UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA LICENCIADO EN CIENCIAS DE LA COMPUTACIÓN

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO LICENCIADO EN CIENCIAS DE LA COMPUTACIÓN Programa de la asignatura: Organización y Arquitectura de Computadoras Clave: Semestre: Campo de conocimiento: Área de formación: * 4 Ciencias de la Computación Organización de Sist de Cómp Linea terminal: Horas por Horas Diploma semana Total de horas Créditos: Teo T/P Prác Tipo: Modalidad: Carácter: Teórico-práctica Curso Obligatoria Seriación indicativa antecedente: Modelado y Programación, Estructuras Discretas. Seriación obligatoria antecedente: Estructuras Discretas. Seriación indicativa subsecuente: Compiladores, Sistemas Operativos. Objetivo General: El curso de organización y arquitectura de computadoras ofrece una visión panorámica de la estructura y diseño de sistemas de cómputo haciendo énfasis en los criterios que permiten tomar decisiones de diseño de mejor relación costo-beneficio. Al terminar el curso el alumno: Conocerá los principales mecanismos para la evaluación del desempeño en equipo de cómputo y sabrá cómo y en qué circunstancia aplicarlos. Poseerá un conocimiento elemental de diseño de los circuitos que contiene una computadora digital. Poseerá un panorama de las distintas alternativas de diseño en arquitecturas de computadoras, los criterios que permiten evaluarlas y los contextos en los que resultan óptimas Reconocerá la importancia de la relación hardware-software en el diseño de las arquitecturas modernas. Poseerá los conocimientos necesarios para comprender los principales retos y las tendencias tecnológicas en el diseño de arquitecturas modernas. 1

2 Contenido temático Unidad Tema Semanas 1 Principios cuantitativos del diseño de arquitecturas Representación de datos en una computadora digital Álgebra booleana Circuitos combinacionales y secuenciales Diseño del conjunto de instrucciones Unidad de control Cause segmentado de ejecución (pipeline) La relación hardware-software La jerarquía de memoria Entrada/Salida y canales Sistemas multiprocesador Arquitecturas de vanguardia. 1.0 Total de Semanas 16.0 Desarrollo temático 1. Principios cuantitativos del diseño de arquitecturas Se presentan los principales mecanismos de evaluación de desempeño y los criterios cuantitativos para la toma de decisiones de diseño Tendencias tecnológicas y de uso Medidas de desempeño de equipo de cómputo Ecuación de desempeño y ley de Amdahl. 2. Representación de datos en una computadora digital. Se muestran las diferentes maneras para representar datos numéricos en una computadora digital Sistemas numéricos posicionales Sistemas numéricos bases 2, 8 y Representación de enteros con signo en una computadora digital Representación de números en punto flotante en una computadora digital. 3. Álgebra booleana Se presenta la formulación axiomática del álgebra booleana, los resultados más relevantes y algunos de las heurísticos y algoritmos más usuales para minimizar expresiones booleanas Postulados del álgebra booleana Formas normales conjuntivas y disyuntivas Minimización de funciones, implicantes primos y mapas de Karnaugh. 4. Circuitos combinacionales y secuenciales Se presentan los métodos de diseño de circuitos combinacionales y secuenciales a través de ejemplos concretos Circuitos combinacionales elementales: sumadores, comparadores, decodificadores y multiplexores Cerrojos (latches) SR, JK, D, maestro-esclavo Diagramas de estado, diseño de circuitos secuenciales. 2

