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

Sumários

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

Ultima Modificação: 24 Jan 2006

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), 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

20-Set-04 (TP1+TP2)
Não houve aula (ainda não houve aula teórica de apresentação)

21-Set-04 (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.

21-Set-04 (TP3)
Não houve aula (para equilibrar as turmas)

23-Set-04 (T)
Análise e debate das novas metodologias de funcionamento e de avaliação da disciplina. Inscrição nos turnos práticos.
 

Semana 2

27-Set-04 (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, no Gab. Técnicos do DI, até às 12h00 de segunda 04-Out-04, para avaliação).

28-Set-04 (T)
Introdução aos conceitos de "computador" e de "informação" no contexto de um computador.
Representação da informação no computador utilizando números binários (bits): texto  (caracteres alfanuméricos), 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) ).

28-Set-04 (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, no Gab. Técnicos do DI, até às 12h00 de segunda 04-Out-04, para avaliação).

30-Set-04 (T)
Representação da informação no computador (cont.): texto e respectivos alfabetos (introdução ao ASCII 7/8 bits e UNICODE), codificação de audio-visuais e introdução às técnicas de compactação.
(Notas de estudo: as mesmas que na aula anterior ).

Semana 3

04-Out-04 (TP1+TP2)         (sessões adiadas para de 03-Nov)
Não houve aula

05-Out-04 (T)
Feriado.

05-Out-04 (TP3)
Feriado.

07-Out-04 (T)
Formatos de representação de textos em ficheiros de documentos.
Estrutura interna dum computador: estrutura e funções do processador (a unidade de controlo, o conjunto de registos e as unidades funcionais).
(Notas de estudo: cópia dos slides ISC_2 e texto ISC (Cap. 2); complementar: Sta (Ch 3.1, 3.2) ).
 

Semana 4

11-Out-04 (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 18-Out-04, 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 (e código associado) para utilização na aula laboratorial da próxima semana, a ser disponibilizado a 14-Out-04 e para ser lido antes da aula).

12-Out-04 (T)
Estrutura interna dum computador (cont.): 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).
(Notas de estudo: mesmas que da aula anterior )

12-Out-04 (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 18-Out-04, 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 (e código associado) para utilização na aula laboratorial da próxima semana, a ser disponibilizado a 14-Out-04 e para ser lido antes da aula).

14-Out-04 (T)
Não houve aula (actividades para integração de caloiros, conforme determinado no despacho RT-40/04 de 15-Set)

Semana 5

18-Out-04 (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: ficheiro TPC2r com os resultados dos exercícios propostos em TPC2; enunciado do TPC3, cuja resolução deverá ser entregue, no Gab. Técnicos do DI, até às 10h00 de terça 02-Nov-04, para avaliação; texto do Guião_2 para utilização na aula laboratorial da próxima semana, para ser lido e estudado antes da aula)

19-Out-04 (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).
Execução de instruções num computador; análise passo a passo da execução de uma instrução em linguagem máquina: a  busca de uma instrução à memória, carcaterizando 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. 3, 4.1 e 4.2) e slides ISC_3 ; complementar: Sta (Ch 3.2) )

19-Out-04 (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: ficheiro TPC2r com os resultados dos exercícios propostos em TPC2; enunciado do TPC3, cuja resolução deverá ser entregue, no Gab. Técnicos do DI, até às 10h00 de terça 02-Nov-04, para avaliação; texto do Guião_2 para utilização na aula laboratorial da próxima semana, para ser lido e estudado antes da aula)

21-Out-04 (T)
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), (ii) registos visíveis ao programador (em arquitecturas RISC e no IA32), e (iii) modos de acesso aos operandos (em arquitecturas RISC e no IA32).
(Notas de estudo: texto ISC (Cap. 5.1 e 5.2 ) 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, 2004 (Cap. 6.1))

Semana 6

25-Out-04 (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 TPC4, cuja resolução deverá ser entregue, no Gab. Técnicos do DI, até às 10h00 de terça 02-Nov-04, para avaliação)

