Arquitectura de computadores

Volver a Cursos

Arquitectura de Computadores - Código 22966

Carlos Jaime Barrios Hernández - ( c b a r r i o s  @   u i s . e d u . c o )

Auxiliatura Técnica-Académica : Equipo de Ingenieria de Supercomputación y Cálculo Científico

PRESENTACION

El diseño, desarrollo e innovación son palabras que corresponden a la actividad de un ingeniero, cualquiera que sea su área de trabajo. Desde un punto de vista ingenieril la tecnología, es el fruto de la concepción y desarrollo del conocimiento, utilizando herramientas y proyectando una utilidad, incluyendo el diseño de nuevas herramientas. Como ingenieros de sistemas esas herramientas son las máquinas computacionales, las cuales evolucionan con la actualización del conocimiento, que involucra la explotación de nuevos materiales, nuestra capacidad de abstracción y las perspectivas de desarrollo (mas que las necesidades).

Si bien el componente técnico/tecnológico de la asignatura arquitecturas de computadores es importante, el solo hecho de utilizar la palabra “arquitectura” involucra una percepción hacia la concepción, el diseño y la organización de los elementos que integran un sistema de cómputo (no solo una máquina computadora), como es la interacción con otros sistemas y con los humanos, observando tendencias, factibilidad, requerimientos de rendimiento, limitaciones tecnológicas y físicas, impacto ambiental entre otros. Aunque la frontera con el conocimiento que involucra otras áreas como la ingeniería electrónica, la física de materiales o la matemática aplicada es frágil, el curso esta dirigido a estudiantes de ingeniería de sistemas y ciencias de la computación, buscando ofrecer fundamentos de arquitectura de sistemas computacionales desde una ubicación histórica. De ahí que se complementen con lecturas acerca del estado del arte en cada una de las secciones propuestas para este curso.

El propósito fundamental de esta asignatura durante el presente semestre es establecer un estado de conocimientos fundamentales en arquitectura de computadores, que permita manejar el lenguaje técnico asociado, ubicar temporalmente el desarrollo tecnológico, conociendo el estado del arte en esta área y fundamentar conocimientos que permitan el auto-aprendizaje y profundización en el área, además de la interacción en equipos interdisciplinarios que requieran competencias en arquitectura de sistemas computacionales.

Contenido

1. Introducción y Fundamentos de Arquitectura de Sistemas de Cómputo
   1. Arquitectura, Organización y Diseño de Sistemas de Cómputo
   2. Desarrollo histórico – Ubicación histórica actual
   3. Clases de Computadoras
   4. Abstracción y Tecnología de Computación – Tendencias
   5. Desempeño
   6. Casos de Estudio
2. Instrucciones y Aritmética para Computador
   1. Fundamentos de Instrucciones para Computador
      1. Operaciones y Operandos de Hardware de Computadoras
      2. Representación de Instrucciones
      3. Operaciones Lógicas
      4. Instrucciones para la toma de decisiones
      5. Soporte de Procedimientos a nivel de Hardware
      6. Comunicaciones
      7. Arquitectura MIPS
      8. Introducción Paralelismo I – Paralelismo de Instrucciones y el problema de la sincronización
      9. Algunos Aspectos Avanzados
         1. Aspectos Arquitecturales de Compilación
         2. Fundamentos de Diseño Lógico
         3. Mapeo de Hardware
      10. Casos de Estudio
   2. Introducción y Fundamentos de Aritmética para Computador
      1. Adición y substracción
      2. Multiplicación y División
      3. Introducción al Paralelismo II – Aritmética de computadores y el problema de la asociatividad.
      4. Casos de Estudio
3. Organización y Diseño Arquitectural de Sistemas de Cómputo
   1. Fundamentos de Organización y Diseño
   2. Aspectos Básicos de Procesadores
      1. Aspectos Lógicos de Diseño
      2. Pipeline y Control
      3. Paralelismo y Escalabilidad
      4. Casos de Estudio
   3. Fundamentos de Memoria
      1. Fundamentos de Organización y Diseño
      2. Jerarquía de Memoria
      3. Casos de Estudio
   4. Aspectos Básicos de Almacenamiento
   5. Aspectos Básicos de Comunicaciones y Conectividad
      1. Conectividad Interna
      2. Interconectividad y Redes (Introducción)
   6. Fundamentos de I/O, Gráficas e Interfaces
   7. Casos de Estudio
4. Tendencias y Direcciones Futuras
   1. Arquitecturas Híbridas
   2. Arquitecturas Reconfigurables
   3. Aspectos Energéticos, Ecológicos y Ambientales
   4. Arquitecturas Escalables, de Gran Escala y Ecosistemas
   5. ARMS (Advanced RISC Architectures) y Computadores Embebidos.
   6. EXASCALE y otras direcciones

ASPECTOS METODOLOGICOS

• Seminarios Teóricos
• Seminarios Magistrales
• Seminarios con Invitados
• Sesiones Teórico Prácticas / Análisis de Casos
• Lecturas Sugeridas (En español y en Inglés)
• Webminars y Videoconferencias

MATERIAL DEL CURSO

El material presentado, fundamentalmente son las diapositivas presentadas durante las sesiones tanto teóricas como los talleres. Es importante resaltar que la mayoría del material se encuentra en inglés. Esto con el fin de acostumbrar la consulta en inglés, debido a que las especificaciones y la bibliografía y fuentes de información "de punta" en tecnología están estandarizadas en inglés. Es posible que existan algunos errores de escritura.  Estas diapositivas son principalmente de las sesiones Teóricas (Desde el I Semestre de 2016) y los artículos presentados por los estudiantes a partir del primer semestre de 2016.

