Архитектура компьютера

Лекция 1

Введение. Вычислительные платформы. Курс

Пенской А.В., 2022

---

План лекции

• Ссылки
• Рационализация. Точка зрения
• Содержание курса
• Оценивание (лабораторные, тесты, экзамен, побочные квесты)

---

Ссылки

---

Telegram чат

Telegram

---

Материалы курса

Gitlab SE ITMO

• Конспект лекций прошлого года.
• Тексты слайдов.
• Инструкции и прочее.

---

Бот

• Представляемся аккуратно, полным именем (ФИО). Оно будет использоваться как ключ в ведомости.
• В настоящий момент спит.

@the_2022_csa_course_bot

---

Рационализация.
Точка зрения

Хороший разработчик – тот, кто умеет делать правильные предположения:

• как устроены системы, с которыми он работает;
• как должны быть устроены системы, которые он делает;
• к каким последствиям могут приводить принятые им решения;
• какие «странности» можно ожидать и почему.

Цель курса: дать базу и кругозор для таких предположений.

---

Последствия

• отсутствие фокуса на конкретной архитектуре компьютера;
• попытки объяснить “ошибочные” решения;
• показать логику (логики) развития компьютерных систем (пантеизм vs. естественный отбор).

Не пытаемся подготовить

• разработчика процессоров;
• программиста на низком уровне;
• программиста высокопроизводительных вычислительных алгоритмов;
• архитектора компьютерных систем.

Уточним заголовок

• Архитектура компьютера
• Архитектура компьютерных систем
• Архитектура вычислительных платформ

---

Вычислительная платформа

Platform-based Methodology

Zeng, Haibo, Vishal Shah, Douglas Densmore, and Abhijit Davare. Simple Case Study in Metropolis. Vol. 4. Technical Memorandum UCB/ERL.

---

Иерархия уровней абстракции

---

Иерархия платформ для карьеры

OSI Layers for Coding Careers, swyx

---

Тенденции

Внутри одного компьютера:

• смена основной процессорной архитектуры;
• разнообразие вычислительных платформ в обычных системах;
• реконфигурируемые вычислители.

За пределами одного компьютера:

• облачное окружение;
• распределённые системы и движение к системам систем;
• вычисление вне доверенного окружения.

Вопрос: дополнения?

---

Содержание курса

(предварительное)

Компьютерные системы в целом. Предпосылки

• 1. Введение. Вычислительные платформы. Компьютерные системы
• 1. Понятие системы и архитектуры компьютерных систем. [OMG Essence и культурные шаблоны.]
• 1. Ещё не компьютеры. Решение задач компьютерных систем без компьютеров.
• 1. Вычисления в релейных схемах и булевом базисе. Параллелизм уровня бит.
• 1. Особенности производства вычислительной техники. Why it is so hard? Законы Мура и Деннарда
• 1. Software-intensive systems. Программируемые вычислительные платформы.

---

General-Purpose Computer. Проклятие фон Неймана

• 1. Универсальная вычислительная машина. Архитектура фон Неймана. ISA и микроархитектура. Гарвардский и Принстонский стиль.
• 1. Assembler-driven development. CISC и микропрограммное управление. NISC. Стековые процессоры.
• 1. Compiler-driven development. RISC и микроархитектура. Параллелизм уровня инструкций, конвейер.
• 1. Параллелизм уровня инструкций. Суперскалярные вычисления. EPIC. VLIW.
• 1. Иерархия памяти, кеширование.
• 1. Ввод-вывод. ISA. Многозадачность. Система прерываний. DMA.
• 1. Параллелизм уровня команд. Классификация Флинна и SIMT. Изоляция, сегменты и виртуальная память. Изоляция кода.

---

За пределами одного компьютера

• 1. Языки высокого уровня. Формирование иерархии вычислительных платформ. Disaggregation. Виртуальные машины и архитектура компиляторов.
• 1. Распределённые вычислительные платформы. Облачные вычислительные платформы и server-less computing. IoT, System of Systems, Fog and Edge computing.
• 1. Вычислительные платформы без доверенной среды исполнения. Blockchain and smart contracts.

Известные темы?

