Arquitectura de Computadores Lic. Matemática & Ciências da Computação, 2º ano 2004/2005 Docente responsável: A.J.Proença

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(2003/2004)

Ultima Modificação: 24 Jan 2006

departamento de informática

Equipa docente

• Docente responsável pela leccionação:

Alberto José Proença
email: aproenca@di.uminho.pt
Horário de atendimento:  Terça 15:00 - 18:00 ; Quinta 09:00 - 11:00

• Monitor para apoio tutorial:

Alexandra Silva
email: xana@correio.ci.uminho.pt
Horário de atendimento:  Quarta 14:00 - 16:00 na sala DI 0.02 ; outros períodos a acordar pontualmente

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Objectivos

Gerais

A Arquitectura de Computadores, enquanto integrada na área científica de Engenharia de Computadores (e da Computação), pode ser vista sob a perspectiva de um engenheiro - como funciona e como se constrói um computador - ou sob a perspectiva de um cientista - como funciona e como tirar partido de um computador.
Sendo esta disciplina leccionada a uma licenciatura em Ciências, a ênfase será colocada nos aspectos de compreensão da sua funcionalidade, na análise das suas limitações e no aproveitamento das suas potencialidades.

De formação

Os objectivos de formação definem, sob o ponto de vista da equipa docente, as expectativas desta, face ao funcionamento e resultados da disciplina.
Nesta perspectiva, a equipa pretende com esta disciplina que os alunos adquiram os conceitos fundamentais relativos ao funcionamento dum computador, capacidades de utilização consciente e eficiente das suas funcionalidades, e competências técnicas na utilização de instrumentos/ferramentas de análise, correcção e/ou melhoria de desempenho na execução de programas.
Nomeadamente, os objectivo de formação são:

• apreender a organização e estrutura funcional dum computador, adquirindo ainda capacidades para acompanhar a sua evolução;
• adquirir competências intelectuais na análise e modificação da funcionalidade de programas imperativos (tipo C), com recurso ao assembly e linguagem máquina;
• compreender e influenciar os factores com impacto no desempenho dos sistemas de computação;
• adquirir competências técnicas na utilização de ferramentas de compilação, análise e teste de baixo nível de programas (em Linux).

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Resultados da aprendizagem

Gerais

Ao completar com sucesso a unidade curricular Arquitectura de Computadores, da Lic. Mat. e Ciências de Computação, cada estudante deverá demonstrar que adquiriu um conjunto de conhecimentos e capacidades que compreendem:

• a apreensão da organização e estrutura funcional dum computador;
• a capacidade de compreender a evolução tecnológica dos computadores;
• competências intelectuais na análise e modificação da funcionalidade de programas imperativos (tipo C), com recurso ao assembly e linguagem máquina;
• a compreensão e a utilização de técnicas que influenciam os factores com impacto no desempenho dos sistemas de computação;
• competências técnicas na utilização de ferramentas de compilação, análise e teste de baixo nível de programas (em Linux).

O grau de compreensão e de profundidade dos conhecimentos e competências adquiridas poderá variar de estudante para estudante, havendo necessidade de detalhar os níveis de exigência requeridos para a obtenção de classificações distintas entre os estudantes aprovados, numa escala de 10 a 20.

Resultados esperados do processo de aprendizagem: detalhe

A lista detalhada dos resultados esperados do processo de aprendizagem da unidade curricular Arquitectura de Computadores é apresentada numa tabela, a qual estrutura o conjunto de conhecimentos e competências - que cada estudante deverá demonstrar ter conseguido alcançar - pelos principais temas/tópicos abordados na disciplina.
Essa tabela identifica os elementos (dessa lista detalhada dos resultados) que deverão ser obrigatoriamente cumpridos para cada um dos vários graus de exigência/qualidade.

Assim, ao completar com sucesso a unidade curricular Arquitectura de Computadores, da Lic. Mat. e Ciências de Computação, cada estudante deverá demonstrar que adquiriu, de acordo com a tabela seguinte:
 - um conjunto mínimo de conhecimentos e capacidades (especificados na coluna A e resultando numa classificação final de 10); ou
 - conhecimentos e capacidades complementares que correspondem a uma classificação final razoável (na coluna R, entre 11 e 14); ou
 - conhecimentos e capacidades complementares que correspondem a uma boa classificação final (na coluna B, entre 15 e 18); ou
 - conhecimentos e capacidades complementares que correspondem a uma classificação final excelente (na coluna E, 19 ou 20).
 

