Arquitectura de Computadores

Esta materia ten como obxectivo dar a coñecer aos estudantes a arquitectura dos microprocesadores actuais a as perspectivas tecnolóxicas cara o futuro. Faráse especial énfase nas arquitecturas multinúcleo. Un obxectivo prioritario constitúeo tamén o coñecemento da relación directa entre os diferentes elementos da arquitectura do procesador e o rendemento que é posible acadar mediante a programación.

PROGRAMA

O programa teórico desenvolveráse nun total de 12 clases maxistrais (18 horas). Dedícanse un total de 22 horas de clase a resolución e discusión de casos e realización de prácticas.

TEORÍA

Tema 1: Fundamentos del diseño de computadores.
Introducción.
Clasificación dos computadores.
Concepto e tipos de paralelismo.
Clasificación de arquitecturas paralelas.
Procesadores multinúcleo. Conceptos.
Escalamento de prestacióms en microprocesadores.
Evaluación de rendemento.

Tema2:Paralelismo a nivel de instrucción. Segmentación.
Arquitectura do MIPS: implementacións monociclo e multiciclo.
Segmentación do cauce. Conceptos básicos.
Riesgos na execución:
Estructurais
De datos: bloqueo e forwarding.
De control: tratamento de saltos.
Excepcións
Casos prácticos

Tema 3. Núcleos de procesamento. 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 enerxética


Tema 4: Subsistema de Memoria Compartida
Introdución
Protocolos de coherencia caché
Protocolos de snooping
Protocolos basados en directorios


PROBLEMAS E RESOLUCIÓN DE CASOS (4 horas)

Dedicaranse 4 horas de clase á resolución de problemas e cuestións en relación aos diferentes temas de teoría, e discusión de artigos relacionados coa materia.


PRÁCTICAS (18 horas)

BLOQUE 1: Influenza do sistema de memoria cache nas prestacións


BLOQUE 2: Optimización de prestacións en sistemas multinúcleo

Básica:

Hennessy, John .L. y Patterson, David. A., 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.

Estas referencias son un clásico na docencia en arquitectura de computadores, e cubren extensamente todos os tópicos que se estudan nesta materia.

Complementaria:

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

Referencia interesante que tamén cubre gran parte dos contidos da materia, con énfase nos procesadores superescalares.

NOTA: Todas as referencias relevantes están dispoñibles actualmente en catálogo por parte das editoriais. Se proporcionarán además a través do campus virtual ligazóns a información de interese e pdfs correspondentes a material de acceso libre na rede que é relevante para a asignatura e ás presentacións empregadas nas clases de teoría incluidas as "notas de clase" mencionadas anteriormente.

Contribuír a acadar as competencias recollidas na memoria do título de Grao en Enxeñería Informática na USC (CG4, CG6, CG9, TR1, TR2, TR3, FB5, RI1, RI2, RI9, RI14, TI2). Dunha forma máis detallada:

CG4: Capacidad para definir, avaliar e seleccionar plataformas hardware e software para o desenvolvemento e a execución de sistemas, servicios e aplicacións informáticas, de acordo cos coñecementos adquiridos según o establecido no apartado 5 do "Acuerdo del Consejo de Universidades del 03/03/2009 para los títulos oficiales en el ámbito de la Ingeniería Técnica Informáticade".

CG6. Capacidade para concebir e desenvolver sistemas ou arquitecturas informáticas centralizadas ou distribuídas integrando hardware, software e redes de acordo aos coñecementos adquiridos segundo o establecido no apartado 5 do "Acuerdo del Consejo de Universidades del 03/03/2009 para los títulos oficiales en el ámbito de la Ingeniería Técnica Informática".

CG9. Capacidade para resolver problemas con iniciativa, toma de decións, autonomía e creatividade. Capacidade para saber comunicar e transmitir os coñecementos, habilidades e destrezas da profesión de Enxeñeiro en Informática.

TR1. Instrumentais: capacidade de análese e síntesise. Capacidade de organización e planificación. Comunicación oral e escrita en galego, castelán e inglés. Capacidade de xestión da información. Resolución de problemas. Toma de decisións.

TR2. Personais: Traballo en equipo. Traballo nun equipo multidisciplinar e multilingüe. Habilidades nas relacións interpersonais. Razoamento crítico. Compromiso ético.

