Arquitectura de Computadors d'Altes Prestacions

Esteu aquí

Crèdits
6
Tipus
Obligatòria
Requisits
Aquesta assignatura no té requisits, però té capacitats prèvies
Departament
DAC
El principal objectiu d'aquesta assignatura és que l'alumne adquireixi els fonaments de les tècniques utilitzades a nivell de microarquitectura en els computadors d'altes prestacions, tenint en compte les implicacions en energia i potència. Un altre objectiu és l'adquisició de les tècniques utilitzades a nivell d'arquitectura per suportar la implementació eficient de sistemes operatius.
El contingut de l'assignatura cobreix l'aplicació de les tècniques de segmentació i paral · lelisme en el disseny de processadors. En concret els temes desenvolupats capaciten per a l'avaluació del rendiment d'un sistema de còmput en executar aplicacions i el coneixement del suport de l'arquitectura per a una implementació eficient de sistemes operatius. A més capaciten per a la utilització de llenguatges de descripció hardware i la seva utilització per a la descripció d'elements d'un processador.

Professors

Responsable

  • Jose M. Llaberia Griñó ( )

Altres

  • Angel Olivé Duran ( )
  • Miquel Moretó Planas ( )

Hores setmanals

Teoria
1.5
Problemes
1.5
Laboratori
1
Aprenentatge dirigit
0
Aprenentatge autònom
7.46

Competències

Competències Tècniques de cada especialitat

Específiques

  • CTE1 - Capacitat per a modelar, dissenyar, definir l'arquitectura, implantar, gestionar, operar, administrar i mantenir aplicacions, xarxes, sistemes, serveis i continguts informàtics.
  • CTE6 - Capacitat per a dissenyar i avaluar sistemes operatius i servidors, i aplicacions i sistemes basats en computació distribuïda.
  • CTE7 - Capacitat per a comprendre i poder aplicar coneixements avançats de computació d'altes prestacions i mètodes numèrics o computacionals a problemes d'enginyeria.

Competències Tècniques Generals

Genèriques

  • CG1 - Capacitat per a projectar, calcular, i dissenyar productes, processos i instal·lacions en tots els àmbits de l'Enginyeria Informàtica
  • CG3 - Capacitat per a dirigir, planificar i supervisar equips multidisciplinaris.
  • CG4 - Capacitat pel modelat matemàtic, càlcul i simulació en centres tecnològics i d'enginyeria d'empresa, particularment en tasques de recerca, desenvolupament i innovació en tots els àmbits relacionats amb l'Enginyeria en Informàtica.
  • CG6 - Capacitat per a la direcció general, direcció tècnica i direcció de projectes de recerca, desenvolupament i innovació en empreses i centres tecnològics, en l'àmbit de l'Enginyeria en Informàtica.
  • CG8 - Capacitat per a l'aplicació dels coneixements adquirits i de resoldre problemes en entorns nous o poc coneguts dins de contexts més amplis i multidisciplinaris, essent capaços d'integrar aquests coneixements.

Competències Transversals

Actitud adequada davant el treball

  • CTR5 - Tenir motivació per a la realització professional i per a afrontar nous reptes, tenir una visió àmplia de les possibilitats de la carrera professional en l'àmbit de l'enginyeria en informàtica. Sentir-se motivat per la qualitat i la millora contínua, i actuar amb rigor en el desenvolupament professional. Capacitat d'adaptació als canvis organitzatius o tecnològics. Capacitat de treballar en situacions de carència d'informació i/o amb restriccions temporals i/o de recursos.

Bàsiques

  • CB6 - Que els estudiants sàpiguen aplicar els coneixements adquirits y la seva capacitat de resolució de problemes en entorns nous o poc coneguts dins de contexts més amplis (o multidisciplinaris) relacionats amb la seva àrea d'estudi.

