanced Computer Architecture, Parallelism, Scalability, Programming, Scalability. 2nd Edition, McGraw-Hill, 2011.
W. Stallings. Computer Organization and Architecture, Designing for Performance. 11th Edition, Pearson, 2019.
R. Robey, Y. Zamora. Parallel and High Performance Computing. Manning, 2021.
H. S. Stone. High-Performance Computer Architecture. 3rd Edition, Addison-Wesley, 1993.
Th. Sterling, M. Anderson, M. Brodowicz. High Performance Computing, Modern Systems and Practices. Elsevier, 2018.
M. Quinn. Parallel Computing: Theory and Practice. McGraw-Hill, 2nd Edition, 1993.