Arquitectura de Computadores Lic. Matemática & Ciências da Computação, 2º ano 2003/2004 Docente responsável: A.J.Proença

Sumários

Semana: 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14   

departamento de informática

Nota: As referências nos sumários a textos de consulta estão abreviadas para Sta (livro/resumo de Stallings), Bry (livro/resumo de Bryant),  ISC (Introdução aos Sistemas de Computação, notas de estudo), MC (Material Complementar, normalmente de apoio às aulas teórico-práticas), HCW (revista electrónica com a série de referência "How Computers Work"), P&H (livro de Patterson & Hennessy ), e Tan (livro de Tanenbaum); são normalmente seguidas do respectivo capítulo/secção, e quando existe em formato electrónico é indicado o respectivo link.

Semana 1

15-Set-03 (TP1+TP2)
Não houve aula (ainda não houve aula teórica de apresentação)

16-Set-03 (T)
Não houve aula (docente ausente)

16-Set-03 (TP3)
Não houve aula (ainda não houve aula teórica de apresentação)

17-Set-03 (T)
Introdução ao funcionamento da disciplina: apresentação da documentação a fornecer (em formato electrónico, e relativo ao ano em curso, em gec.di.uminho.pt/mcc/ac/) e da metodologia de trabalho e de avaliação.
Introdução aos conceitos de "computador" e de "informação" no contexto de um computador.
 

Semana 2

22-Set-03 (TP1+TP2)
Sistemas de numeração e conversão de bases. Representação binária de valores positivos e negativos (sinal e amplitude, complemento para 1, complemento para 2, e representação por excesso).
(Notas de estudo: texto ISC (Anexo A); complementar: Sta (Ch 8.2, 8.3), Tan (Annex A); enunciado do  TPC1, para ser entregue, impreterivelmente, na recepção do DI, até às 13h00 de segunda 29-Set-03, para avaliação).

23-Set-03 (T)
Representação da informação no computador utilizando números binários (bits): texto e respectivos alfabetos (introdução ao ASCII 7/8 bits e UNICODE), números (referência a inteiros e reais) e comandos para o processador (noção de instruction set).
(Notas de estudo: cópia dos slides ISC_1 e texto ISC (Cap.1); complementar: Sta (Ch1.1 e 1.2) ).

23-Set-03 (TP3)
Sistemas de numeração e conversão de bases. Representação binária de valores positivos e negativos (sinal e amplitude, complemento para 1, complemento para 2, e representação por excesso).
(Notas de estudo: texto ISC (Anexo A); complementar: Sta (Ch 8.2, 8.3), Tan (Annex A); enunciado do  TPC1, para ser entregue, impreterivelmente, na recepção do DI, até às 13h00 de segunda 29-Set-03, para avaliação).

24-Set-03 (T)
Representação da informação no computador (cont.): codificação de audio-visuais e respectiva compactação.
Estrutura interna dum computador: o processador (a unidade de controlo, o conjunto de registos e as unidades funcionais), a organização da memória (noção de endereço e de célula) e o sistema de interligação (conjunto de sinais em cada módulo, CPU, memória, I/O); caracterização dos barramentos.
(Notas de estudo: cópia dos slides ISC_2 e texto ISC (Cap. 2); complementar: Sta (Ch 3.3, 3.4) ).

Semana 3

29-Set-03 (TP1+TP2)
Representação binária de valores reais em vírgula flutuante (noção e vantagens duma normalização) e apresentação da norma IEEE 754 na representação de valores em vírgula flutuante. Resolução de exercícios com binários inteiros.
(Notas de estudo: texto ISC (Anexo B); complementar: Sta (Ch8.4), Tan (Annex B); ficheiro TPC1r com os resultados dos exercícios propostos em TPC1; enunciado do TPC2, cuja resolução deverá ser entregue, impreterivelmente, no Gab. Técnicos do DI, até às 12h00 de segunda 06-Out-03, para avaliação; recomenda-se a ainda uma leitura sobre a história do IEEE 754, bem como uma visita ao site oficial da norma IEEE 754; texto do Guião_1 para utilização na aula laboratorial da próxima semana, a ser disponibilizado a 03-Out-03 e para ser lido antes da aula).

