Materia	Carrera	Plan	Año	Periodo
ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS	ING.ELECT.O.S.D	13/08	2024	1° cuatrimestre

Docente	Función	Cargo	Dedicación
DONDO GAZZANO, JULIO DANIEL	Prof. Responsable	P.Asoc Exc	40 Hs
ANDRADA TIVANI, ASTRI EDITH	Prof. Co-Responsable	JTP Exc	40 Hs

La creciente demanda de mayor poder computacional de los procesadores ha dado origen a arquitecturas complejas con unidades funcionales especializadas, memorias de alta velocidad, multiprocesadores, división de tareas en etapas concurrentes, ejecución de instrucciones a medida que están disponibles sus operandos, etc. Todas estas particularidades hacen necesaria la aplicación de técnicas y estrategias más complejas que las involucradas en los procesadores simples. La disponibilidad tecnológica existente permite el diseño y desarrollo de arquitecturas de procesadores cada vez más eficientes. Las arquitecturas avanzadas están concebidas para procesar problemas específicos que deben ser identificados y resueltos mediante prácticas de programación especiales.

El objetivo de este curso es darle al alumno los conocimientos necesarios para el diseño de Procesadores. Al finalizar el curso los alumnos deberán poder:
- Explorar los límites Hw/Sw existentes en la arquitectura de los procesadores. Identificar que partes de la solución conviene implementar como software y que partes como hardware.
- Identificar los principales parámetros que miden el desempeño de los procesadores.
- Reconocer las similitudes y diferencias entre las distintas arquitecturas de procesadores.
-Diseñar el datapath de un procesador.
-Conocer las características de los procesadores pipeline y las particularidades consideraras al medir el desempeño de los mismos.
-Percibir la complejidad requerida para computar soluciones en sistemas de multiprocesadores y las redes de interconexión necesarias en estos sistemas.
-Diseñar, simular y validar las partes individuales y sistemas completos de procesadores usando lenguajes HDL.

Unidad 1: Abstracción y Tecnología
Tipos de computadoras tradicionales y sus características: PC, servidores, supercomputadoras, sistemas embebidos. Frecuencia y ciclo de reloj. Unidades pequeñas de tiempo. Ecuación de tiempo de CPU. Ciclos por instrucción. Relación entre el ciclo y el tiempo de CPU. Desempeño y tiempo de ejecución. Aceleración (speed-up). Ley de Amdahl. Eficiencia energética en el procesador.

Unidad 2: Instrucciones – El lenguaje de la computadora
Set de instrucciones. Operaciones en Hardware. Operando en Hardware: Memoria e inmediatos. Números con y sin signo. Formato de Instrucciones RISC-V. Operaciones Lógicas. Instrucciones para la toma de decisiones. Llamados a procedimientos. Comunicación con el mundo exterior. Estilos de direccionamiento. Direccionamiento para inmediatos y direcciones extendidas. Proceso SW-HW: Traducción del programa.

Unidad 3: Aritmética para computadoras
ALU de punto fijo. Suma. Resta. Algoritmos de Multiplicación y División. Estándares del punto flotante. Unidad de punto flotante.

Unidad 4: Datapath y control del Procesador
Implementación de un RISC-V. Implementación Monociclo: Metodología de clocking. Construcción del Datapath. Control de ALU y Unidad de Control.

Unidad 5: Pipelining
¿Qué es pipelining?. Comportamiento básico del pipeline. Performance ideal. Problemas en los pipe: los hazards. Distintos tipos de hazards: estructurales, de datos y de control. Datapath con Pipeline y Control. Riesgo de datos: Forwarding vs Stalling. Hazards de datos: RAW, WAW, WAR. Riesgos de Control. Excepciones.

Unidad 6: Paralelismo a nivel de instrucción y Pipelines avanzados
Especulación. Static Multiple Issue. Dynamic Multiple Issue. Scheduling dinámico de instrucciones. Los Pipeline de RISC-V.

