آموزش معماری کامپیوتر MIPS و بهینه‌سازی عملکرد - آخرین آپدیت

سرفصل ها و درس ها

عملکرد سیستم کامپیوتری و اندازه‌گیری آن Computer System Performance and Its Measurement

• ویدیو مقدمه دوره Course Introduction Video

• آشنایی با اساتید: پروفسور ویرندرا شکاوات Meet your Instructor: Prof. Virendra Shekhawat

• آشنایی با اساتید: پروفسور سودپت موهان Meet your Instructor: Prof. Sudeept Mohan

• تعریف عملکرد کامپیوتر: معادلات عملکرد Defining Computer Performance: Performance Equations

• تعریف عملکرد کامپیوتر با استفاده از عملکرد دستورالعمل Defining Computer Performance Using Instruction Performance

• درک عملکرد برنامه Understanding Program Performance

• درک عملکرد با استفاده از نرخ میلیون دستورالعمل در ثانیه (MIPS) Understanding Performance Using Million Instructions Per Second (MIPS) Rate

• قانون بهبود عملکرد کامپیوتر: قانون آمداهل Computer Performance Enhancement Rule: Amdahl’s Law

• بنچمارک‌های شرکت ارزیابی عملکرد استاندارد (SPEC) Standard Performance Evaluation Corporation (SPEC) Benchmarks

مجموعه دستورالعمل‌های معماری (ISA) در MIPS MIPS Instruction Set Architecture (ISA)

• دستورالعمل‌های نوع R و فایل ثبات R-Type Instructions and Register File

• سازماندهی حافظه و دستورالعمل‌های نوع I (Load/Store) Memory Organization and I-Type (Load/Store) Instructions

• دستورالعمل‌های شاخه و پرش (نوع J) Branch and Jump (J-Type) Instructions

• حالت‌های آدرس‌دهی در MIPS MIPS Addressing Modes

• دستورالعمل‌های MIPS: shift, and, or, not, slt, addi MIPS Instructions: shift, and, or, not, slt, addi, and or

• دستورالعمل‌های ضرب و تقسیم: بخش اول Multiply and Divide Instructions: Part I

• دستورالعمل‌های ضرب و تقسیم: بخش دوم Multiply and Divide Instructions: Part II

• نمایش اعداد ممیز شناور Floating Point Representation

• جمع اعداد ممیز شناور Floating Point Addition

• بیت‌های محافظ و گرد کردن در محاسبات ممیز شناور Guard and Round Bits in Floating Point Arithmetic

• قابلیت محاسبات ممیز شناور در MIPS Floating Point Computation Capability in MIPS

پردازنده MIPS MIPS Processor

• طراحی ALU با قابلیت اجرای دستورالعمل‌های AND, OR, ADD, SUB ALU Design with AND, OR, ADD, and SUB Instruction Execution Capability

• طراحی ALU با قابلیت اجرای دستورالعمل‌های SLT و BEQ: بخش اول ALU Design with SLT and BEQ Instruction Execution Capability: Part I

• طراحی ALU با قابلیت اجرای دستورالعمل‌های SLT و BEQ: بخش دوم ALU Design with SLT and BEQ Instruction Execution Capability: Part II

• سخت‌افزار خواندن فایل ثبات Hardware for Reading the Register File

• سخت‌افزار نوشتن در فایل ثبات Hardware for Writing to Register File

طراحی کنترل و مسیر داده تک‌چرخه‌ای (Single Cycle) Single-Cycle Datapath and Control Design

• طراحی مسیر داده تک‌چرخه‌ای برای دستورالعمل‌های نوع R Single Cycle Datapath Design for R-Type Instructions

• مسیر داده تک‌چرخه‌ای برای دستورالعمل‌های حافظه: SW و LW Single Cycle Datapath for Memory Instructions: SW and LW

• طراحی مسیر داده تک‌چرخه‌ای برای دستورالعمل‌های شاخه Single-Cycle Datapath Design for Branch Instructions

• توسعه مسیر داده کامل برای پردازنده MIPS تک‌چرخه‌ای Developing Complete Datapath for Single Cycle MIPS Processor

• کنترل‌کننده ALU ALU Controller

• کنترل‌کننده اصلی: بخش اول Main Controller: Part I

• کنترل‌کننده اصلی: بخش دوم Main Controller: Part II

• افزودن دستورالعمل‌های جدید به مسیر داده Adding New Instructions to the Datapath

طراحی کنترل و مسیر داده چندچرخه‌ای (Multi Cycle) Multi-Cycle Datapath and Control Design

• مقدمه‌ای بر معماری چندچرخه‌ای Introduction to Multi-Cycle Architecture

• مسیر داده چندچرخه‌ای برای دستورالعمل‌های ADD, LW, SW Multi-Cycle Datapath for ADD, LW, and SW Instructions

• مسیر داده چندچرخه‌ای برای دستورالعمل‌های BEQ و J Multi-Cycle Datapath for BEQ and J Instructions

• نمودار وضعیت اجرا Execution State Diagram

• شناسایی سیگنال‌های کنترل Identifying the Control Signals

• نمودار وضعیت و ساخت کنترل‌کننده: بخش اول State Diagram and Building the Controller: Part I

• نمودار وضعیت و ساخت کنترل‌کننده: بخش دوم State Diagram and Building the Controller: Part II