Presentación del Curso:

• 1-2016

Del Tema 1 del Contenido:

• Abstracción
• Fundamentos de Diseño Lógico Digital
• Evolución Histórica
• Evaluación de Desempeño

Del Tema 2 del Contenido:

• Aritmética Computacional
• Instrucciones Computacionales
• Multinúcleos y Paralelísmo: Una introducción
• Introducción al Ensamblador

Del Tema 3 del Contenido:

• Redes y Conectividad
• Systems on Chip
• Almacenamiento e I/O s
• RISC, CISC y Variaciones
• Arquitecturas Reconfigurables y Embebidas

EVALUACIONES (2 Semestre de 2017)

Los exámenes escritos se realizarán en las horas de clase

1. Evaluación Escrita No. 1 (20%) TEMA 1 (Con material de apoyo, Individual).  Fecha propuesta:  Miércoles 27 de Septiembre de 2017

• Se recomienda tener hoja de examen y responder con lapicero, no con lápiz.
• No se permite ningún tipo de comunicación entre estudiantes.

2. Evaluación Escrita  No. 2 (20%) TEMA 2  (Sin material de apoyo, individual).  Fecha propuesta: Miércoles 8 de Noviembre de 2017

• Principalmente el tema 2, pero puede incluirse conocimientos del tema del contenido 1.
• Tenga en cuenta las recomendaciones dadas para el anterior mensaje.
• Pueden usar computador portátil, pero no comunicarse electrónicamente.

3. Evaluación Escrita No.3  (20%) TEMA 3  (Sin material de apoyo, Por Parejas).  Fecha propuesta: Jueves 7 de Diciembre de 2017

• Principalmente el tema 3, pero se pueden incluir conocimientos vistos en los temas 2 y 3.
• Incluye una pregunta de los artículos entregados y expuestos por los grupos (Normalmente es una pregunta evidente realizada durante la exposición).

Fechas de Presentación: Miércoles 29 y Jueves 30 de Noviembre de 2017

El artículo responderá a un proyecto de aplicación que se distribuirá antes del receso de semana santa y se debe tener en cuenta la estructura del mismo (introducción, estado del arte, contenido en el cual se desarrollará en sí el trabajo, resultados (experimentación si la hat), gráficas, figuras y tablas (si son necesarias), conclusiones, bibliografía y fuentes de información. Pueden guiarse viendo el siguiente ejemplo aquí

• 12 (doce) Páginas en Español  (mínimo 8 páginas), Título y Resumen (abstract) en español y en  inglés (máximo 10 lineas).
• Formato IEEE en una columna para series de conferencias http://www.ieee.org/conferences_events/conferences/publishing/templates.html
• 2 (dos) o (3) tres autores por artículo, de acuerdo a la asignación (igualmente distribuidos por el profesor). NO SON MODIFICABLES
• Temáticas Distribuídas por el Profesor

El artículo debe entregarse en un único archivo .pdf enviándolo al correo del profesor, indicando en el asunto: ENTREGA ARTICULO FINAL ARQUITECTURA. Recuerde que la fecha de entrega esta indicada en el calendario de evaluaciones. Para la presentación debe tener en cuenta lo siguiente:

• 5 Minutos estrictos de presentación. Mas allá de este tiempo será penalizado en la nota.
• Puede estructurarse en formato libre, pero deben usarse diapositivas.
• El orden de presentación de los grupos será dado el mismo dia de la presentación.

5. Sesiones de Entregas Prácticas (20%) Todos los Jueves desde el 31 de Agosto

• Se pueden realizar y entregar por parejas. Las sesiones prácticas se realizan los jueves e inician desde las 7:00 a.m. Después de las 7:30am no se recomienda ingresar al salón de clase.
• Toda las sesiones prácticas generan un informe que se enviara via correo electrónico al correo del profesor, diez minutos antes del cierre del sistema (8:50am).
• Los informes de laboratorio/práctica, se entregan estrictamente en un documento de máximo 3 páginas en .pdf, tamaño carta, con el nombre práctica-XX-Primeras Dos Letras de los Apellidos por Pareja, donde XX es el número de la práctica (por ejemplo, si es la práctica 7 realizado por Pedro Perez y Ana Ardila, sera práctica-7-PPAA.pdf) En el asunto del correo debe colocarse como titulo Arquitectura de Computadores - Práctica XX, donde XX es el número de la práctica. En el cuerpo del mismo, deberán estar los nombres completos y códigos de la dupla que presenta y realiza la práctica. .
• No olvide en el documento .pdf igualmente colocar los nombres de los participantes de la dupla.