TR3. Sistémicas: Aprendizaxe autónomo. Adaptación a novas situacións. Creatividade. Iniciativae espíritu emprendedor. Motivación pola calidade. Sensibilidade por temas medioambientais.

FB5. Coñecemento da estrutura, organización, funcionamento e interconexión dos sistemas informáticos, os fundamentos da súa programación, e a súa aplicación para a resolución de problemas propios da Enxeñaría.

RI1. Capacidade para deseñar, desenvolver, seleccionar e avaliar aplicacións e sistemas informáticos, asegurando a súa fiabilidade, seguridade e calidade, conforme aos principios éticos e a lexislación e normativa vixente.

RI2. Capacidade para planificar, concebir, desplegar e dirixir proxectos, servicios e sistemas informáticos en todos os ámbitos, liderando a súa posta en marcha e súa mellora continua e valorando o seu impacto económico e social.

RI9. Capacidade para coñecer, comprender e avaliar a estructura e arquitectura dos computadores, así como os compoñentes básicos que os conforman.

RI14. Coñecemento e aplicación dos principios fundamentais e técnicas básicas da programación paralela, concorrente, distribuída e de tiempo real.

TI2. Capacidade para seleccionar, deseñar, desplegar, integrar, avaliar, construir, xestionar, explotar e manter as tecnoloxías de hardware, software e redes, dentro dos parámetros de coste e de calidade axeitados.


Competencias asociadas ao módulo de enxeñería de computadores dentro do grao:

- Adquirir unha visión completa da arquitectura e organización dos microprocesadores actuais dende os sistemas monoprocesador clásicos até os sistemas multinúcleo.

Clases maxistrais (18 horas): Nestas clases o profesor desenvolverá dun xeito resumido os contidos do programa teórico.

Clases prácticas (18 horas): estas clases dedicaránse a desenvolver o programa de prácticas da materia. Os alumnos serán o elemento activo nestas clases, e o profesor guiará a aprendizaxe ante as cuestións e dúbidas plantexadas polo alumnos. Os enunciados das prácticas, así como o material de axuda (tutoriales, etc) estarán dispoñibles no campus virtual da USC.

Clases para resolución de exercicios (4 horas): nestas clases resolveránse os problemas e cuestións que se plantexen asociadas aos diferentes temas. O obxectivo é que estes exercicios sirvan de elemento motivador para o estudo da materia.
As tutorías se desenvolverán telemáticamente usando Microsoft Teams.

Desenvolvemento de competencias:

CG4 e CG6: a materia contribúe a desenvolver estas competencias a través do coñecemento da arquitectura dos microprocesadores e o sistema de memoria principal. Nas clases expositivas desenvólvense os principais conceptos e amónsase numerosos exemplos; nas clases interactivas os alumnos teñen a oportunidade de realizar exercicios de exploración relacionados con estas cuestións e nas clases interactivas de caracter práctico, os alumnos deseñan programas que posteriormente avalían sobre plataformas de computación. Todas estas accións permiten ao alumno adquirir a capacidade de definir, avaliar e seleccionar plataformas hardware e arquitecturas informáticas centralizadas ou distribuídas, no que se refiere ao microprocesador e o sistema de memoria principal.

CG9: Na resolución de problemas, e sobre todo nas prácticas propostas os alumnos desenvolven implícitamente esta competencia. En moitos casos os exercicios son abertos o que obriga a toma de decisións, busca de información de xeito autónomo e a aplicación de solucións creativas. As dúas prácticas que se plantexan son dunha complexidade suficiente como para permitir explorar de xeito autónomo e creativo as diferentes solucións e compromisos que os requirimentos permiten. Os alumnos deben entregar os problemas por escrito e unha memoria de cada unha das prácticas. O profesor fai énfase na importancia na calidade da comunicaicón de resultados, dando indicacións precisas ao respecto. Case todos os alumnos teñen a oportunidade de presentar ao resto de compañeiros a súa solución a algún dos exercicios propostos. Nesta fase o profesor traballa cos alumnos a capacidade dunha comunicación efectiva de resultados nun tempo limitado.


TR1: Desenvolvense os seguintes aspectos:

- Capacidade de análise e síntese:

As dúas prácticas da materia pretenden potenciar esta capacidade nos alumnos. Básicamente consisten en levar a cabo unha serie de experimentos cos que obteñen datos experimentais. Posteriormente deben analizar os resultatos e facer unha interpretación coherente dos mesmos.