• مقدمه‌ای بر پیاده‌سازی کنترل مبتنی بر ROM Introduction to ROM-Based Control Implementation

• میکروبرنامه کنترل Control Microprogram

• پیاده‌سازی میکروبرنامه Microprogram Implementation

معماری خط لوله (Pipeline) در MIPS MIPS Pipeline Architecture

• ویدیو ۱: مقدمه‌ای بر خط لوله (Pipelining) Video 1: Introduction to Pipelining

• طراحی مسیر داده خط لوله Pipeline Datapath Design

• اجرای مرحله به مرحله یک دستورالعمل در خط لوله Step-by-Step Execution of an Instruction in Pipelining

• نمایش گرافیکی مسیر داده خط لوله Graphical Representation of Pipelining Datapath

• مقدمه‌ای بر کنترل خط لوله Introduction to Pipeline Control

• سیگنال‌های کنترل خط لوله و پیاده‌سازی کنترل خط لوله Pipeline Control Signals and Pipeline Control Implementation

• اجرای مرحله به مرحله یک دستورالعمل در خط لوله با سیگنال‌های کنترل Step-by-Step Execution of an Instruction in Pipelining with Control Signals

• خطای ساختاری (Structural Hazard) Structural Hazard

• خطای کنترل (Control Hazard) Control Hazard

• خطای داده (Data Hazard) Data Hazard

مدیریت خطاهای داده و کنترل در مسیر داده خط لوله Handling Data and Control Hazards in Pipeline Datapath

• مثال انتقال داده (Data Forwarding) با دستورالعمل‌های ADD ADD: بخش اول Data Forwarding Example Using ADD-ADD Instructions: Part I

• مثال انتقال داده (Data Forwarding) با دستورالعمل‌های ADD ADD: بخش دوم Data Forwarding Example Using ADD-ADD Instructions: Part II

• مثال انتقال داده (Data Forwarding) با دستورالعمل‌های LW ADD Data Forwarding Example Using LW-ADD Instructions

• مکانیزم توقف خط لوله (Stalling) Mechanics of Stalling the Pipeline

• کاهش توقف‌های خط لوله با بازآرایی دستورالعمل‌ها Reducing Pipeline Stalls by Reordering of Instructions

• کاهش تأثیر خطاهای کنترل Reducing Impact of Control Hazards

• تکنیک‌های شاخه با تأخیر (Delayed Branch) Delayed Branch Techniques

• مدیریت استثنا (Exception Handling) در خط لوله Exception Handling in Pipeline

• پیش‌بین شاخه ۱ بیتی 1-Bit Branch Predictor

• پیش‌بین شاخه ۲ بیتی 2-Bit Branch Predictor

• پیش‌بین‌های همبسته (Correlating Predictors) Correlating Predictors

• پیش‌بین‌های تورنمنت (Tournament Predictors) Tournament Predictors

سلسله‌مراتب حافظه در سیستم‌های محاسباتی Memory Hierarchy in Computing Systems

• تکنولوژی‌های حافظه Memory Technologies

• بهره‌گیری از سلسله‌مراتب حافظه در سیستم‌های محاسباتی Exploiting Memory Hierarchy in Computing Systems

• مقدمه‌ای بر حافظه کش و محلی بودن ارجاعات Introduction to Cache Memory and Locality of References

• نگاشت مستقیم کش (Direct Mapping) Direct Cache Mapping

• نگاشت کاملاً انجمنی (Fully Associative Mapping) Fully Associative Mapping

• نگاشت انجمنی مجموعه‌ای (Set Associative Mapping) Set Associative Mapping

• استفاده از Write Back برای بهبود عملکرد Use of Write Back to Improve Performance

• پیاده‌سازی کنترل‌کننده کش Cache Controller Implementation

• ماشین وضعیت محدود (FSM) برای کنترل‌کننده کش FSM for Cache Controller

اندازه‌گیری و بهبود عملکرد حافظه کش Cache Performance Measurement and Improvement

• معیارهای عملکرد کش: نرخ برخورد (Hit Rate)، نرخ عدم برخورد (Miss Rate) و جریمه عدم برخورد Cache Performance Metrics: Hit Rate, Miss Rate, and Miss Penalty

• تأثیر افزایش اندازه بلوک بر عملکرد Impact of Increasing Block Size on Performance

• تأثیر افزایش انجمنی بودن بر عملکرد Impact of Increasing Associativity on Performance

• بهبود عملکرد با استفاده از کش چندسطحی Improvement in Performance Using Multilevel Cache

• کش قربانی (Victim Cache) Victim Cache

• چرا به انسجام کش (Cache Coherence) نیاز داریم؟ Why Do We Require Cache Coherence?

• پروتکل‌های Snooping Snooping Protocols

ذخیره‌سازهای ثانویه Secondary Storage

• ساختار درایو هارد دیسک Hard Disk Drive Structure

• عملکرد درایو هارد دیسک Hard Disk Drive Performance

• سطوح RAID 0 و 1 RAID Levels 0 and 1

• سطوح RAID 4، 5 و 6 RAID Levels 4, 5, and 6

• ترکیب سطوح RAID Combining RAID Levels

• ذخیره‌ساز حالت جامد (SSD) Solid State Storage