Objectius

  1. Capacitació per aplicar les tècniques de segmentació i paral · lelisme en el disseny de processadors.
    Competències relacionades: CTE1, CTR5,
  2. Capacitació per avaluar el rendiment d'un sistema de còmput en executar aplicacions.
    Competències relacionades: CTE6, CTE7, CTR5, CG4,
  3. Capacitació per explotar les capacitats d'un sistema de còmput i suportar o ocultar les debilitats.
    Competències relacionades: CTE7, CTR5, CG4,
  4. Capacitació per a dissenyar i avaluar el suport de l'arquitectura per a una implementació eficient de sistemes operatius.
    Competències relacionades: CTE6, CTR5,
  5. Capacitació per a la utilització d'un llenguatge de descripció hardware i la seva aplicació en l'especificació d'elements d'un processador.
    Competències relacionades: CTE1, CTE7, CG1, CG3, CG6, CG8,

Continguts

  1. Computador i mètriques d'avaluació
    Elements constituents d'un computador, funcionament, jerarquia de memòria, multifil, consum d'energia i mètriques d'avaluació
  2. Segmentació i paral · lelisme
    Utilització de les tècniques de segmentació i paral · lelisme per incrementar la productivitat. Recursos necessaris
  3. Segmentació del procés d'interpretació d'instruccions
    Camí de dades d'un processador segmentat lineal i el control del mateix. Concepte de riscos de dades i de seqüenciament. Adequació de semàntiques
  4. Increment de prestacions
    Tècniques programari i maquinari per reduir el nombre de cicles perduts en un processador segmentat
  5. Processador multicicle i superescalar
    Interpretació d'instruccions amb latència d'execució més gran que la latència d'inici. Utilització de la tècnica de paral · lelisme per interpretar instruccions
  6. Excepcions i interrupcions
    Necessitats en el camí de dades i en el control del mateix per a l'atenció d'interrupcions i excepcions i la seva gestió
  7. Multiprocessadors
    Elements d'un sistema multiprocessador. Cache privades. Xarxa d'interconnexió. Conceptes de consistencia de memòria i coherència de cache.
  8. Llenguatge de descripció hardware VHDL
    Aprenentatge d'un llenguatge de descripció de maquinari

Activitats

Activitat Acte avaluatiu


Llenguatge de descripció hardware

Aprenentatge del llenguatge VHDL per descriure i simular circuits lògics. Descripció de components bàsics en el camí de dades d'un processador i la seva verificació posterior
  • Laboratori: Descripció i verificació d'un sumador d'un bit. Utilització de la descripció prèvia per descriure i verificar un sumador de quatre bits. Descripció i verificació d'un camí de dades amb un banc de registres i un sumador
  • Aprenentatge autònom: Aprenentatge dels constructors bàsics VHDL per descriure circuits combinatoris i seqüencials. Aprenentatge de les tècniques de verificació de circuits. Preparació de les pràctiques de laboratori associades, contestar a les preguntes i reflexionar sobre les respostes
Objectius: 5
Continguts:
Teoria
0h
Problemes
0h
Laboratori
5h
Aprenentatge dirigit
0h
Aprenentatge autònom
14h

Anàlisi d'un processador sèrie

Estudi del camí de dades d'un processador sèrie. Identificació de les parts del camí de dades utilitzades per cada tipus d'instrucció. Anàlisi i càlcul del temps d'espera per a cada tipus d'instrucció i determinació del temps de cicle del processador
  • Laboratori: Realitzar les accions i comprovacions que s'indiquen a la documentació
  • Aprenentatge autònom: Estudiar la documentació de la pràctica, contestar a les preguntes i reflexionar sobre les respostes
Objectius: 2
Continguts:
Teoria
0h
Problemes
0h
Laboratori
3h
Aprenentatge dirigit
0h
Aprenentatge autònom
6h

Disseny del control d'un processador segmentat. Determinació del temps de cicle

Anàlisi de camí de dades. Disseny del control per a un funcionament que s'adeqüi a la semàntica del llenguatge màquina. Determinació del temps de cicle
  • Laboratori: Realitzar les accions i comprovacions que s'indiquen a la documentació i implementar el control del camí de dades
  • Aprenentatge autònom: Estudiar la documentació de la pràctica, dissenyar el control del camí de dades, contestar les preguntes i reflexionar sobre les respostes
Objectius: 1
Continguts:
Teoria
0h
Problemes
0h
Laboratori
3h
Aprenentatge dirigit
0h
Aprenentatge autònom
8h

