Arquitectura de Computadores

Esta materia tiene como objetivo dar a conocer al estudiantado s la arquitectura de los microprocesadores actuales y las perspectivas tecnológicas cara el futuro. Se hará especial énfasis en las arquitecturas multinúcleo. Un objetivo prioritario lo constituye también el conocimiento de la relación directa entre los diferentes elementos de la arquitectura del procesador y el rendimiento que es posible conseguir mediante la programación.

PROGRAMA

El programa teórico se desarrollará en un total de 12 clases magistrales (18 horas). Se dedican un total de 22 horas de clase a resolución y discusión de casos y realización de prácticas.

TEORÍA

Tema 1: Fundamentos del diseño de computadores.
Introducción.
Clasificación de los computadores.
Concepto y tipos de paralelismo.
Clasificación de arquitecturas paralelas.
Procesadores multinúcleo. Conceptos.
Escalamiento de prestaciones en microprocesadores.
Evaluación de rendimiento.

Tema2:Paralelismo a nivel de instrucción. Segmentación.
Arquitectura del MIPS: implementaciones monociclo y multiciclo.
Segmentación del cauce. Conceptos básicos.
Riesgos en la ejecución:
Estructurales
De datos: bloqueo y forwarding.
De control: tratamiento de saltos.
Excepciones
Casos prácticos

Tema 3. Núcleos de procesamiento. Paralelismo a nivel de instrucción.
Emisión múltiple estática y dinámica.
MIPS con emisión dual estática.
Emisión múltiple dinámica
Emisión múltiple y planificación estática
Planificación dinámica
Especulación basada en hardware
Eficiencia energética


Tema 4: Subsistema de Memoria Compartida
Introducción
Protocolos de coherencia caché
Protocolos de snooping (arquitecturas con memoria centralizada (UMA) con red escalable)
Ejemplo de protocolo de snooping
Protocolos basados en directorios (arquitecturas de multiprocesador de memoria físicamente distribuida (CC-NUMA))
Ejemplo de protocolo basado en directorio


PROBLEMAS E RESOLUCIÓN DE CASOS (4 horas)

Se dedicarán 4 horas de clase a la resolución de problemas y cuestiones en relación a los diferentes temas de teoría.

PRÁCTICAS (18 horas)

BLOQUE 1: Influencia del sistema de memoria cache en las prestaciones

BLOQUE 2: Optimización de prestaciones en sistemas multinúcleo

Básica.

Hennessy, John .L. Y Patterson, David. L., Computer Architecture: A Quantitative Approach, 5 Edición, USA, Morgan Kaufmann, 2011, 978-0123838728.

Patterson, David. A. y Hennessy, John .L., Computer Organization and Design ARM Edition: The Hardware Software Interface, 4 Edición, USA, Morgan Kaufmann, 2017, 978-0128017333.

Complementaria:

Shen, J.P. Y Lipasti, M.H., Modern Processor Design: Fundamentals of Superescalar Processors, 3 Edición, USA, Waveland Press, 2013, 9781478610762.

Referencia interesante que también cubre gran parte de los contenidos de la materia, con énfasis en los procesadores superescalares.

NOTA: Todas las referencias relevantes están disponibles actualmente en catálogo por parte de las editoriales. Se proporcionarán además a través del campus virtual enlaces a información de interés y pdfs correspondientes a material de acceso libre en la red relevante para la asignatura y a las presentaciones utilizadas en las clases de teoría incluidas las "notas de clase" mencionadas anteriormente.

Contribuir a alcanzar las competencias recogidas en la memoria del título de Grado en Ingeniería Informática en la USC (CG4, CG6, CG9, TR1, TR2, TR3, FB5, RI1, RI2, RI9, RI14, TI2).

De una forma más detallada:

CG4: Capacidad para definir, evaluar y seleccionar plataformas hardware y software para el desarrollo y la ejecución de sistemas, servicios y aplicaciones informáticas, de acuerdo con los conocimientos adquiridos según lo establecido en el apartado 5 del "Acuerdo del Consejo de Universidades del 03/03/2009 para los títulos oficiales en el ámbito de la Ingeniería Técnica Informática".

CG6. Capacidad para concebir y desarrollar sistemas o arquitecturas informáticas centralizadas o distribuídas integrando hardware, software y redes de acuerdo a los conocimientos adquiridos segun lo establecido en el apartado 5 del "Acuerdo del Consejo de Universidades del 03/03/2009 para los títulos oficiales en el ámbito de la Ingeniería Técnica Informática".