• Сетевая модель OSI
• Интерфейсы периферийных устройств. Классификация и примеры работы
• Машинная арифметика. Целые числа, фиксированная точка, плавающая точка

---

Оценивание

	баллы
Лаб. 1	$\Sigma 30$
Лаб. 2	$\Sigma 21$
Лаб. 3	$\Sigma 30$
Экзамен	40
Побочные квесты	индивидуально
	$\Sigma 121$

Внимание: у вас нет возможности пересдать/досдать в течение семестра.

---

Лабораторные работы

Трудности формирования лабораторного курса:

• нежелательность фокусирования на узких вопросах;
• невозможность включить все рассматриваемые вопросы в лабораторный курс;
• нежелательность излишней абстрактности;
• количество студентов.

Решение:

• дать возможность специализации на интересующих вопросах;
• по возможности замкнуть учащихся на самих себя.

Примечание: полные версии заданий смотрите в материалах курса

---

Лабораторная работа 1.
Разбор полётов

Murphy’s law :: Anything that can go wrong will go wrong.

Цель: ознакомить учащегося с примером совокупности принятых решений и обстоятельств, которые привели к негативным последствиям.

Задачи:

1. Поиск инцидента для анализа.
2. Согласование инцидента.
3. Подготовка доклада о выбранном случае.
4. Выступление в форме диалога.
5. Добавление вашего отчёта в репозиторий и согласование вопроса на экзамен по вашему докладу.

---

Оценка лабораторной работы 1

Общая

	баллы
Лаб. 1
- Преподаватель	14
- Студенты	6
- Участие	10
	$\Sigma 30$

Студенты

Кол-во докладов	I	II	III место	остальные
1	1	0	0	0
2	10	5	0	0
3 и более	15	10	5	0

Примечание: размеры групп лучше нормализовать. Хорошая практика: выделить “излишки” в “группу Четверга” для самых больших.

---

Лабораторная работа 2.
Архитектурные принципы

Цели: ознакомить с принципами, не вошедшими в лекционный курс, а также продемонстрировать разное восприятие материала.

Задачи (для каждой темы/эссе):

1. Ознакомление с материалами.
2. Написание эссе в свободной форме, включающее:
   • основные мысли материалов;
   • характеристику значимости материала;
   • ваше рассуждение на тему.
3. Загрузка эссе в информационную систему.
4. Рецензирование чужих эссе. Double blind.

---

Оценка лабораторной работы 2

	max
Лаб. 2
- Эссе 1	4
- Эссе 2	4
- Эссе 3	4
- Отзывы	$9 = (1+2)*3$
	$\Sigma 21$

Примечание: сроки загрузки эссе – жёсткие,
пропустили $\rightarrow$ только на допсе.

---

(предварительные темы эссе, обновления в орг. чате)

Эссе 1

• The Future of Programming – Bret Victor – Dropbox’s DBX conference, 2013
• The Worst Programming Language Ever – Mark Rendle – NDC Oslo 2021

Эссе 2

• How technology loses out in companies, countries & continents and what to do about it

Эссе 3

• Science and Engineering for Cyber-Physical Systems – Edward Lee – 2021
• Modeling in engineering and science – Edward Lee – Communications of the ACM – 2019

---

Лабораторная работа 3.
На кончиках пальцев

Цель:

• экспериментальное знакомство с устройством вычислительных платформ через моделирование;
• получение опыта работы с компьютерной системой на нескольких уровнях одновременно.

---

Состав лабораторной работы №3

1. Спецификация языка программирования
2. Транслятор
3. Спецификация системы команд
4. Модель процессора
5. Реализация алгоритма(-ов)

---

Варианты

Вариант определяется:

• комбинацией особенностей реализации;
• реализуемым алгоритмом.