- Capacidade de organización e planificación

Todos os exercicios e prácticas a entregar teñen plazos estrictos de entrega, polo que os alumnos teñen un claro incentivo a mellorar as súas capacidades de organización e planificación. Para axudar aos alumnos, no caso das prácticas, ademais do prazo de entrega, indícase o número de sesións de prácticas recomendado para cada unha delas.

- Comunicación oral e escrita en lengua nativa e extranxeira

A calidade da presentación e redacción das memorias das prácticas aparecen nos criterios de valoración
das mesmas. Dedicamos algún tempo a discutir como debe ser a estrucutra das memorias e os aspectos máis relevantes para acadar resultados de calidade.

Na interacción cos alumnos nas clases prácticas, ante as dúbidas dos alumnos, o profesor ten por norma non mirar a pantalla do ordenador, e polo tanto o alumno ten que explicarlle verbalmente ao profesor o problema que lle xurdiu dun xeito conciso e claro.

No canto da lingua extranxeira, os alumnos teñen que consultar manuais e documentos en inglés para levar a cabo algúns exercicios e prácticas.

- Resolución de problemas

Nos exercicios que teñen que entregar os alumnos aparecen algúns "problemas" que requiren un maior grao de elaboración, con solucións abertas nas que o alumno ten que asumir certas suposicións razoables.

TR2: Desenvólvense os seguintes aspectos:

- Traballo en equipo

As prácticas lévanse a cabo en grupos de dúas persoas, o que esixe certa coordinación. Por outra banda, para a resolución de exercicios e problemas, incentívase aos alumnos a discutir as cuestións en equipo.

- Razonamiento crítico

O alumnos participan na resolución de cuestións e problemas nas clases interactivas. Pídeselles que opinen e critiquen as solucións propostas por outros compañeiros.

- Compromiso ético

Faise moita incidencia na necesidade de evitar o plaxio polo inxusto que resulta, e polos riscos que implica: faise saber que existe unha normativa antiplaxio na Escola que poder ter serias consecuencias, e que o profesor non vacilará en aplicalo se detecta casos claros.

TR3: Desenvólvense os seguintes aspectos:

- Aprendizaxe autónomo

Algunhas partes da materia no se explican en detalle en clase e simplemente se lles proporciona
o material para o seu estudo autónomo.

Nas prácticas teñen que traballarse algúns conceptos que non foron explicados en detalle, polo
que o propio alumno ten que profundizar de xeito autónomo.

- Creatividade

Este é un criterio que se valora na notas das prácticas: creatividade e elegancia das solucións aportadas.
Por outra banda algúns dos problemas propostos son bastante abertos, o que require certo grao de
creatividade para aportar unha solución elegante.

- Motivación pola calidade

Este é un criterio que se valora na nota de prácticas e exercicios, facendo un énfase explicito neste aspecto
cando se propoñen os enunciados. Explícase con exemplos cal é obxectivo e como conseguilo en térmos de calidade e o alumno ten o incentivo para aplicalo debido aos criterios de avaliación.

- Sensibilidade cara os temas medioambientais

Polos temas tratados na materia faise énfase no problema do consumo de potencia/enerxía dos microprocesadores, e a necesidade de reducilo para contribuir a unha sociedade sostible. Por outra banda, cando é necesario entregar exercicios ou memorias de prácticas índicase que se utilice o mínimo papel posible, e con materias austeros (por exemplo encadernación con grapas, etc)

FB5: a materia profundiza nesta competencia a través dos coñecementos que adquiren os alumnos da arquitectura dos microprocesadores e o sistema de memoria principal. Faise énfase nas clases expositivas nas implicacións que ten a arquiectura no modelo de programación (a efectos de programación multifío e programación vectorial). A segunda práctica permite desenvolver tamén esta competencia xa que os alumnos teñen que programar un problema de Enxeñaría (de complexidade limitada) co obxectivo de explotar ao máximo as capacidades de acelerar as computacións presentes nos microprocesadores actuais.

RI1: nas dúas prácticas da materia, os alumnos teñen que desenvolver unha pequena aplicación que permite avaliar o desempeño en certos aspectos dos microprocesadores que se utilizan como plataforma de probas. Facemos un énfase importante na fiabilidade e calidade dos programas realizados, discutindo sobre a importante destas cuestións e co incentivo de telos en conta nos criterios de avaliación.