Disseny d'un processador millorat

Disseny d'un processador segmentat amb curtcircuits per reduir els cicles perduts i el control del camí de dades resultant
  • Laboratori: Realitzar les accions i comprovacions que s'indiquen a la documentació i implementar el control del camí de dades amb curtcircuits
  • Aprenentatge autònom: Estudiar la documentació de la pràctica, dissenyar el control del camí de dades amb curtcircuits, contestar a les preguntes i reflexionar sobre les respostes
Objectius: 1 3
Continguts:
Teoria
0h
Problemes
0h
Laboratori
3h
Aprenentatge dirigit
0h
Aprenentatge autònom
7h

Computador i mètriques d'avaluació

Desenvolupament del tema 1 de l'assignatura
  • Teoria: Descripció dels components bàsics d'un computador Von-Neumann incloent la jerarquia de memòria. Exposició de les mètriques d'avaluació utilitzades usualment
  • Problemes: Realització de problemes relacionats amb el tema
  • Aprenentatge autònom: Estudi dels conceptes del tema i conceptes relacionats i realització de problemes per consolidar els conceptes
Objectius: 2 3
Continguts:
Teoria
2h
Problemes
3h
Laboratori
0h
Aprenentatge dirigit
0h
Aprenentatge autònom
9h

Segmentació i paral · lelisme

Desenvolupament del tema 2 de l'assignatura
  • Teoria: Descripció de les tècniques de segmentació i paral · lelisme per incrementar la productivitat. Utilització de mètriques per avaluar increments o reduccions de productivitat i consum energètic
  • Problemes: Realització de problemes relacionats amb el tema
  • Aprenentatge autònom: Estudi dels conceptes del tema i conceptes relacionats i realització de problemes per consolidar els conceptes
Objectius: 1 2
Continguts:
Teoria
3h
Problemes
2h
Laboratori
0h
Aprenentatge dirigit
0h
Aprenentatge autònom
6h

Segmentació del procés d'interpretació d'instrucions

Desenvolupament del tema 3 de l'assignatura
  • Teoria: Aplicació de la tècnica de segmentació al procés de interpretació d'instruccions realitzat per un procesador. Observació i anàlisi de la necessitat d'adequar una segmentació ingènua a la semàntica del llenguatge màquina
  • Problemes: Realització de problemes relacionats amb el tema
  • Aprenentatge autònom: Estudi dels conceptes del tema i conceptes relacionats i realització de problemes per consolidar els conceptes
Objectius: 1 2 3
Continguts:
Teoria
3h
Problemes
3h
Laboratori
0h
Aprenentatge dirigit
0h
Aprenentatge autònom
10h

Increment de prestacions

Desenvolupament del tema 4 de l'assignatura
  • Teoria: Utilització de tècniques programari i maquinari per millorar el rendiment d'un processador segmentat bàsic
  • Problemes: Realització de problemes relacionats amb el tema
  • Aprenentatge autònom: Estudi dels conceptes del tema i conceptes relacionats i realització de problemes per consolidar els conceptes
Objectius: 2 3
Continguts:
Teoria
3h
Problemes
3h
Laboratori
0h
Aprenentatge dirigit
0h
Aprenentatge autònom
12h

Processador multicicle i superescalar

Desenvolupament del tema 5 de l'assignatura
  • Teoria: Utilització de diverses ramificacions en la microarquitectura per millorar el rendiment i suportar la capacitat d'interpretar instruccions en paral · lel
  • Problemes: Realització de problemes relacionats amb el tema
  • Aprenentatge autònom: Estudi dels conceptes del tema i conceptes relacionats i realització de problemes per consolidar els conceptes
Objectius: 1 2 3
Continguts:
Teoria
3h
Problemes
3h
Laboratori
0h
Aprenentatge dirigit
0h
Aprenentatge autònom
10h