CG9. Capacidad para resolver problemas con iniciativa, toma de decisiones, autonomía y creatividad. Capacidad para saber comunicar y transmitir los conocimientos, habilidades y destrezas de la profesión de Ingeniero en Informática.

TR1. Instrumentales: capacidad de análisis y síntesis. Capacidad de organización y planificación. Comunicación oral y escrita en gallego, castellano e inglés. Capacidad de gestión de la información. Resolución de problemas. Toma de decisiones.

TR2. Personales: Trabajo en equipo. Trabajo en un equipo multidisciplinar y multilingüe. Habilidades en las relaciones interpersonales. Razonamiento crítico. Compromiso ético.

TR3. Sistémicas: Aprendizaje autónomo. Adaptación a nuevas situaciones. Creatividad. Iniciativa, espíritu emprendedor. Motivación por la calidad. Sensibilidad por temas medioambientales.

FB5. Conocimiento de la estructura, organización, funcionamiento e interconexión de los sistemas informáticos, los fundamentos de su programación, y su aplicación para la resolución de problemas propios da la Ingeniería.

RI1. Capacidad para diseñar, desenvolver, seleccionar y evaluar aplicaciones y sistemas informáticos, asegurando su fiabilidad, seguridad y calidad, conforme a los principios éticos y la legislación y normativa vigente.

RI2. Capacidad para planificar, concebir, desplegar y dirigir proyectos, servicios y sistemas informáticos en todos los ámbitos, liderando su puesta en marcha y su mejora continua y valorando su impacto económico y social.

RI9. Capacidad para conocer, comprender y evaluar la estructura y arquitectura de los computadores, así como los componentes básicos que los conforman.

RI14. Conocimiento y aplicación de los principios fundamentales y técnicas básicas de la programación paralela, concurrente, distribuida y de tiempo real.

TI2. Capacidad para seleccionar, diseñar, desplegar, integrar, evaluar, construir, gestionar, explotar y mantener las tecnologías hardware, software y redes, dentro de los parámetros de coste y de calidad adecuados.

Competencias asociadas al módulo de Ingeniería de Computadores dentro del Grado:

- Adquirir una visión completa de la arquitectura y organización de los microprocesadores actuales desde los sistemas monoprocesador clásicos hasta los sistemas multinúcleo.

Clases magistrales (18 horas): En estas clases el profesor desarrollará de una manera resumida los contenidos del programa teórico.

Clases prácticas (18 horas): estas clases se dedicarán a desarrollar el programa de prácticas de la materia. El alumnado será el elemento activo en estas clases, y el profesor guiará el aprendizaje ante las cuestiones y dudas planteadas por los alumnos. Los enunciados de las prácticas, así como el material de ayuda (tutoriales, etc) estarán disponibles en el campus virtual de la USC.

Clases prácticas para resolución de ejercicios (4 horas): en estas clases se resolverán los problemas y cuestiones que se planteen asociadas a los diferentes temas. El objetivo es que estos ejercicios sirvan de elemento motivador para el estudio de la materia.

Desarrollo de competencias:

CG4 e CG6: la materia contribuye a desarrollar estas competencias a través del conocimiento de la arquitectura de los microprocesadores y el sistema de memoria principal. En las clases expositivas se desarrollan los principales conceptos y se muestran numerosos ejemplos; en las clases interactivas los alumnos tienen la aportunidad de realizar ejercicios de exploración relacionados con estas cuestiones, y en las clases interactivas de carácter práctico, los alumnos diseñan programas que posteriormente evalúan sobre plataformas de computación. Todas estas acciones permiten al alumno adquirir la capacidad de definir, evaluar y seleccionar plataformas hardware y arquitecturas informáticas centralizadas o distribuídas, en lo que se refiere al microprocesador y al sistema de memoria principal.

CG9: En la resolución de problemas, y sobre todo en las prácticas propuestas, los alumnos desarrollan implicitamente esta competencia. En muchos casos los ejercicios son abiertos, lo que obliga a la toma de decisiones, buscar información de forma autónoma y la aplicación de soluciones creativas. Las dos prácticas que se plantean son de una complejidad suficiente como para permitir explorar de forma autónoma y creativa las diferentes soluciones y compromisos que los requerimientos permiten. Los alumnos deben entregar los problemas por escrito y una memoria de cada una de las prácticas. El profesor hace énfasis en la importancia de la calidad de la comunicación de resultados, dando indicaciones precisas al respecto. Casi todos los alumnos tienen la oportunidad de presentar al resto de compañeros su solución de alguno de los ejercicios propuestos. En esta fase el profesos trabaja con los alumnos la capacidad de comunicación efectiva de resultados en un tiempo limitado.