TEMATICAS DE PROYECTOS

Temáticas de Proyectos 2017-2

Para este semestre se realizó una asignación por grupos de tres (3) estudiantes, de acuerdo a la tabla siguiente. Cada uno de los grupos deberá realizar el trabajo asignado y seguir lo que se muestra en el numeral 4 de la sección de evaluaciones. Tenga en cuenta que la asignación es definitiva, todo el equipo debe trabajar y en la clase práctica del jueves 26 de octubre, se deberá hacer un informe previo sobre como resolverán la tarea asignada. La tabla de asignación involucra igualmente el orden de presentación.

Tabla de asignación de Grupos

Artículos de los Grupos del Curso del Semestre 1-2016

• Artículo del Grupo 1, Arquitecturas Heterogéneas
• Artículo del Grupo 1 - Versión B, Arquitecturas Heterogéneas
• Artículo del Grupo 2, Programación de Arquitecturas Híbridas
• Artículo del Grupo 3, Arquitecturas Reconfigurables
• Artículo del Grupo 4, Codiseño
• Artículo del Grupo 5, Eficiencia Energética
• Artículo del Grupo 6, Tecnologías Verdes
• Artículo del Grupo 7, Arquitecturas Escalables
• Artículo del Grupo 8, Sistemas de Gran Escala
• Artículo del Grupo 9, ARM
• Artículo del Grupo 10, Supercomputación basada en ARM
• Artículo del Grupo 11, Computación Exascale
• Artículo del Grupo 12, Supercomputación Exascale
• Artículo del Grupo 13, Hardware Libre
• Artículo del Grupo 14, Supercomputación en el bolsillo
• Artículo del Grupo 15, Interfaz Cerebro Computador
• Artículo del Grupo 16, Codiseño de Sistemas Embebidos

Nota importante: Para efectos de la evaluación, al grupo que le correspondió el artículo del Grupo 1, como estos trabajaron finalmente separadamente, escojan alguna de las dos versiones, indicando en la evaluación, que versión escogieron.

Artículos de los Grupos del Curso del Semestre 2-2016

• Artículo del Grupo 1, Connecting Processing...
• Artículo del Grupo 2, Sistema Confiable de Almacenamiento
• Artículo del Grupo 3, Modelos de Programación y Cargas de Trabajo en Computadoras Escalables
• Artículo del Grupo 4, WSC
• Artículo del Grupo 5, Exascale
• Artículo del Grupo 6, Top500.org
• Artículo del Grupo 7,Hardware Libre y Sistemas Embebidos
• Artículo del Grupo 8, Sistemas de Gran Escala
• Artículo del Grupo 9, Arquítecturas Híbridas
• Artículo del Grupo 10, HiPEAC
• Artículo del Grupo 11, ARM
• Artículo del Grupo 12, NVIDIA Jetson TK1 y TX1
• Artículo del Grupo 13, GUANE-1

BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES DE INFORMACION

1.Patterson and Hennesy, Computer Organization and Design (The Hardware, Software Interface)]

• Libro Completo

• Historial Perspective and Further Reading
• Glossary of Terms in Architecture
• A Survey of RISC Architectures for Desktop, Server and Embedded Computers

2. Patterson and Hennesy, Computer Architecture; A Quantitative Approach

• Libro Completo

3. TED Talks

• Shimon Schocken: The self-organizing computer course
• [http://www.ted.com/talks/john_graham_cumming_the_greatest_machine_that_never_was.html John Graham-Cumming: The greatest machine that never was
• Kwabena Boahen: A computer that works like the brain

ALGUNAS PRACTICAS

Práctica Arquitectura General

1. La siguiente imagen, corresponde a una organización del sistema propuesta para un sistema Nehalem-EP 8-way cc-NUMA SMP, basado en CPUs (http://sc.tamu.edu/systems/eos/). Como profesional en ingenieria de sistemas le preguntan lo siguiente, de acuerdo a la gráfica (10 puntos):
   • ¿Cuantos procesadores tengo?
   • ¿Cuántos tipo de procesadores tengo y de que tipo? Explique cada uno
   • ¿Cuántos nucléos de procesamiento (cores) tengo?
   • ¿Cuántos niveles de caché tengo? Explique a que me refiero con el caché.
   • ¿Qué dice la información acerca de la latencia al compararla de procesador a procesador y de procesador a memoria?

CONSULTA CON EL PROFESOR Y SESIONES

Normalmente, si requieren alguna consulta pueden enviarme un email al correo cbarrios(-@-)uis.edu.co o en el desarrollo del curso para planificarla . Sin embargo, los miércoles en los mañana en el horario de 9:30 am. hasta las 10:30 a.m. puede buscarse en la oficina LP 226. Les recomiendo sin embargo que saquemos una cita previa.

.