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Programa (proposto no início do ano)

Organização e estrutura de um computador

Conceito de computador.
Representação da informação no computador: texto, números, informação multimédia e comandos codificados para o processador.
Sistemas de numeração e conversão de bases; representação binária de valores positivos e negativos.
Representação binária de valores reais em vírgula flutuante; a norma IEEE 754.

Análise da estrutura interna dum computador, com destaque para o processador e para a organização da memória.
Análise da execução de instruções num computador.
Níveis de abstracção num computador.
Mecanismos para execução de programas; introdução a um ambiente laboratorial (Intel IA-32 em Linux).

Análise da arquitectura do instruction set

Análise do funcionamento dum processador e respectivo instruction set: operações/operandos, acesso a dados, tipos e formatos de instruções, modelo de programação dum processador.

Análise do nível ISA do Intel IA-32 em Linux: operações aritméticas/lógicas e acesso a operandos, estruturas de controlo presentes em C, funcionamento das funções/procedimentos.

Análise comparativa do modelo de implementação numa arquitectura RISC versus IA-32.

Avaliação do desempenho de computadores

Metodologia de avaliação de desempenho de computadores.
Medição de tempos de execução de programas e respectiva análise prática e crítica.

Factores da arquitectura dum computador que influenciam o seu desempenho.
Breve introdução ao funcionamento dum processador em pipeline e respectivas limitações. 
Organização hierárquica da memória; noção e caracterização da cache.

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Bibliografia

• essencial:

Computer Organization and Architecture - Designing for Performance, William Stallings, Prentice Hall, 6th Ed., 2002

Computer Systems: A Programmer's Perspective (CS:APP), Randal Bryant and David O'Hallaron,  Prentice Hall, 2002

• complementar:

How Computers Work, Ron White, 7th Ed., QUE Corporation, October 2003

Structured Computer Organization, Andrew S. Tanenbaum, 4th Ed., Prentice Hall, 1999

Computer Organization and Design: the hardware/software interface, D.Patterson, J.Henessy, Morgan Kaufmann Publishers, 3rd Ed., 2004; estando a 2ª edição traduzida em 
Organização e Projeto de Computadores: a interface hardware/software,  Livros Técnicos e Científicos Ed. S.A., 2ª ed.,1999
 

Informação diversa para apoio ao estudo desta disciplina será disponibilizada electronicamente, e devidamente referenciada nos sumários.

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Avaliação  

Versão longa | Versão resumida

Versão Longa

O funcionamento da disciplina de Arquitectura de Computadores está organizado em:

• aulas teóricas (2*1h/sem): são utilizadas para a exposição, análise e debate de conceitos necessários à compreensão do tema da disciplina; o material leccionado nestas aulas é encadeada, pelo que se torna indispensável o seu regular acompanhamento;
  a frequência às aulas teóricas é recomendada, sendo obrigatória para quem seguir o modelo de Avaliação B (apresentado adiante);
• sessões laboratoriais (2h/sem): têm por objectivo o desenvolvimento de competências intelectuais - aplicar e/ou aprofundar conceitos adquiridos nas aulas teóricas - e de competências técnicas - desenvolvimento de técnicas de aplicação dos conceitos à resolução de problemas, de análise de execução de programas e de programação em linguagem assembly;
  a participação nas sessões laboratoriais é recomendada, sendo obrigatória para os estudantes de 1ª inscrição e para quem seguir o modelo de Avaliação B (apresentado adiante); para os estudantes de 1ª inscrição existe controlo de presenças, para efeitos de cumprimento do RIAPA (com mais de 1/3 de faltas o aluno poderá não ser admitido a exame);
• sessões tutoriais (até 2h/sem): têm por objectivo o apoio ao estudo em grupo servindo essencialmente de acompanhamento do processo de aprendizagem, através (i) de esclarecimento de dúvidas a qualquer tema leccionado na disciplina, e (ii) de análise do caderno da disciplina;
  a participação nas sessões tutoriais é recomendada, sendo obrigatória a presença a 50% das sessões para quem seguir o modelo de Avaliação B (apresentado adiante).