TR1: Se desarrollan los siguientes aspectos:
- Capacidad de análisis y síntesis: las dos prácticas de la materia pretenden potenciar esta capacidad en los alumnos. Básicamente consisten en llevar a cabo una serie de experimentos con los que obtienen datos experimentales. Posteriormente deben analizar los resultados y hacer una interpretación coherente de los mismos.

- Capacidad de organización y planificación: todos los ejercicios y prácticas a entregar tienen plazos estrictos de entrega, por lo que los alumnos tienen un claro incentivo a mejorar sus capacidades de organización y planificación. Para ayudar a los alumnos, en el caso de las prácticas, además del plazo de entrega, se indica el número de sesiones de prácticas recomendado para cada una de ellas.
- Comunicación oral y escrita en lengua nativa y extranjera: la calidad de presentación y redacción de las memorias de las prácticas aparecen en los criterios de valoración de las mismas. Dedicamos algún tiempo a discutir como debe ser la estructura de las memorias y los aspectos más relevantes para alcanzar resultados de calidad. En la interacción con los alumnos en las clases prácticas, ante las dudas de los alumnos, el profesos tiene por norma no mirar la pantalla del ordenador, y por tanto el alumno tiene que explicarle verbalmente al profesor el problema que tiene de una forma concisa y clara. En lo que se refiere a la lengua extranjera, los alumnos tienen que consultar manuales y documentos en inglés para llevar a cabo algunos de los ejercicios y prácticas.

- Resolución de problemas: en los ejercicios que deben entregar los alumnos, aparecen algunos “problemas” que requieren un mayor grado de elaboración, con soluciones abiertas en las que el alumno tiene que asumir ciertas suposiciones razonables.

TR2: Se desarrollan los siguientes aspectos:
- Trabajo en equipo: Las prácticas se llevan a cabo en grups de dos personas, lo que exige cierta coordinación. Por otra parte, para la resolución de ejercicios y problemas, se incentivas a los alumnos a discutir las cuestiones en equipo.
- Razonamiento crítico: los alumnos participan en la resolución de cuestiones y problemas en las clases interactivas. Se les pide que opinen y critiquen las soluciones propuestas por otros compañeros.
- Compromiso ético: se hará mucha especial incidencia en evitar el plagio por lo injusto que resulta, y por los riesgos que implica: se hará saber que existe una normativa antiplagio en la Escuela que puede tener serias consecuencias, y que el profesor no vacilará en aplicarlo si detecta casos claros.

TR3: Se desarrollarán los siguientes aspectos:

- Aprendizaje autónomo: algunas partes de la materia no se explican en detalle en clase y simplemente se les proporciona material para su estudio autónomo. En las prácticas es necesario profundizar en algunos conceptos que no fueron explicados en detalle en clase, por lo que el propio alumno tiene que profundizar en estos conceptos de forma autónoma.

- Creatividad: este es un criterio que se valora en la nota de las prácticas – creatividad y elegancia de las soluciones aportadas. Por otra parte, algunos de los problemas propuestos son muy abiertos, lo que requiere cierto grado de creatividad para aportar una solución elegante.

- Motivación por la calidad: este es un criterio que se valora en la nota de prácticas y ejercicios, haciendo un énfasis explícito en este aspecto cuando se proponen los enunciados. Se explica con ejemplos cual es el objetivo y como conseguirlo en términos de calidad y el alumno tiene el incentivo para aplicarlo debido a los criterios de evaluación.

- Sensibilidad hacia los temas medioambientales: por los temas tratados en la materia se hara especial énfasis en el problema del consumo de potencia/energía de los microprocesadores, y en la necesidad de reducirlo para contribuir a una sociedad sostenible. Por otra parte, cuando es necesario entregar ejercicios o memorias de prácticas se indica que utilice el mínimo papel posible, y con materiales austeros (por ejemplo encuadernación con grapas, etc).

FB5: la materia profundiza en esta competencia a través de los conocimientos que adquieren los alumnos de la arquitectura de los microprocesadores y los sistemas de memoria principal. Se hace especial énfasis en las clases expositivas en las implicaciones que tiene la arquitectura en el modelo de programación (a efectos de programación multihilo y programación vectorial). La segunda práctica permite desarrollar también esta competencia ya que los alumnos tienen que programar un problema de Ingeniería (de complejidad limitada) con el objetivo de explotar al máximo las capacidades de acelerar las computaciones presentes en los microprocesadores actuales.

RI1: en las dos prácticas de la materia, los alumnos tienen que desarrollar una pequeña aplicación que permite evaluar ciertos aspecto de los microprocesadores que se utilizan como plataforma de prueba. Se hace especial énfasis en la fiabilidad y calidad de los programas realizados, discutiendo sobre lo importante de estas cuestiones y como incentivo de los mismos, se tienen en cuenta en los criterios de evaluación.