| Особенность              | 1.                 | 2.                  | 3.     | 4.   |
| ------------------------ | ------------------ | ------------------- | ------ | ---- |
| ЯП. Синтаксис похож на   | Java[Script]/C     | assembler           | forth  | lisp |
| ЯП. Процедуры            | нереентерабельные  | реентерабельные     | нет    |      |
| Проц. Поддержка стека    | есть               | нет                 |        |      |
| Организация памяти       | Принстонская       | Гарвардская         |        |      |
| Архитектура процессора   | CISC               | RISC                | Stack  |      |
| Внутреннее устройство    | microcode          | pipeline            | tagged | нет  |
| Представление маш. кода  | structured+binary  | structured          |        |      |
| Ввод-вывод               | SPI без прерываний | SPI прерывания      | слово  |      |
| Ввод-вывод (ISA)         | memory-mapped      | port-mapped         |        |      |
| Параллелизм              | SISD               | SISD                | SIMT   |      |
| Сторожевой таймер        | есть               | нет                 |        |      |

---

Оценка лабораторной работы №3 (требуется детализация)

	max
Лаб. 3
	$\Sigma 30$

---

Текущее тестирование

• Классический тест через бота.
• Проводится на каждом (или почти) лекционном занятии, тема: материал прошлой лекции.
• В начале занятия вам даётся 3-5 минут на его прохождение. По завершении: даётся отзыв по агрегированным данным.
• Больше половины ответов правильно – зачёт, меньше – незачёт.
• Результат за всё промежуточное тестирование: определяется в конце семестра, cut-of-score определяется следующим образом:
  • строится рейтинг всех студентов;
  • смотрится процент сданных тестов на уровне примерно $\frac{1}{5}$ снизу (но не менее 52%).
• Влияние на тех, кто провалил промежуточное тестирование:
  • невозможность автомата;
  • дополнительные вопросы на экзамене по проваленным темам;
  • округление перестаёт работать в пользу студента.
• Тесты не переписываются.

---

Визуализация расчёта cut-of-score

---

Побочные квесты

Возможность получить дополнительные баллы. Примеры:

• Исправление опечаток в материалах курса.
• Улучшение текстовых и графических материалов.
• Синхронизация слайдов и лекционных заметок.
• Обновление / переработка материала.
• Написание дополнительного раздела, к примеру: “Работа со строками”
• Автоматизация курса (ведомость, бот).
• Написание программных демонстраций к материалам курса.
• Выдающиеся организационные способности.

Примечание:

• что-то понятно – просто сделайте Merge Request;
• что-то неоднозначное – заведите Issue;
• что-то известное – посмотрите в Issue.

---

Merge request policy

• MR должны помогать преподавателю, а не становиться самостоятельной проблемой.
• Не стоит плодить без необходимости. К примеру: вы поправили 3 опечатки – сделайте 1 запрос с 3 коммитами.
• Оформление:
  • Title – о чём MR. Пример: typo – исправление опечатки(-ок).
  • Description – важные детали и комментарии: группа и ФИО автора, что сделано (не надо дублировать Title и diff, описывая, какие именно слова вы поправили и по какому правилу).
• MR должен сливаться без конфликтов. Исправление конфликтов – задача автора MR. Если конфликт висит достаточно долго, MR будет закрыт.

---

• Ищется волонтёр(-ы), который соберёт все исправления опечаток в 1 merge request:
  • сделает cherry-pick коммитов в одну ветку (чтобы сохранить автора)
  • по ходу дела исправит все merge conflict-ы и уберёт повторы
  • закроет собранные MR с исправлениями со ссылкой на новый
  • опишет, как превратить автора коммита в студента с группой
  • оптимизирует этот процесс

---

Экзамен

Устный групповой экзамен. Сдаётся группами лабораторной работы №1. Включает два вопроса каждому:

• по лекционным материалам;
• по материалам лабораторной работы 1 вашей группы.

Оценка:

• 40 баллов – суть, контекст и взаимосвязи.
• 30 баллов – суть, не выходя за пределы вопроса.
• 20 баллов – суть, допустимы незначительные пробелы.
• 10 баллов – ключевые моменты вопроса, есть существенные пробелы в знаниях.

Значительное внимание оказывает ваше участие в дискуссии (как положительное, так и отрицательное).

---

Автомат

Если у вас 60+ баллов и вам достаточно.

Упрощённый экзамен

• Экзамен проводится в формате быстрого опроса без дискуссий и уточнений.
• Максимальный балл – 30.

Сдача долгов, допса

Осуществляется за пределами семестра путём формирования “виртуальной группы”, для которой воспроизводится лабораторный курс целиком.