Unidad 7: Jerarquía de Memorias
Tecnología de Memorias. Consideraciones básicas del empleo de cache. Organizaciones de cache: directas, asociativas y conjunto asociativo. Performance de memorias cache. Tipos de cache: write-back y write-through. Memoria virtual. Paralelismo y Jerarquías de Memorias. RAID.

Unidad 8: Multiprocesadores
Multiprocesadores y redes de interconexión. Flujo de Instrucciones: SISD, MIMD, SIMD, SPMD y Vector. Hardware Multithreading. Múltiples núcleos y otras arquitecturas de memoria compartida. Introducción a las GPU.

Trabajo Práctico N°1: Medidas de Performance.
Trabajo Práctico N°2: Conjunto de instrucciones.
Trabajo Práctico N°3: Desarrollo de un RISC-V usando vhdl
Trabajo Práctico Nº4: Camino de datos y control del microprocesador. Uso de un microprocesador descrito en VHDL.
Trabajo Práctico N°5: Conectando un conjunto de memorias de una FPGA a un RISC-V.

Regularización
Para regularizar la materia el alumno deberá cumplir con los siguientes requisitos:
-Aprobar dos exámenes parciales, o su correspondiente recuperación sobre los temas dictados en el curso con una nota superior al 70%.
-Haber asistido al menos al 80% de las clases de trabajos prácticos.
-Haber aprobado el 100% de los trabajos prácticos.
-Para la aprobación de los trabajos prácticos será necesario, además de haberlos realizado satisfactoriamente a juicio del responsable del laboratorio, responder correctamente a las preguntas que sobre el tema de la práctica se les formule antes o durante el práctico.
Los alumnos tendrán derecho a una sola recuperación por práctico, pero no más de dos en total.

Promocion y Examen Final
Los alumnos regulares podran promocionar la asignatura si aprueban el 100% de los practicos y los dos parciales teoricos con una nota no menor a 7
En caso de no promocionar deberán rendir un examen final (que podrá ser oral o escrito) que consistirá en preguntas sobre los temas desarrollados durante el dictado de la materia.
No se contempla la posibilidad de rendir en forma libre la materia.

[1] Computer Organization & Design. The hardware/Software Interface. RISC-V Edition. David A. Patterson and Jhon L. Hennessy. Editorial Morgan Kaufmann. (2018)
[2] Computer Organization & Design. David Patterson and Jhon L. Hennessy. 2nd Edition. Editorial Morgan Kaufmann. (1998)
[3] Computer architecture a quantitative approach. John Hennessy y David Patterson. 3nd Edition. Editorial Morgan Kaufmann. (2003)
[4] Computer Architecture design and performance. Barry Wilkinson.Editorial Prentice-Hall (1996)

[1] Roland N. Ibbett "HASE DLX Simulation Model" IEEE Micro, Vol 20, no 3, p 57-65, 2000.
[2] P.M. Sailer & D.R. Kaeli "The DLX Instruction Set Architecture Handbook" Morgan Kaufmann, 1996.

Al finalizar el curso los alumnos deberán poder:
- Identificar los principales parámetros que miden el desempeño de los procesadores.
- Desarrollar diferentes análisis cuantitativos del desempeño de procesadores provistos con memoria cache.
- Conocer las características de los procesadores pipeline y las particularidades consideraras al medir el desempeño de los mismos.
- Comprender el funcionamiento general de los procesadores de arreglo y las particularidades de los problemas que se adecuan a estas arquitecturas.
- Describir el modo en que se realizan las computaciones en los sistemas dataflow.
- Percibir la complejidad requerida para computar soluciones en sistemas de multiprocesadores y las redes interconexiones necesarias en estos sistemas.

Performance en procesadores RISC. Instrucciones- Lenguaje de Maquina. Aritmética para computadoras. Datapath y control del Procesador. Pipelining. Paralelismo a nivel de instrucción y Pipelines avanzados. Memorias. Multiprocesadores