A avaliação nesta disciplina tem 2 objectivos principais:

• verificar se cada estudante satisfaz ou não o conjunto mínimo de resultados de aprendizagem definidos para a disciplina; consequência: resultado binário "Aprovado" ou "Reprovado";
• classificar numericamente os estudantes aprovados (e apenas estes), numa escala de 10 a 20, consoante a satisfação de resultados de aprendizagem adicionais e complementares (definidos adiante e de acordo com os Resultados esperados da aprendizagem).

No 1º semestre de 2004/05, a avaliação desta disciplina do 2º ano pode ser efectuada de uma de 2 maneiras distintas:
 

Avaliação A

A Avaliação A destina-se essencialmente aos estudantes repetentes, seguindo um modelo com características idênticas aos de anos anteriores, com as seguintes partes:

• uma avaliação das capacidades cognitivas e das competências intelectuais - nomeadamente a capacidade de retenção, compreensão e aplicação dos conceitos adquiridos nas aulas teóricas - realizada através de exame final, com um peso de  2/3 do total;
• uma avaliação das competências técnicas - nomeadamente a análise, construção e/ou modificação e execução controlada de programas desenvolvidos em C e assembly - realizada através de um exame prático, no fim do período lectivo, com um peso de 1/3 do total.

O que varia neste ano de 2004/05 é a existência das 2 componentes acima referidas - uma de satisfação de mínimos, outra classificativa - que estará presente em cada uma destas partes da avaliação, quer no exame final, quer nas fichas de avaliação prática.

Em conclusão: a Avaliação A consiste em 2 partes:

1. Exame escrito (2/3 do peso total), a realizar nas épocas calendarizadas e contendo 2 componentes: uma de satisfação de mínimos ("Aprovado" ou "Reprovado") e outra classificativa (para atribuição, aos aprovados, de um valor numérico entre 10 e 18); as classificações superiores a 18 deverão ser defendidas numa prova complementar contendo uma intervenção oral.
2. Exame prático (1/3 do peso total), a realizar no início da semana que antecede a época normal de exames e contendo 2 componentes: uma de satisfação de mínimos ("Aprovado" ou "Reprovado") e outra classificativa (para atribuição, aos aprovados, de um valor numérico entre 10 e 20); a não satisfação de mínimos nesta prova conduz à classificação final na pauta de exames de "Não admitido".

Nota: A aprovação na disciplina exige a satisfação de mínimos em cada uma das provas que contêm essa exigência.
 

Avaliação B

Este tipo de avaliação destina-se essencialmente aos estudantes inscritos pela 1ª vez e que façam um contrato de ensino-aprendizagem com o docente responsável da disciplina (ver adiante o texto tipo), com as seguintes partes:

• uma avaliação das capacidades cognitivas e das competências intelectuais - nomeadamente a capacidade de retenção, compreensão e aplicação dos conceitos adquiridos nas aulas teóricas - realizada através de análise das actividades (ii), (iii) e (iv) referidas no contrato de ensino-aprendizagem e dos testes escritos efectuados durante o semestre;
• uma avaliação das competências técnicas - nomeadamente a análise, construção e/ou modificação e execução controlada de programas desenvolvidos em C e assembly - realizada através da participação nas sessões teórico-práticas e de 2 fichas de avaliação prática efectuadas durante o semestre.

Em conclusão: a Avaliação B consiste em 3 partes:

1. Avaliação do cumprimento do contrato de ensino-aprendizagem (15% do peso total)
2. Testes escritos (60% do peso total), a realizar ao longo do semestre e contendo 2 componentes: uma de satisfação de mínimos ("Aprovado" ou "Reprovado") e outra classificativa (para atribuição, aos aprovados, de um valor numérico entre 10 e 18); as classificações superiores a 18 deverão ser defendidas numa prova complementar contendo uma intervenção oral.
3. Fichas de avaliação prática (2 fichas, com 25% do peso total), a realizar durante o semestre e contendo 2 componentes: uma de satisfação de mínimos ("Aprovado" ou "Reprovado") e outra classificativa (para atribuição, aos aprovados, de um valor numérico entre 10 e 20).

Nota: A aprovação na disciplina exige a satisfação de mínimos em cada uma das provas que contêm essa exigência.
 

