Universitat de Girona

Programa de l'assignatura

Curs 2004-05

3105II0001 ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS


Objectius Programa provisional  

-          Conèixer l'estructura intrínseca i el funcionament bàsic d'un computador a partir de les seves unitats funcionals: El processador i els seus components, el sistema de memòria, el sistema d'E/S, i els busos.

-          Entendre com s'executa una instrucció analitzant pas a pas les fases d'execució i tot el maquinari que hi intervé.

-          Assolir els coneixements necessaris d'electrònica i de sistemes digitals, assumint-ne els fonaments per a la seva anàlisi i el seu disseny a partir d'unes especificacions concretes i de l'ús de les expressions matemàtiques que en descriuen el funcionament.

-          Entendre les bases de l'arquitectura i el control dels elements d'un computador digital, així com els mecanismes de transferència de la informació.

-          Obtenir coneixements generals de llenguatge assemblador, per poder programar amb qualsevol llenguatge assemblador. Comprendre la seva relació amb el llenguatge màquina, així com els processos d'assemblatge, muntatge i execució d'un programa.

-          Obtenir una visió general del funcionament dels dispositius d'E/S i perifèrics i dels seus mecanismes de control, així com de l'organització jeràrquica del sistema de memòria d'un computador.

-       Ser capaços de realitzar una anàlisi del disseny d'una CPU determinada segons els models bàsics d'arquitectures de Von Neumann i de Harvard.

 
Prerrequisits  

No n'hi ha
 
Contingut (Programa)  

BLOC I. Computadors i Informació. Conceptes bàsics (8h)

Tema 1 (2h)
Introducció i definicions bàsiques
Arquitectures de computadors
Dispositius electrònics
Representació de la Informació

Tema 2 (6h)
Algebra de Boole. Simplificació de Funcions

BLOC II. Sistemes Digitals (26h)

Tema 3 (4h)
Representacions de valors numèrics
Aritmètica binària
Altres codificacions. Codificació alfanumèrica
Representació de les dades a nivell de màquina

Tema 4 (9h) Sistemes combinacionals
Senyals digitals
Anàlisi de circuits combinacionals
Síntesi de circuits combinacionals
Blocs combinacionals standard:
Portes lògiques, comparadors, sumadors, decodificadors, codificadors, conversors de codi, multiplexors, demultiplexors
Implementació de funcions utilitzant blocs combinacionals

Tema 5 (9h). Sistemes seqüencials
Conceptes
Cèl·lula bàsica de memorització, bàscules biestables Tipus
Tipus de sistemes seqüencials: màquines de Mealy i de Moore.
Anàlisi i síntesi de sistemes seqüencials
Comptadors
Registres
Memòries
Disseny de sistemes seqüencials amb blocs.

Tema 6 (4h)
Lògica programable
ROMs
PLDs
Circuits VLSI

BLOC III. Disseny de computadors (20h)

Tema 7 (6h)
Disseny d'un computador senzill
Presentació del computador senzill: Especificació d'instruccions i organització de la màquina.
Disseny de la unitat de procés. Especificar registres i ALU
Disseny de la unitat de control. Fases d'execució d'una instrucció

Tema 8 (14h)
Disseny de CPU's senzilles.
Unitat de control: implementació cablejada i microprogramada
Modificacions a la MS.
Introducció a CPU's segmentades (pipelines)
Introducció al paral·lelisme (SIMD, MIMD,...)
Arquitectura de CPU's comercials: z80, 386, VAX-11, Pentium, PowerPC,MIPS

BLOC IV. Llenguatge màquina i assemblador (22h)

Tema 9 (18h)
Tipus d'instruccions i tipus de dades
Programació amb llenguatge assemblador/màquina
Formats d'instrucció
Modes d'adreçament
Mecanismes per cridar i tornar d'una subrutina
E/S i interrupcions

Tema 10 (4h)
El programa assemblador
El procés de muntar i executar

BLOC V. Interficies i comunicacions (6h)