26-Out-04 (T)
Análise do funcionamento dum processador ao nível do seu instruction set (cont.): (iv) tipos de instruções num CPU (aritméticas/lógicas, de transferência de informação, de controlo de fluxo, ...), (v) formatos de instruções (comprimento, campos numa instrução, exemplos de formatos), (vi) instruções de input/output, e (vii) ordenação de bytes numa palavra (little-endian, big-endian). Caracterização das arquitecturas RISC (resumo).
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:  texto ISC (Cap. 5.3 a 5.7 ) e continuação dos slides ISC_4 ; a bibliografia de base desta e das próximas aulas sobre o nível ISA 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 do livro; o ficheiro electrónico com a versão preliminar dos três primeiros capítulos do livro encontra-se disponível, para estudo, aqui, 1.51MB; slides ISA_1 )

26-Out-04 (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 TPC4, cuja resolução deverá ser entregue, no Gab. Técnicos do DI, até às 10h00 de terça 02-Nov-04, para avaliação)

28-Out-04 (T)
Análise do nível ISA do IA32 em Linux (cont.): análise das instruções mais comuns para transferência de informação, e para execução de operações aritméticas/lógicas.
(Notas de estudo: as mesmas que as da aula anterior)
 

Semana 7

01-Nov-04 (TP1+TP2)
Feriado.

02-Nov-04 (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 )

02-Nov-04 (TP3)
Revisão e treino das capacidades de visualização de conceitos sobre sistemas de computação, através de um exercício experimental com estudantes-actores: usando 8 actores - "unidade de controlo do CPU", "descodificador de instruções", "banco de registos", "ALU", "barramento de endereços", "barramento de dados", "barramento de controlo", e "memória" - fazer a ilustração detalhada da execução de instruções em linguagem máquina (corpo de uma função em C compilada para IA16)
(Notas de estudo: texto do Guião_3 para apoio à elaboração deste exercício)

03-Nov-04 (TP1+TP2) (sessões adiadas de 04-Out-04)
Revisão e treino das capacidades de visualização de conceitos sobre sistemas de computação, através de um exercício experimental com estudantes-actores: usando 8 actores - a "unidade de controlo do CPU", o "descodificador de instruções", o "banco de registos", a "ALU", o "barramento de endereços", o "barramento de dados", o "barramento de controlo", e a "memória" - fazer a ilustração detalhada da execução de instruções em linguagem máquina (corpo de uma função em C compilada para IA16)
(Notas de estudo: texto do Guião_3 para apoio à elaboração deste exercício)

04-Nov-04 (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).
(Notas de estudo: Bry (Ch 3.6) e slides ISA_2 )

Semana 8  

08-Nov-04 (TP1+TP2)
Resolução do TPC4 (operações e acessos a operandos do IA32 em Linux), em ambiente laboratorial.
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC4r ; enunciado do TPC5 e Guião 4, cuja resolução deverá ser entregue, no Gab. Técnicos do DI, até às 12h00 de segunda 15-Nov-04, para avaliação)

09-Nov-04 (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) .
(Notas de estudo: Bry (Ch 3.7) e slides ISA_3  )

09-Nov-04 (TP3)
Resolução do TPC4 (operações e acessos a operandos do IA32 em Linux), em ambiente laboratorial.
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC4r ; enunciado do TPC5 e Guião 4, cuja resolução deverá ser entregue, no Gab. Técnicos do DI, até às 12h00 de segunda 15-Nov-04, para avaliação)

11-Nov-04 (T)
Análise do nível ISA do IA-32 em Linux: análise detalhada da implementação de procedimentos/funções ao nível do assembly do IA-32 (e respectiva utilização da stack); análise da stack no caso de funções aninhadas e recursivas.
(Notas de estudo: mesmas que da aula anterior )

Semana 9

15-Nov-04 (TP1+TP2)
Análise laboratorial do código C compilado por ferramentas da Gnu em Linux, contendo instruções de salto e estruturas de controlo do IA32, com utilização do depurador gdb.
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC5r ; o manual de utilização do depurador disponibilizado pela GNU está em Debugging with DBG , mas existe uma cópia local da versão em PDF aqui (1.64MB); J. Clark na Univ. Nebraska disponibiliza um pequeno tutorial de introdução ao GDB que recomendo)