Excepcions i interrupcions

Desenvolupament del tema 6 de l'assignatura
  • Teoria: Control d'excepcions en un processador segmentat perquè s'adeqüi a la semàntica del llenguatge màquina. Control d'interrupcions per atendre a dispositius externs
  • Problemes: Realització de problemes relacionats amb el tema
  • Aprenentatge autònom: Estudi dels conceptes del tema i conceptes relacionats i realització de problemes per consolidar els conceptes
Objectius: 2 4
Continguts:
Teoria
1h
Problemes
1h
Laboratori
0h
Aprenentatge dirigit
0h
Aprenentatge autònom
7h

Multiprocessadors

Desenvolupament del tema 7 de l'assignatura
  • Teoria: Introducció al paral · lelisme utilitzant diversos processadors. Conceptes de consistència de memòria i coherència en la jerarquia de memòria
  • Problemes: Realització de problemes relacionats amb el tema
  • Aprenentatge autònom: Estudi dels conceptes del tema i conceptes relacionats i realització de problemes per consolidar els conceptes
Objectius: 1 2 3
Continguts:
Teoria
2h
Problemes
2h
Laboratori
0h
Aprenentatge dirigit
0h
Aprenentatge autònom
8h

Examen final

Avaluació de la consolidació dels conceptes exposats durant el curs mitjançant la resposta a problemes i preguntes de raonament sobre conceptes exposats
Objectius: 1 2 3 4
Setmana: 15 (Fora d'horari lectiu)
Tipus: examen final
Teoria
0h
Problemes
0h
Laboratori
0h
Aprenentatge dirigit
3h
Aprenentatge autònom
0h

prova

Avaluació dels objectius corresponents als tres primers temes
Objectius: 1 2 3
Setmana: 8
Tipus: examen de teoria
Teoria
1h
Problemes
0h
Laboratori
0h
Aprenentatge dirigit
0h
Aprenentatge autònom
0h

prova

Avaluació dels objectius corresponents als tres primers temes
Objectius: 1 2 3
Setmana: 8
Tipus: examen de problemes
Teoria
0h
Problemes
1h
Laboratori
0h
Aprenentatge dirigit
0h
Aprenentatge autònom
0h

Metodologia docent

Classes de teoria en les quals es desenvolupen els conceptes i hi ha participació dels alumnes.
Classes de problemes on s'apliquen els conceptes desenvolupats en les classes de teoría i l'agent actiu és l'alumne.
Classes de laboratori on s'apliquen els conceptes desenvolupats a classe de teoria en un exemple concret de multiprocessador. L'agent actiu és l'alumne i la col.laboració entre els elements que componen el grup és el mitjà per incrementar o assentar el coneixement.
El curs es desenvolupa de forma constructiva. És a dir, es parteix dels conceptes adquirits en el grau i en cada tema de l'assignatura s'incrementa el coneixement i la capacitat de comprendre, analitzar i raonar sobre aspectes d'un processador. Aquesta capacitació és a més quantitativa.

Mètode d'avaluació

Les competències tenen un pes proporcional al temps dedicat a elles en les activitats i s'avaluen de forma indirecta apartir de les notes de la prova, examen final i laboratori.
Les dues prova es realitzen de forma consecutiva el mateix dia i constitueixen un únic examen.
Prova (P): Prova escrita on s'avaluen els objectius corresponents als tres primers temes.
Examen final (F): Prova escrita on s'avaluen tots els objectius de l'assignatura.
Laboratori (L): S'avalua a partir dels informes lliurats en cadascuna de les sessions pràctiques i, si és el cas, d'una entrevista personal.

La nota final (NF) es calcula mitjançant la següent expressió: NF = max (0.8 x F, (0.65 x F + 0,15 x P)) + 0.2 x L

El nivell d'assoliment de la competència transversal s'avalua indirectament a partir de les notes de la prova i de l'examen final. La nota corresponent és:
A si 8.5 =< NF; B si 7 =< NF < 8.5; C si 5 =< NF < 7; D si NF < 5

Bibliografia

Bàsica:

Capacitats prèvies

Circuits lògics combinacionals i seqüencials. Funcionament d'un computador: components, interconnexions, excepcions i interrupcions. Llenguatge màquina: programació i representació de dades. Jerarquia de memòria: funcionament i mecanismes que la suporten. Sistemes operatius: traducció d'adreces, gestió d'excepcions i interrupcions