Tema 11 (4h)
Fonaments de la E/S: Controladors, buffers, interrupcions, sincronització.
Estructures d'interrupció: vectors i priorització.
Busos: protocols, arbitratges, DMA (direct-memory acces)

Tema 12 (2h)
Altres processadors
Introducció a xarxes i suport multimedia


 
Bibliografia  



J.M. ANGULO, J.GARCIA. Sistemas Digitales y Tecnología de Computadores. Paraninfo, 2002
J.M. ANGULO, J. GARCIA, I. ANGULO. Fundamentos y Estructura de Computadores. Thompson, 2003
D. PATTERSON, J.L. HENESSY. Organización y Diseño de Computadores. Mc Graw-Hill, 1995 (i posteriors)
VALERO GARCIA, MIGUEL. AYGUADE, EDUARD i Altres. La Máquina Sencilla: Introducción a la Arquitectura Básica de un computador. Publicació docent del Dept. d'Arquitectura de Computadors, 2001.
PEDRO DE MIGUEL. Fundamentos de los Computadores. Edit.Paraninfo, 1992
D.V. HALL. Microprocessors and Interfacing. Ed. Mc Graw-Hill, 200

Eines de simulació (sistemes digitals i CPU’s) disponibles en la plana web de l’assignatura

 Material docent disponible en la plana web de l’assignatura (transparències, problemes, enunciats de les pràctiques, informació i material de suport, exàmens resolts d’altres convocatòries, etc.)

 

Enllaços a altres planes web de contingut relacionat amb l’assignatura, disponible en la plana web de l’assignatura

 

 
Mètodes docents  

Activitats

El curs s’estructura en blocs, i aquests s’agrupen en diferents temes. Dins de cada tema es dóna prioritat a aquells aspectes realment imprescindibles pel seguiment del curs, i el tractament d’altres aspectes complementaris dependrà del desenvolupament de cada una de les sessions i de les possibilitats del grup. D’aquesta manera es pretén evitar el fet de deixar qüestions importants pendents. Cada tema es pot considerar com a una unitat amb el seu plantejament, desenvolupament i conclusió.

 

Per tal d’aconseguir l’aprenentatge, els alumnes hauran de seguir diverses activitats. Aquí es considerarà l’activitat de l’alumne, d’acord amb la voluntat d’implantar el crèdit ECTS com a unitat de mesura de l’esforç de l’alumne.

 

Les activitats a dur a terme són:

1. Preparació prèvia de la classe per part de l’alumne

2. Classes teòriques a l’aula

3. Classes pràctiques a l’aula (resolució de problemes)

4. Classes pràctiques al laboratori i a les aules informàtiques

5. Tutories

6. Estudi

7. Exàmens

 

Cal tenir en compte que tant les classes pràctiques d’aula com les classes pràctiques en el laboratori i en l’aula informàtica es realitzen amb grups reduïts (uns 40 alumnes i 20 alumnes, respectivament).

 

També es disposa d’ eines informàtiques de tipus simulador (concretament de sistemes digitals i de diferents CPU’s, disponibles en la plana web de l’assignatura) que poden ser utilitzades tant en les classes de teoria com de problemes. Evidentment aquestes eines s’utilitzen habitualment en les classes de pràctiques.

 

1. Preparació prèvia de la classe per part de l’alumne

Per tal de potenciar la participació dels alumnes a les classes magistrals és necessari que aquests disposin d’una certa preparació prèvia. És necessari que els alumnes hagin realitzat una revisió del material disponible en el portal de la Universitat (La meva UdG).

 

2. Classes teòriques a l’aula

La durada habitual de les sessions és de 2 hores.

L’objectiu d’aquesta activitat és dotar als alumnes dels coneixements necessaris, i d’assegurar-nos que aquests han estat ben assimilats.

En una primera part s’ha d’informar als alumnes dels conceptes i habilitats que haurà d’haver assolit. És convenient despertar l’interès pràctic, explicant algun exemple pràctic ben conegut i plantejar qüestions.