30-Set-03 (T)
Introdução aos níveis de abstracção presentes num computador (o nível HLL, o nível da linguagem assembly e o da linguagem máquina) e respectivos mecanismos de conversão (compilação, assembly (montagem) e interpretação).
(Notas de estudo: texto ISC (Cap. 3) e slides ISC_3 )

30-Set-03 (TP3)
Representação binária de valores reais em vírgula flutuante (noção e vantagens duma normalização) e apresentação da norma IEEE 754 na representação de valores em vírgula flutuante. Resolução de exercícios com binários inteiros.
(Notas de estudo: texto ISC (Anexo B); complementar: Sta (Ch8.4), Tan (Annex B); ficheiro TPC1r com os resultados dos exercícios propostos em TPC1; enunciado do TPC2, cuja resolução deverá ser entregue, impreterivelmente, no Gab. Técnicos do DI, até às 12h00 de segunda 06-Out-03, para avaliação; recomenda-se a ainda uma leitura sobre a história do IEEE 754, bem como uma visita ao site oficial da norma IEEE 754; texto do Guião_1 para utilização na aula laboratorial da próxima semana, a ser disponibilizado a 03-Out-03 e para ser lido antes da aula).

01-Out-03 (T)
Execução de instruções num computador; análise passo a passo da execução de uma instrução em linguagem máquina: a  busca de uma instrução à memória, utilizando os barramentos de endereços, controlo e de dados, a actualização do apontador para a próxima instrução (IP), a descodificação duma instrução e a sua execução (incluindo a busca de operando à memória).
(Notas de estudo: texto ISC (Cap. 4.1 e 4.2) e slides ISC_3; complementar: Sta (Ch 3.2) )

Semana 4

06-Out-03 (TP1+TP2)
Resolução de exercícios com valores em vírgula flutuante.
Introdução à visualização da representação de valores numéricos em binário, em ambiente laboratorial Linux/IA32.
(Notas de estudo: texto do Guião_1 e respectivas sugestões de leitura; ficheiro TPC2r com os resultados dos exercícios propostos em TPC2; texto do Guião_2 para utilização na aula laboratorial da próxima semana, a ser disponibilizado a 08-Out-03 e para ser estudado antes da aula)

07-Out-03 (T)
Revisão da estrutura global de um computador e seu funcionamento enquanto equipamento que basicamente processa números.
Análise do funcionamento dum processador ao nível do seu instruction set: (i) introdução às operações num processador, com análise do n.º de operandos em cada instrução e à localização de operandos (escalares em registos, e estruturados em memória), e (ii) registos visíveis ao programador (em arquitecturas RISC e no IA32).
(Notas de estudo: texto ISC (Cap. 5.1 e 5.4 ) e slides ISC_4 ; recomenda-se ainda a leitura dos slides ISC_5, relativo a comunicação de dados e redes, elaborados essencialmente com base no livro "Introdução às Tecnologias de Informação. Bloco II", de Artur A. Azul, Porto Editora, 2003 (Cap. 6.1))

07-Out-03 (TP3)
Resolução de exercícios com valores em vírgula flutuante.
Introdução à visualização da representação de valores numéricos em binário, em ambiente laboratorial Linux/IA32.
(Notas de estudo: texto do Guião_1 e respectivas sugestões de leitura; ficheiro TPC2r com os resultados dos exercícios propostos em TPC2; texto do Guião_2 para utilização na aula laboratorial da próxima semana, a ser disponibilizado a 08-Out-03 e para ser estudado antes da aula)

08-Out-03 (T)
Análise do funcionamento dum processador ao nível do seu instruction set (cont.): (iii) modos de acesso aos operandos (em arquitecturas RISC e no IA32), (iv) tipos de instruções num CPU (aritméticas/lógicas, de transferência de informação, de controlo de fluxo, ...), e (v) formatos de instruções (comprimento, campos numa instrução, exemplos de formatos).
(Notas de estudo: texto ISC (Cap. 5.2 a 5.5 ) e slides ISC_4 )

Semana 5

13-Out-03 (TP1+TP2)
Introdução aos níveis de abstracção dum computador, em ambiente laboratorial em Linux/IA32, e respectivos mecanismos de conversão e análise  (gcc, objdump, gdb).
(Notas de estudo: texto do Guião_2 e respectivas sugestões de leitura; enunciado do TPC3, cuja resolução deverá ser entregue, impreterivelmente, no Gab. Técnicos do DI (e apenas aqui!), até às 12h00 de segunda 20-Out-03, para avaliação)