16-Nov-04 (T)
Análise do nível ISA do IA-32 em Linux: análise comparativa do modelo de implementação de funções numa arquitectura RISC (MIPS) versus IA-32.
(Notas de estudo: Bry (Ch 3.7 e 3.8) e slides ISA_4 )

16-Nov-04 (TP3)
Análise laboratorial do código C compilado por ferramentas da Gnu em Linux, contendo instruções de salto e estruturas de controlo do IA32, com utilização do depurador gdb.
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC5r ; o manual de utilização do depurador disponibilizado pela GNU está em Debugging with DBG , mas existe uma cópia local da versão em PDF aqui (1.64MB); J. Clark na Univ. Nebraska disponibiliza um pequeno tutorial de introdução ao GDB que recomendo)

18-Nov-04 (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, structures e unions).
(Notas de estudo: Bry (Ch 3.9) e  slides ISA_5 ; para apoio ao estudo de preparação para a ficha de avaliação prática, recomenda-se a leitura da ficha matriz)

Semana 10

22-Nov-04 (TP1+TP2)
Ficha de Avaliação 1 (turnos de S1 e S2).
(Notas de estudo: enunciado da FAval1 (turnos S1, S2); enunciado do TPC6 e Guião 5, cuja resolução deverá ser levada para a sessão laboratorial da semana seguinte, para avaliação )

23-Nov-04 (T)
Ficha de Avaliação 1 (1º turno de T1).

23-Nov-04 (TP3)
Ficha de Avaliação 1 (turnos de T1).
(Notas de estudo: enunciados de FA1 (turno T1); enunciado do TPC6 e Guião 5, cuja resolução deverá ser levada para a sessão laboratorial da semana seguinte, para avaliação )

25-Nov-04 (T)
Teste nº 4.

Semana 11 

29-Nov-04 (TP1+TP2)
Resolução do TPC6 e Guião 5 (funções e variáveis estruturadas no IA32 em Linux), em ambiente laboratorial.
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC6r ; enunciado do TPC7 e Guião 6, e código associado (compactado), cuja resolução deverá ser efectuada antes do início da aula seguinte)

30-Nov-04 (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 )

30-Nov-04 (TP3)
Resolução do TPC6 e Guião 5 (funções e variáveis estruturadas no IA32 em Linux), em ambiente laboratorial.
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC6r ; enunciado do TPC7 e Guião 6, e código associado (compactado), cuja resolução deverá ser efectuada antes do início da aula seguinte)

02-Dez-04 (T)
Avaliação de desempenho na execução de programas: aprofundamento da análise de algumas técnicas de optimização independentes da máquina, com discussão de 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: Bry (Ch. 5.3 a 5.6); slides: os mesmos que da aula anterior )

Semana 12

06-Dez-04 (TP1+TP2)    
Resolução do TPC7 e Guião 6 (introdução e análise de técnicas de optimização de desempenho e respectivas medições no IA32 em Linux).
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC7 )

07-Dez-04 (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 )

07-Dez-04 (TP3)
Resolução do TPC7 e Guião 6 (introdução e análise de técnicas de optimização de desempenho e respectivas medições no IA32 em Linux).
(Notas de estudo: exercícios resolvidos do TPC7r )

09-Dez-04 (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.
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; 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. 5.8, 5.10, 5.11, 5.14, 5.15, 6.4 e 6.5) e slides AvDes_3 )

Semana 13

13-Dez-04 (TP1+TP2)   
Ficha de Avaliação 2 (FAval_2).

14-Dez-04 (T)
Teste 5 de avaliação de conhecimentos, capacidades e aptidões na resolução de problemas concretos.

14-Dez-04 (TP3)
Ficha de Avaliação 2 (FAval_2).

16-Dez-04 (T)
Análise e debate sobre as metodologias de ensino-aprendizagem e de avaliação adoptadas na disciplina.
Realização dos inquéritos de avaliação da disciplina.
Sugestão de leitura (por não ter havido tempo para leccionar): 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 )