3 5. Diseño del conjunto de instrucciones Se muestran las diferentes alternativas para el diseño del conjunto de instrucciones de una unidad central de proceso y su impacto en el desempeño Tipos de arquitectura del conjunto de instrucciones Arquitecturas load-store y su relación costo-beneficio Tipos y tamaño de operandos Modos de direccionamiento Formatos de instrucción y su proceso de ejecución. 6. Unidad de control Se presentan las diferentes alternativas para el diseño de la unidad de control de un CPU, sus ventajas y desventajas El diagrama de flujo de datos (datapath) Señáles de control Unidades de control microprogramadas y alambradas (hardwired). 7. Cause segmentado de ejecución (pipeline) Se introduce el concepto de cauce segmentado como mecanismo para lograr mayor paralelismo a nivel de instrucción y se muestran los cambios que se requieren en el CPU para adoptarlo. Se muestran los principales conflictos que se generan con el cause segmentado y cómo se resuelven Paralelismo a nivel de instrucción (ILP) Diseño de un procesador con cause segmentado Conflictos (hazards) de control y de datos Esquemas de predicción de salto, salto retardado (delayed branch). 8. La relación hardware-software Se muestra la relación, cada vez mayor, entre el diseño del hardware y el del software del sistema. Se muestra el impacto de esta relación en el desempeño del sistema El papel del compilador en el desempeño del sistema La relación entre el sistema operativo y el hardware. 9. La jerarquía de memoria Se presentan los motivos que hacen necesaria la jerarquía de memoria y los principios que la sustentan. Se muestran las principales alternativas de diseño de caches y su impacto en el desempeño Principio de localidad espacial y temporal Esquemas de colocación de bloques en un cache Políticas de reemplazo de bloque en los caches Manejo de escrituras en el cache Coherencia, conceptos y protocolos 9.6. Memoria virtual. 10. Entrada/Salida y canales Se presentan las principales alternativas en el diseño de canales, su impacto en el desempeño y en el costo. Se muestra la organización y factores de desempeño de los medios de almacenamiento secundario Canales, conceptos y sincronización Esquemnas de arbitraje de canal Dispositivos de almacenamiento secundario, medidas de desempeño. 3

4 11. Sistemas multiprocesador Se muestran las principales alternativas de diseño de sistemas de multiprocesamiento, sus ventajas y desventajas y los problemas a resolver en el diseño general para obtener el máximo desempeño Clasificación de Flynn Arquitecturas paralelas con memoria distribuida Arquitecturas paralelas con mememoria centralizada Factores limitantes de la ley de Moore Paralelismo a nivel de hilo de ejecución (Thread Level Parallelism) Arquitecturas multi-núcleo. 12. Arquitecturas de vanguardia Se presentan tópicos relacionados con el diseño de arquitecturas novedosas o de vanguardia Ejecución fuera de orden, despacho dinámico Arquitecturas VLIW y EPIC Especulación, predicación, soporte para software pipeline. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA: 1. Hennessy, John L. y David A. Patterson, Computer Architecture: A Quantitative Approach, 4a Ed., Morgan Kaufmann, Kohavi, Zvi y Niraj K. Jha, Switching and Finite Automata Theory, 3a Ed., Cambridge University Press, Mano, M. Morris y Charles Kime, Logic and Computer Design Fundamentals, 4a Ed., Prentice Hall, Patterson, David A. y John L. Hennessy, Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, 4a Ed., Morgan Kaufmann, 2008 BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA: 1. Stallings, William, Computer Organizaton and Architecture: Designing for Performance, Prentice Hall - Pearson, Tanenbaum, Andrew S., Structured Computer Organization, 5a Ed., Prentice Hall, Silberschatz Abraham, Peter B. Galvin y Greg Gagne, Operating System Concepts, 8a Ed., Wiley,

5 Sugerencias didácticas: Mecanismos de evaluación del aprendizaje: Exposición oral ( ) Exámenes parciales ( ) Exposición audiovisual ( ) Examen final escrito ( ) Ejercicios dentro de clase ( ) Trabajos y tareas fuera del aula ( ) Ejercicios fuera del aula ( ) Prácticas de laboratorio ( ) Seminarios ( ) Exposición de seminarios por los ( ) Lecturas obligatorias ( ) alumnos Trabajo de investigación ( ) Participación en clase ( ) Prácticas de taller o laboratorio ( ) Asistencia ( ) Proyectos de programación ( ) Proyecto Final ( ) Otras: ( ) Otras: Proyecto final de programación ( ) PERFIL PROFESIOGRÁFICO: Egresado preferentemente de la Licenciatura en Ciencias de la Computación o Matemático con especialidad en Computación con amplia experiencia de programación. Es conveniente que posea un posgrado en la disciplina. 5