14-Out-03 (T)
Análise do funcionamento dum processador ao nível do seu instruction set (cont.): (vi) instruções de input/output, e (vii) ordenação de bytes numa palavra (little-endian, big-endian).
Optimização de desempenho ao nível do hadware: conceito de paralelismo ao nível da instrução (processamento vectorial, pipeline, superescalaridade) e de hierarquia de memória (noção de cache e de memória virtual). 
(Notas de estudo: texto ISC (Cap. 4.3 a 4.5 e 5.6 ) e slides ISC_4 )

14-Out-03 (TP3)
Introdução aos níveis de abstracção dum computador, em ambiente laboratorial em Linux/IA32, e respectivos mecanismos de conversão e análise  (gcc, objdump, gdb).
(Notas de estudo: texto do Guião_2 e respectivas sugestões de leitura; enunciado do TPC3, cuja resolução deverá ser entregue, impreterivelmente, no Gab. Técnicos do DI (e apenas aqui!), até às 12h00 de segunda 20-Out-03, para avaliação)

15-Out-03 (T)
Análise do nível ISA do IA32 em Linux: modelo de desenvolvimento de programas; análise das instruções mais comuns para transferência de informação, e para execução de operações aritméticas/lógicas.
(Notas de estudo: a bibliografia de base desta e das próximas aulas segue quase exclusivamente o livro CSAPP, com destaque para o Ch.3;  as noções apresentadas e analisadas nos dois primeiros capítulos do livro foi sendo coberta pelo texto entretando disponiblilizado (ISC), enquanto esta aula seguiu essencialmente as secções 3.4 e 3.5; o ficheiro electrónico com a versão preliminar dos três primeiros capítulos do livro encontra-se disponível, para estudo, aqui, 1.51MB; slides ISA_1 )

Semana 6

20-Out-03 (TP1+TP2)
Resolução do TPC3 (operações e acessos a operandos do IA32 em Linux), em ambiente laboratorial.
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC3 ; enunciado do TPC4, cuja resolução deverá ser entregue, impreterivelmente, no Gab. Técnicos do DI (e apenas aqui!), até às 12h00 de segunda 27-Out-03, para avaliação)

21-Out-03 (T)
Análise do nível ISA do IA32 em Linux: controlo do fluxo de execução de instruções (conceito de códigos de condição e estrutura da codificação de jumps); técnicas de codificação de estruturas de controlo presentes em C (if-else).
(Notas de estudo: Bry (Ch 3.6) e slides ISA_2 )

21-Out-03 (TP3)
Resolução do TPC3 (operações e acessos a operandos do IA32 em Linux), em ambiente laboratorial.
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC3 ; enunciado do TPC4, cuja resolução deverá ser entregue, impreterivelmente, no Gab. Técnicos do DI (e apenas aqui!), até às 12h00 de segunda 27-Out-03, para avaliação)

22-Out-03 (T)
Análise do nível ISA do IA32 em Linux: técnicas de codificação das restantes estruturas de controlo presentes em C (do-while, while, for, switch); caracterização sumária da problemática associada à invocação de procedimentos.
(Notas de estudo: Bry (Ch 3.6) e slides ISA_2 )

Semana 7

27-Out-03 (TP1+TP2)
Resolução do TPC4 (instruções de salto e estruturas de controlo do IA32 em Linux), em ambiente laboratorial, com utilização do depurador dbg.
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC4 ; manual de utilização do depurador Debugging with DBG, em HTML (cópia local do original em  http://www.gnu.org/manual/, com 786KB, equivalente a 240 pág A4 impressas); enunciado do TPC5, cuja resolução deverá ser entregue, impreterivelmente, no Gab. Técnicos do DI, até às 12h00 de segunda 03-Nov-03, para avaliação)

28-Out-03 (T)
Análise do nível ISA do IA-32 em Linux: análise detalhada da estrutura do código e dos contextos para suporte à invocação de procedimentos/funções em HLL (C em particular) e da sua implementação ao nível do assembly do IA-32 (e respectiva utilização da stack).
(Notas de estudo: Bry (Ch 3.7) e slides ISA_3  )

28-Out-03 (TP3)
Resolução do TPC4 (instruções de salto e estruturas de controlo do IA32 em Linux), em ambiente laboratorial, com utilização do depurador dbg.
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC4 ; manual de utilização do depurador Debugging with DBG, em HTML (cópia local do original em  http://www.gnu.org/manual/, com 786KB, equivalente a 240 pág A4 impressas); enunciado do TPC5, cuja resolução deverá ser entregue, impreterivelmente, no Gab. Técnicos do DI, até às 12h00 de segunda 03-Nov-03, para avaliação)