Es continua amb l’enunciat i explicació dels coneixements bàsics, en relació a les qüestions plantejades prèviament. S’ha d’insistir en aquells aspectes que puguin ser més conflictius o difícils d’assimilar.

En una segona part, és necessari plantejar una sèrie d’exercicis que els alumnes han de resoldre en grups, i que han de servir per aclarir i fiançar els conceptes explicats en la part anterior. Mitjançant aquests exercicis els alumnes han de poder comprovar el grau d’assimilació de la temàtica. El professor els ha de poder orientar sobre els dèficits detectats i la manera de resoldre’ls. Aquesta part ha de servir al professor per fer un seguiment global de l’aprenentatge. És convenient que el treball sigui col·lectiu, i que estigui farcit de les corresponents discussions a nivell global o per grups mes reduïts.

 

Com a eines per a agilitzar el desenvolupament de la sessió es comptarà amb els mitjans informàtics i audiovisuals disponibles a l’aula (retroprojectors, ordinadors+canons, connexió a la xarxa informàtica).

 

3. Classes pràctiques a l’aula (resolució de problemes)

La durada d’aquestes sessions és d’una hora. Es dedicarà a la resolució de problemes de la temàtica plantejada en les sessions teòriques. Els alumnes disposaran d’un llistat de problemes (amb la solució) per a cada un dels temes, a més dels enunciats i resolucions corresponents d’exàmens de cursos anteriors. Es pretén que siguin sessions on els alumnes aportin de forma mes significativa el seu esforç individual, encara que també es fomentarà la discussió en grup.

 

4. Classes pràctiques al laboratori i a les aules informàtiques

 

L’objectiu principal de les pràctiques és posar al davant de l’alumne un problema que estigui molt relacionat amb la realitat. Els estudiants han de comprendre i assumir que les situacions reals molt sovint no són tan simples com les tractades en les sessions de teoria i de problemes, i que poden aparèixer problemàtiques addicionals. Un altre dels objectius bàsics és la familiarització amb les eines disponibles en els laboratoris, així com amb les tècniques correctes de plantejar i solucionar problemàtiques mes complexes (que la que es donen a les classes de teoria i problemes).

 

Aquestes activitats es realitzen en el Laboratori d’Introducció als Ordinadors i en les Aules Informàtiques de l’Escola Politècnica Superior. Ara per ara, l’assistència a les pràctiques es obligatòria per a tots els alumnes. Cada sessió de pràctiques té una durada de 2 hores. El calendari de pràctiques és conegut per l’alumne al començament de cada curs. Durant la sessió de pràctiques, els alumnes treballen en grups de com a màxim dues persones. És necessari dedicar un temps previ a l’assistència les sessions pràctiques per a preparar adequadament les mateixes i per poder aprofitar al màxim el temps de laboratori disponible per a cada sessió.

 

Els alumnes han d’el.laborar un informe on hi consta principalment la feina portada a terme en el laboratori amb una explicació concreta dels problemes que han aparegut en la realització de la pràctica i les solucions plantejades.

Aquest informe ha de ser corregit pel professor i retornat als alumnes en un temps raonable.

 

5. Tutories

L’alumne té la possibilitat d’utilitzar l’horari de tutories del professorat per plantejar dubtes sobre el desenvolupament de l’assignatura, o el contingut relacionat amb algun dels temes del curs. Poden ser individualitzades, però es fomentarà l’assistència en grups reduïts, per tal d’augmentar l’eficiència global d’aquesta activitat. Cal tenir en compte que es fomenta la utilització del correu electrònic per a solucionar determinats problemes, quan això sigui possible. Els alumnes coneixen l’horari d’atenció als estudiants de cada professor des de l’inici del curs, i s’aconsella sol·licitar la realització d’aquesta activitat, quedant prèviament amb el professor, mitjançant el correu electrònic.

