Arquitectura de Computadores Lic. Matemática & Ciências da Computação, 1º ano 2005/2006 Docente responsável: A.J.Proença

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(2004/2005)

Ultima Modificação: 20 Fev 2006

departamento de informática

Equipa docente

• Docente responsável pela disciplina e sua leccionação:

Alberto José Proença
email: aproenca@di.uminho.pt
Horário de atendimento:  Quarta 14:00 - 18:00

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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 (i) os conhecimentos de base relativos ao funcionamento dum computador, (ii) capacidades de utilização consciente e eficiente das suas funcionalidades, (iii) aptidões técnicas na utilização de instrumentos/ferramentas de análise, correcção e/ou melhoria de desempenho na execução de programas, e (iv) aptidões transversais no raciocínio crítico e criativo, no trabalho de grupo e na comunicação escrita e oral.
Mais concretamente, no caso das competências específicas, os objectivo de formação são:

• apreender a organização e estrutura funcional dum computador, adquirindo ainda capacidades para acompanhar a sua evolução;
• adquirir aptidões intelectuais na análise e modificação da funcionalidade de programas imperativos (tipo C), com recurso ao assembly e a linguagem máquina;
• compreender e influenciar os factores com impacto no desempenho dos sistemas de computação;
• adquirir aptidões 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, capacidades e aptidões que compreendem:

• a apreensão da organização e estrutura funcional dum computador;
• a capacidade de compreender a evolução tecnológica dos computadores;
• aptidões 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;
• aptidões 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, capacidades e aptidões 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

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  

Introdução

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 as presenças contabilizadas para efeitos de avaliação da participação;
• sessões para exercícios de treino ou laboratoriais (2h/sem): têm por objectivo o desenvolvimento de aptidões intelectuais - aplicar e/ou aprofundar conceitos adquiridos - e de aptidões 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 nestas sessões é recomendada, sendo obrigatória para os estudantes que optem pelo modelo de avaliação durante o semestre (modelo apresentado adiante); nota: 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/trabalho de grupo servindo essencialmente de acompanhamento do processo de aprendizagem, através (i) de esclarecimento de dúvidas a qualquer tema leccionado, e (ii) de monitorização/orientação do projecto a ser desenvolvido pelo trabalho de grupo; a participação nestas sessões é altamente recomendada, pois a experiência de anos anteriores demonstrou a sua utilidade no sucesso dos estudantes nesta disciplina.

A avaliação nesta disciplina tem 2 componentes principais:

• uma avaliação das capacidades cognitivas e das aptidões intelectuais - nomeadamente a capacidade de aquisição, retenção, compreensão e aplicação dos conhecimentos adquiridos - realizada através dos testes escritos efectuados durante o semestre e da eventual análise de elementos complementares ao processo de ensino-aprendizagem;
• uma avaliação das aptidões técnicas e transversais - nomeadamente, os passos desenvolvidos na execução e defesa individual e em grupo, de projecto(s), que incluem a  pesquisa, análise e síntese de conceitos, e a construção e/ou modificação e execução controlada de programas desenvolvidos em C e assembly - realizada através de relatórios de projecto (3) e respectiva defesa oral, efectuados durante o semestre, e da eventual participação nas sessões teórico-práticas.

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 numa escala de 10 a 20, consoante a satisfação de resultados de aprendizagem adicionais e complementares (definidos de acordo com os Resultados esperados da aprendizagem).

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

Modelos de avaliação

Avaliação durante o semestre

1. Avaliação da participação no processo de ensino-aprendizagem (10% do peso total), contemplando a frequência às aulas e sessões TP e  a realização dos TPC's
2. Testes escritos (5, de 1/2h cada, com 60% do peso total), a realizar ao longo do semestre (em substituição do exame da época normal) e contendo 2 partes: 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. Trabalho prático (também designado por Projecto, com 30% do peso total), a realizar durante o semestre (conjunto integrado de tarefas), a ser avaliado em 3 datas pré-definidas (indicadas no calendário) e contendo 2 partes: uma de satisfação de mínimos ("Aprovado" ou "Reprovado") e outra classificativa (para atribuição, aos aprovados, de um valor numérico entre 10 e 20).

Avaliação mista

1. Exame escrito (2/3 do peso total), a realizar nas épocas calendarizadas e contendo 2 partes: 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. Trabalho prático (também designado por Projecto, com 1/3 do peso total), a realizar durante o semestre (conjunto integrado de tarefas), a ser avaliado em 3 datas pré-definidas (indicadas no calendário) e contendo 2 partes: 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".