29-Out-03 (T)
Análise do nível ISA do IA-32 em Linux: análise da stack no caso de funções aninhadas e recursivas; análise comparativa do modelo de implementação de funções numa arquitectura RISC (MIPS) versus IA-32.
(Notas de estudo: Bry (Ch 3.7) e slides ISA_4  )

Semana 8  

03-Nov-03 (TP1+TP2)
Resolução do TPC5 (funções e procedimentos no IA32 em Linux), em ambiente laboratorial, com utilização do depurador dbg.
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC5 )

04-Nov-03 (T)
Análise do nível ISA do IA-32 em Linux: organização em memória e métodos de acesso e manipulação de dados estruturados em C, com respectiva análise da codificação para assembly (arrays uni- e multi-dimensionais).
(Notas de estudo: Bry (Ch 3.8) e slides ISA_5  )

04-Nov-03 (TP3)
Resolução do TPC5 (funções e procedimentos no IA32 em Linux), em ambiente laboratorial, com utilização do depurador dbg.
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC5 )

05-Nov-03 (T)
Análise do nível ISA do IA-32 em Linux: organização em memória e métodos de acesso e manipulação de dados estruturados em C, com respectiva análise da codificação para assembly (structures e unions).
(Notas de estudo: Bry (Ch 3.9) e mesmos slides que na aula anterior)

Semana 9

10-Nov-03 (TP1+TP2)
Ficha de Avaliação 1 (turno S1, S2 e S3).
(Notas de estudo: enunciado de FA1 (turno S1, S2/S3); enunciado do TPC6, cuja resolução deverá ser entregue, impreterivelmente, no Gab. Técnicos do DI, até às 12h00 de segunda 17-Nov-03, para avaliação )

11-Nov-03 (T)
Ficha de Avaliação 1 (turno T1).
(Notas de estudo: enunciado de FA1 (turno T1); enunciado do TPC6, cuja resolução deverá ser entregue, impreterivelmente, no Gab. Técnicos do DI, até às 12h00 de segunda 17-Nov-03, para avaliação )

11-Nov-03 (TP3)
Ficha de Avaliação 1 (turno T2).
(Notas de estudo: enunciado de FA1 (turno T2); enunciado do TPC6, cuja resolução deverá ser entregue, impreterivelmente, no Gab. Técnicos do DI, até às 12h00 de segunda 17-Nov-03, para avaliação )

12-Nov-03 (T)
Interpretação e análise da Ficha de Avaliação 1. Reflexão crítica sobre o funcionamento da disciplina.

Semana 10

17-Nov-03 (TP1+TP2)
Resolução do TPC6 (manuseamento de estruturas de dados - arrays e structures - no IA32 em Linux).
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC6 ; enunciado do TPC7, cuja resolução deverá ser entregue, impreterivelmente, no Gab. Técnicos do DI até às 12h00 de segunda 24-Nov-03, para avaliação)

18-Nov-03 (T)
Avaliação de desempenho na execução de programas: objectivos e metodologias. 
Objectivos: (i) construção/ avaliação do desempenho de computadores - introdução às métricas e relação da expressão de cálculo do CPUtime para um dado programa, com factores da arquitectura que influenciam o seu desempenho; (ii) melhorar o desempenho da execução de programas - introdução às técnicas de optimização (independente/dependente da máquina) e de medição (microscópica e macroscópica).
Metodologias: de optimização independente da máquina (code motion, strength reduction, partilha de sub-expressões), e de medição (escalas temporais, utilização de contadores de ciclos com extensões ASM em C).
(Notas de estudo: Bry (Ch. 3.15, Ch. 5.1 a 5.3, Ch. 9.0 e 9.3); sugere-se a leitura de P&H (Ch2.2, e 2.3), resumido aqui, para uma malhor compreensão das métricas orientadas à construção/avaliação do desempenho de computadores; e slides AvDes_1 )

18-Nov-03 (TP3)
Resolução do TPC6 (manuseamento de estruturas de dados - arrays e structures - no IA32 em Linux).
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC6 ; enunciado do TPC7, cuja resolução deverá ser entregue, impreterivelmente, no Gab. Técnicos do DI até às 12h00 de segunda 24-Nov-03, para avaliação)