 

6. Estudi

Encara que es pretén extreure el màxim rendiment a les sessions presencials, el temps dedicat a aquestes activitats s’ha demostrat que no és suficient. L’alumne ha de dedicar un temps a l’estudi personal dels continguts del curs. S’ha considerat que el temps que cal dedicar a l’estudi dels continguts de l’assignatura és aproximadament de 1,5 hores per cada hora de teoria, de problemes en l’aula i 1hora per cada hora de pràctiques. També s’ha de tenir en compte el temps addicional dedicat a la preparació dels exàmens, que es considera que és aproximadament al voltant de 10 hores, en el cas de portar l’assignatura preparada de forma continuada.

 

Pel que respecte als exàmens, cal tenir en compte la informació proporcionada en el següent apartat.

 

Organització de l’assignatura:

 

- Classes de teoria : 3 hores setmanals durant tot el curs

 

- Classes de problemes: 1 hora/quinzena durant tot el curs

 

- Classe de pràctiques: 2 hores/set. durant 22 setmanes distribuïdes al llarg de tot el curs

 

 
Tipus d'exàmens i avaluacions  

- L’alumne pot efectuar una auto-comprovació del nivell adquirit mitjançant el treball amb els exercicis dels quals es proporciona enunciat i solució.

- Es realitza l’avaluació de les pràctiques tenint en compte la realització en el laboratori i l'informe que es presenta.

- La realització de les pràctiques és indispensable per a la l'avaluació de l’assignatura.

 

- Es realitza un examen parcial al final del primer quatrimestre (que permet eliminar matèria en cas de tenir una qualificació igual o superior a 5) i un examen final al acabar el segon quatrimestre dels continguts de tota l'assignatura en cas que no s'hagi eliminat matèria en l'examen del primer quatrimestre.

- Els exàmens estan dividits en dues parts. La primera consisteix en una prova de coneixements teòrics (sense poder disposar ni d'apunts ni d'altre material docent) i la segona part serà una prova de tipus pràctic amb problemes.

- La nota final s'obté ponderant un 80 % la qualificació obtinguda en l'examen i un 20% la nota obtinguda de l'avaluació de les pràctiques.

 

 
Informació addicional  

Tutories:

 

Xavier Cufí.

Dept. Electrònica, Informàtica i Automàtica

Escola Politècnica Superior

Edifici P-IV. Despatx 011

Tel: 972-418757

e-mail: xcuf@eia.udg.edu

Horari de tutories: dilluns de 9 a 11 h i dijous de 15 a 17 hores

 

Martí Fàbregas

Dept. Electrònica, Informàtica i Automàtica

Escola Politècnica Superior

Edifici P-IV. Despatx 211

Tel: 972-418923

e-mail: marti@eia.udg.edu

Horari de tutories: dilluns de 9 a 11 h i dimecres de 15 a 17 hores

 

Jordi Ferrer

Dept. Electrònica, Informàtica i Automàtica

Escola Politècnica Superior

Edifici P-IV. Despatx 029

Tel: 972-418882

e-mail: jferrerp@eia.udg.edu

Horari de tutories: dimarts de 19 a 21 h i dijous de 19 a 21 hores

 

 

Realització de les pràctiques de sistemes digitals, simulacions i programació en assemblador:

 

Pràctica 0: Instrumentació de Laboratori: Oscil.loscop, entrenador digital, fonts d'alimentació

Pràctica 1: Electrònica discreta i Integrats MSI

Pràctica 2: Disseny de circuits lògics combinacionals

Pràctica 3: Disseny d'un circuït sumador-restador

Pràctica 4: Implementació d'un generador de caràcters amb memòria EPROM

Pràctica 5: Lectura/escriptura d'una memòria RAM

Pràctica 6: Autòmat pel control d'un semàfor d'una cruïlla

Pràctica 7: Simulació de circuïts digitals

 

Pràctiques 8-11: Plantejament i solució de problemes pràctics relacionats amb el disseny de CPU's

Pràctiques 12-16: Plantejament i solució de problemes pràctics relacionats amb programació en assemblador de MIPS

 

 
Llengua de les classes  

Català