Texto tipo do contrato de ensino-aprendizagem

"1. Eu, xxxxx, estudante nº zzzz da UM inscrito na disciplina de Arquitectura de Computadores da Lic. MCC, aceito e concordo com os compromissos publicamente assumidos pelo docente responsável da disciplina, e em contrapartida comprometo-me a:
 (i) participar nas sessões teóricas, tutoriais ou laboratoriais, quer de modo individual, quer integrada/o num grupo;
 (ii) ler e apreender o conteúdo da documentação divulgada em cada semana, antes das sessões da semana seguinte;
 (iii) resolver individualmente ou em grupo os exercícios/problemas que forem semanalmente propostos, entregando apenas aqueles cuja resolução tenha compreendido;
 (iv) manter um caderno da disciplina onde sejam anotadas todos as actividades de aprendizagem no âmbito da disciplina;
 (v) efectuar as provas de avaliação que forem calendarizadas durante o semestre.

2. Eu, Alberto José Proença, responsável pelas actividades de ensino e de avaliação da disciplina de Arquitectura de Computadores da Lic. MCC, comprometo-me perante as/os estudantes que expressamente aceitarem este contrato de ensino-aprendizagem,a:
 (i) preparar e leccionar as aulas de exposição teórica,dando o meu melhor;
 (ii) divulgar na Web os sumários e respectivo material de estudo necessário a cada sessão teórica, teórico-prática ou laboratorial;
 (iii) receber esses estudantes para esclarecimentos de dúvidas no horário de atendimento ou noutro acordado, ou disponibilizar idêntico atendimento de um aluno monitor;
 (iv) avaliar com justeza as actividades que esses estudantes efectuarem ao longo do semestre, bem como as provas que realizarem, e segundo o modelo de Avaliação B;
 (v) disponibilizar-me para acompanhar o percurso de aprendizagem de cada estudante, e ainda a debater questões relacionadas com o modelo pedagógico e de avaliação da disciplina, com vista a melhorar a qualidade e o funcionamento da mesma.

3. O contrato será automaticamento rescindido se:
 (i) houver incumprimento injustificado dos termos deste contrato; ou
 (ii) ocorrer uma fraude; ou
 (iii) a/o estudante que não conseguir demonstrar a satisfação de mínimos.

4. No caso de rescisão do contrato, passará a vigorar o modelo de Avaliação A."

Versão Resumida

Avaliação A (apenas com avaliação após o período lectivo)

1. Exame escrito (2/3 do peso total), a realizar nas épocas calendarizadas e contendo 2 componentes: uma de satisfação de mínimos ("Aprovado" ou "Reprovado") e outra classificativa (para atribuição, aos aprovados, de um valor numérico entre 10 e 18); as classificações superiores a 18 deverão ser defendidas numa prova complementar contendo uma intervenção oral.
2. Exame prático (1/3 do peso total), a realizar no início da semana que antecede a época normal de exames e contendo 2 componentes: uma de satisfação de mínimos ("Aprovado" ou "Reprovado") e outra classificativa (para atribuição, aos aprovados, de um valor numérico entre 10 e 20); a não satisfação de mínimos nesta prova conduz à classificação final na pauta de exames de "Não admitido".

Nota: A aprovação na disciplina exige a satisfação de mínimos em cada uma das provas que contêm essa exigência.
 

Avaliação B (apenas durante o período lectivo, e exigindo a satisfação de um contrato de ensino-aprendizagem)

1. Avaliação do cumprimento do contrato de ensino-aprendizagem (15% do peso total)
2. Testes escritos (60% do peso total), a realizar ao longo do semestre e contendo 2 componentes: uma de satisfação de mínimos ("Aprovado" ou "Reprovado") e outra classificativa (para atribuição, aos aprovados, de um valor numérico entre 10 e 18); as classificações superiores a 18 deverão ser defendidas numa prova complementar contendo uma intervenção oral.
3. Fichas de avaliação prática (2 fichas, com 25% do peso total), a realizar durante o semestre e contendo 2 componentes: uma de satisfação de mínimos ("Aprovado" ou "Reprovado") e outra classificativa (para atribuição, aos aprovados, de um valor numérico entre 10 e 20).

Nota: A aprovação na disciplina exige a satisfação de mínimos em cada uma das provas que contêm essa exigência.