19-Nov-03 (T)
Avaliação de desempenho na execução de programas: aprofundamento da análise de algumas técnicas de optimização independentes da máquina, e discussão da métrica de avaliação de desempenho de aplicações de processamento numérico de arrays (nomeadamente as componentes para o cálculo dos Ciclos Por Elemento, CPE). 
(Notas de estudo: mesmas que da aula anterior )

Semana 11 

24-Nov-03 (TP1+TP2)
Resolução do TPC7 (introdução às técnicas de optimização de desempenho e respectivas medições no IA32 em Linux).
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC7 ; enunciado do TPC8, cuja resolução deverá ser efectuada antes do início da aula seguinte)

25-Nov-03 (T)
Avaliação de desempenho na execução de programas: análise das restantes técnicas de optimização independentes da máquina.
(Notas de estudo: Bry (Ch. 5.4 a 5.6); slides: os mesmos que da aula anterior )

25-Nov-03 (TP3)
Resolução do TPC7 (introdução às técnicas de optimização de desempenho e respectivas medições no IA32 em Linux).
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC7 ; enunciado do TPC8, cuja resolução deverá ser efectuada antes do início da aula seguinte)

26-Nov-03 (T)
Não houve aula (docente no Encontro "O Património Arquitectónico na UM", com apresentação de comunicação)

Semana 12

01-Dez-03 (TP1+TP2)    
Feriado

02-Dez-03 (T)
Avaliação de desempenho na execução de programas: introdução aos factores da arquitectura que maior impacto têm no desempenho (pipeline, superescalaridade, hierarquia de memória), indispensável à compreensão das técncias de optimização dependentes da máquina; introdução ao modelo de representação de um par processador-memória (chip do Pentium III), com destaque para os modelos de representação do pipeline e da superescalaridade.
(Notas de estudo: Bry (Ch. 5.7) e slides AvDes_2 )

02-Dez-03 (TP3)
Resolução do TPC8 (análise de técnicas de optimização de desempenho e respectivas medições de tempo). Realização dos inquéritos de avaliação da disciplina. 

03-Dez-03 (T)
Avaliação de desempenho na execução de programas: análise de técnicas de optimização dependentes da máquina, nomeadamente a análise do comportamento dum Pentium em operações iterativas e respectivas consequências - loop unroll, introdução de paralelismo e introdução de hierarquia de memória.
(Notas de estudo: Bry (Ch. 5.8, 5.10 e 5.11) e slides AvDes_2 )

03-Dez-03 (TP1+TP2)     (aula de compensação)
Resolução do TPC8 (análise de técnicas de optimização de desempenho e respectivas medições de tempo). Realização dos inquéritos de avaliação da disciplina. 

Semana 13

08-Dez-03 (TP1+TP2)   
Feriado

09-Dez-03 (T)
Outras técnicas de optimização de desempenho na execução de programas: análise de técnicas usadas pelo GCC; uso de program profilers na identificação dos gargalos de desempenho e Lei de Amdahl; conceitos associados a cada nível da hierarquia de memória - hit, hit rate, miss, miss rate, miss penalty - e impacto das técnicas de programação no desempenho da execução de uma aplicação em sistemas com cache.
(Notas de estudo: Bry (Ch. 5.14, 5.15, 6.4 e 6.5) e slides AvDes_3 )

09-Dez-03 (TP3)
Não houve aula para equilibrar o apoio ao conjunto das turmas.

10-Dez-03 (T)
Medição de tempos de execução de programas: aplicação de conceitos à análise prática de desempenho de sistemas baseados em IA-32 em ambiente Linux; noção de processo e de comutação de processos; referência à medição de tempos com (i) contadores intervalares (do Unix), (ii) contadores de ciclos de clock (só disponíveis a partir do P6 e nalguns CPU's); a função gettimeofday().
(Notas de estudo: Bry (Ch.9) e slides AvDes_4 )

Semana 14

15-Dez-03 (TP1+TP2)
Ficha de Avaliação 2 (turnos S1 e S2).

16-Dez-03 (T)
Ficha de Avaliação 2 (turno T1).

16-Dez-03 (TP3)
Ficha de Avaliação 2 (turno T2).

17-Dez-03 (T)
Não houve aula (visita da Comissão de Avaliação do Centro de Investigação da equipa docente)