RI2 y RI9: el microprocesador y el sistema de memoria es una parte esencial de cualquier sistema informático. Por lo tanto, los contenidos que se imparten en relación al conocimiento de los microprocesadores y al sistema de memoria contribuyen a desarrollar estas competencias. Los aspectos de consumos de energía y potencia que abordamos resultan también esenciales a la hora de valorar el impacto económico y social en cualquier proyecto.

RI14: como parte de los contenidos sobre microprocesadores, abordamos el estudio de los microprocesadores multinúcleo, desde el punto de vista de su arquitectura y su posible evolución futura. Introducimos al alumno en la programación paralela y concurrente mediante la segunda práctica, en la que el alumno tiene que paralelizar un problema con técnicas multihilo y vectoriales.

TI2: las diferentes actividades docentes que realizamos, así como los incentivos del sistema de evaluación contribuyen a desarrollar los diferentes aspectos de esta competencia, en el marco que afecta al microprocesador y al sistema de memoria, y hasta cierto punto, al modelo de programación software.

En cuanto a las "Competencias asociadas al módulo de Enxeñería de Computadores" dentro del grado:

- Adquirir una visión completa de la arquitectura y organización de los microprocesadores actuales desde los sistemas de un solo núcleo clásicos hasta los sistemas multinúcleo.

Todas las actividades docentes de la materia están enfocadas para trabajar esta competencia en profundidad.

REQUISITOS PARA APROBAR EN CUALQUIER CONVOCATORIA:
-Para aprobar La materia será imprescindible obtener a mínima puntuación de aprobado (5 puntos sobre 10) tanto en la parte de evaluación continua como en la del examen.

Contribución a la nota final y criterios de evaluación:

- Prácticas (50%): se valorará el grado de cumplimiento de las especificaciones, la metodología y rigurosidad, y presentación de resultados. Las prácticas se evaluarán a partir de material entregado dentro de las fechas límite establecidas. Los ejercicios se evaluarán en el aula. No se podrá aprobar las prácticas si en alguna de ellas se ha obtenido una puntuación inferior a 4 puntos sobre 10.

- Examen (50%): al final del cuatrimestre se realizará un examen sobre los contenidos teóricos de la materia. Este examen consistirá en cuestiones cortas para determinar el grado de asimilación de los diferentes conceptos discutidos en los cuatro temas.

La asistencia a las clases no es obligatoria excepto a las clases de prácticas dedicadas a la resolución de ejercicios en grupos reducidos, que se evaluarán en el aula, y a una clase por cada práctica que será avisada por el profesor con antelación.

Para poder superar la materia deberá obtenerse una puntuación mínima de 5 sobre 10 en las Prácticas y 5 sobre 10 en el Examen. Para superar la materia, debe conseguirse una puntuación total de 5 sobre 10 o superior.

Oportunidad de recuperación (Julio) y extraordinaria: No hay evaluación de la parte de prácticas da asignatura en julio. La distribución de notas será igual que en la convocatoria ordinaria.

Condición para calificación de No Presentado: no presentar ninguna práctica y no presentarse al examen.

Con 4.5 créditos ECTS, el trabajo personal del alumnado debe ser de unas 67.5 horas, distribuidas de la siguiente manera:

- Estudio autónomo: 25 horas, dedicadas a la asimilación de los contenidos teóricos, y preparación de asignaciones por parte del profesor para desarrollar en clase alguna de las partes del programa teórico.
- Escritura de ejercicios, conclusiones y otros trabajos: 12 horas, fundamentalmente dedicadas a la preparación de los problemas y ejercicios.
- Programación/experimentación: 20 horas, dedicadas a la resolución de las prácticas y preparación de resultados para su presentación.
- Actividades de evaluación: 10.5 horas, dedicadas a la realización del examen y actividades adicionales relacionadas con la evaluación de prácticas y ejercicios.

La programación de la materia será de tal forma que la distribución del número de horas de trabajo personal a lo largo del cuatrimestre sea el más uniforme posible. La distribución de este esfuerzo puede variar a lo largo del cuatrimestre, en especial en la etapa de elaboración y presentación de resultados de prácticas, problemas y ejercicios.

La materia está diseñada para que el alumnado participe activamente y de manera regular durante su desarrollo. Es importante tener claros los conceptos básicos relacionados con el computador estudiados en Fundamentos de Computadores, ya que se construirá la asignatura a partir de ellos.

La asignatura se impartirá en castellano