RI2 e RI9: O microprocesador e o seu sistema de memoria é unha parte esencial de calquera sistema informático. Polo tanto os contidos que se imparten en relación ao coñecemento dos microprocesadores e o sistema de memoria contribuen a desenvolver estas competencias. Os aspectos de consumo de enerxía e potencia que abo rdamos resultan tamén esenciais á hora de valorar o impacto económico e social en calquera proxecto.

RI14: como parte dos contidos sobre microprocesadores, abordamos o estudo dos microprocesadores multinúcleo, dende o punto de vista da súa arquitectura e a súa posible evolución no futuro. Introducimos ao alumno na progrmación paralela e concorrente mediante a segunda práctica, na que o alumno ten que paralelizar un problema con técnicas multifío e vectoriais.

TI2: as diferentes actividades docentes que realizamos, así como os incentivos no sistema de avaliación contribúen a desenvolver os diferentes aspectos desta competencia, no marco que afecta ao microprocesador e ao sistema de memoria, e até centro grao, o modelo de programación software.

En canto ás "Competencias asociadas ao módulo de Enxeñería de Computadores" dentro do grao:

- Adquirir unha visión completa da arquitectura e organización dos microprocesadores actuais dende os sistemas monoprocesador clásicos até os sistemas multinúcleo.

Todas as activadades docentes da matería están enfocadas para traballar esta competencia en profundidade.

REQUISITOS PARA APROBAR EN CALQUERA CONVOCATORIA:
-Para aprobar a materia será imprescindible obter a mínima puntuación de aprobado (5 puntos sobre 10) tanto na parte de avaliación continua como na do exame.

Contribución á nota final e criterios de avaliación:

- Prácticas (50%): consistirá en prácticas e exercicios que serán avaliados. Valoraráse o grao de cumprimento das especificacións, a metodoloxía e rigurosidade, e presentación de resultados. As prácticas se avaliarán a partir do material entregado dentro das datas límite establecidas. Os exercicios se avaliarán na aula. Non se aprobarán as prácticas se nalgunha delas se obtivo unha puntuación inferior a 4 puntos sobre 10.

- Exame (50%): ao final do cuadrimestre realizarase un exame sobre os contidos teóricos da materia. Este exame será de cuestións e problemas cortos para determinar o grao de asimilación dos diferentes conceptos discutidos nos catro.

A asistencia a clase non é obrigatoria excepto as clases de prácticas adicadas á resolución de exercicios en grupos reducidos, que se avaliarán na aula e a unha clase por cada práctica que será avisada polo profesor con antelación.


Oportunidade de recuperación (Xullo) e extraordinaria: Non hai evaluación da parte de prácticas da asignatura en xullo (segunda oportunidade). A distribución de notas será igual que na convocatoria ordinaria.

Condición para cualificación de Non Presentado: non presentar ningunha práctica e non presentarse ao exame.

Con 4.5 créditos ECTS, o traballo persoal do alumnado debe ser dunhas 67.5 horas, distribuídas do seguinte xeito:

- Estudo autónomo: 25 horas, dedicadas á asimilacíon dos contidos teóricos, e preparación de asignacións por parte do profesor para desenvolver na clase algunha das partes do programa teórico.
- Escritura de exercicios, conclusións e outros traballos: 12 horas, fundamentalmente dedicadas á preparación dos problemas e exercicios.
- Programación/experimentación: 20 horas, dedicadas á resolución das prácticas e preparación de resultados para a súa presentación.
- Actividades de avaliación: 10.5 horas, dedicadas á realización do exame e actividades adicionais relacionadas coa avaliación de prácticas e exercicios.

A programación da materia será de tal xeito que a distribución do número de horas de traballo persoal ao longo do cuadrimestre sexa o máis uniforme posible. A distribución deste esforzo pode variar ao longo do cuadrimestre, en especial na etapa de elaboración e presentación de resultados de prácticas, problemas e exercicios.

A materia está deseñada para que o alumnado participe activamente e de xeito regular durante o seu desenvolvemento. É importante ter claros os conceptos básicos relacionados co computador estudiados en Fundamentos de Computadores (Arquitectura Von Newman, pasos na execución de unha instrucción, xerarquía de memoria,...) , xa que se construirá a asignatura a partir de ditos contidos.

A asignatura impartirase en castelán