MAC0344 - Arquitetura de Computadores (2023)

Aula 1 (08/08/2023): Breve descrição da disciplina (.pdf) : ementa, bibliografia, material didático, cálculo da média de aproveitamento, etc. Apresentação do conteúdo da disciplina (.pdf) . Informações sobre a monografia e prazos (.pdf) .

Aula 2 (10/08/2023): Arquitetura e organização de computadores - Introdução (.pdf): Explicar a diferença entre arquitetura e organização. Explicar estrutura e função dos componentes de um computador. História da evolução do computador (.pdf): Ábaco, régua de cálculo, computaadores mecânicos, computadores da primeira geração (válvulas): Colossus, ENIAC etc.

Aula 3 (15/08/2023): História da evolução do computador - continuação: Segunda geração - transistor, Primeiro computador na USP e a criação do Centro de Cálculo Numérico CCN com suas contribuições, Terceira geração - VLSI, ciclo de relógio e frequência, Supercomputador Frontier.

Aula 4 (17/08/2023): Evolução da computação de alto desempenho sob a ótica da lista TOP500 (.pdf). A última lista completa TOP500 de junho/2023 (.html) está disponível. Passar a lista de exercício número 1.

Aula 5 (22/08/2023): Introdução a tecnologia VLSI (circuitos integrados) (.pdf) Motivação da importância da tecnologia de microeletrônica ou VLSI: o transistor MOS é a base para construir portas lógicas minúsculas, que são as unidades básicas (tijolos) para construir circuitos lógicos digitais. Mostrar o princípio de funcionamento de um transistor MOS: ele pode funcionar como uma chave abre-fecha e também para armazenamento (com carga 1 ou sem carga 0). Veremos que o transistor MOS pode ainda funcionar como uma resistência.

Aula 6 (24/08/2023): Introdução a tecnologia VLSI (circuitos integrados) - Continuação Um transistor em estado de condução (deixando passar corrente) apresenta uma pequena resistência que é diretamente proporcional ao comprimento L e inversamente proporcional à largura W. Mostrar como podemos usar dois transistores MOS para construir uma porta NOT.

Aula 7 (29/08/2023): Introdução a tecnologia VLSI (circuitos integrados) - Continuação. Uma vez conhecida a porta NOT, é fácil mostrar o funcionamento das portas NOR e NAND. Mostrar o uso de portas NOR ou NAND para produzir qualquer função booleana. Curiosidades: Com o que já conhecemos podemos mostar exemplos de projetos VLSI interessantes. Exemplos: multiplexador 4 para 1, circuito contador de 1's. Relógio de duas fases. Estado-de-Arte da tecnologia VLSI: tecnologia de 7 nanômetros. Quando teremos a tecnologia de 5 nanômetros? Passar a lista de exercícios 2.

Aula 8 (31/08/2023): Processo de fabricação VLSI e breve introdução a arrays sistólicos TPU (.pdf) Mostrar processo de fabricação de pastilhas VLSI NMOS. Uso de VLSI para projeto de ASICs (Application Specific Integrated Circuits). Arrays sistólicos e Google TPU (Tensor Processing Unit).

Aula 9 (12/09/2023): Arquiteturas Intel x86 e ARM. Evolução do desempenho do processador (.pdf). Diversas técnicas são adotadas para melhorar o desempenho do processador: pipelining,.

Aula 10 (14/09/2023): Evolução do desempenho do processador - Continuação. Pré-busca de instruções, predicção de desvio, processador superescalar e análise de fluxo de dados, tipos de dependências: dependência verdadeira, anti-dependência, dependência de saída. Remoção da anti-dependência e dependência de saída. Passar a lista de exercícios 3.

Aula 11 (19/09/2023): Evolução do desempenho do processador - Continuação. Algoritmo de Tomasulo. VLIW, processador multicore, predicção de desvio, execução especulativa. Computação paralela e a lei de Amdahl, paralelização de laços (loops) com dependência dentro da própria iteração do laço, com dependências que cruzam iterações (esse úlitmo assunto não cai em provas.)

Aulas 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, resp. de 21/09, 26/09, 28/09, 05/10, 10/10, 17/10, 19/10): Não houve aula.

Aula 19 (24/10/2023): Hierarquia de memória e memória cache. (.pdf) Hierarquia de memória: registradores, memória cache (L1, L2 e L3), memória principal (RAM), armazenamento secundário (disco e fita magnética), outros de armazenamento remotos (arquivos distribuidos, servidores web, nuvem). Memória cache, funções de mapeamento, mapeamento direto.

Aula 20 (26/10/2023): Dia da Ada Lovelace (.pdf): Uma breve apresentação sobre o Dia da Ada, comemorada na segunda terça-feira de outubro. Hierarquia de memória e memória cache - Continuação: Mapeamento direto e o fenômeno de thrashing. Mapeamento associativo, mapeamento associativo por conjunto, algoritmos de substituição na cache, algoritmo LRU, algoritmo pseudo-LRU, cache write-through e write-back.

Aula 21 (7/11/2023): Memória interna e código de Hamming (.pdf). Memória dinâmica (DRAM) e memória estática (SRAM), ambas memória voláteis. Memória ROM. Implementação com NOR ou NAND. Memóra flash. Código de detecção de erro (usando bit paridade).

Aula 22 (9/11/2023): Memória interna e código de Hamming - Continuação. Código de detecção de erro (usando bit paridade). Outros exemplos de código de detecção: comunicação de dados entre dois computadores, dígitos de verificação do número CPF. Código de Hamming. Ilustrar o caso de um dado de M=4 bits com K=3 bits adicionais. Deduzir o valor de K necessário para o caso geral de um dado de M bits. Mostrar o valor de K se M é potência de 2.

Aula 23 (14/11/2023): Memória interna e código de Hamming - Continuação. Como formar o código Hamming. Método de correção quando o código de Hamming lido tem um bit errado. Mostrar uma maneira simples mas engenhoso para adaptar o código de Hamming em comunicação de dados, podendo corrigir erros de um intervalo contíguo de bits errados. Passar a lista de exercícios 4.

Aula 24 (16/11/2023): Vulnerabilidades Meltdown e Spectre. (.pdf). Exploram efeitos colaterais de algumas técnicas como execução especulativa, predicção de desvio e uso de memória cache para acessar memória do sistema e de outros usuários. Esse assunto é interessante para os curiosos e não cai em provas.

Aula 25 (21/11/2023): Prova.

Aula 26 (23/11/2023): Memória externa (.pdf). Memória externa: disco magnético HD, organização em trilhas e setores, disco de cabeça móvel e cabeça fixa, seek time e latência rotacional, RAID ( Redundant Array of Independent Disks). SSD (Solid State Drive) e comparação SSD versus HD.

Aula 27 (30/11/2023): CISC (Complex Instruction Set Computer) - Microprogramação (.pdf): Arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computer) e e exemplos de máquinas CISC. Arquitetura MAC: conjunto de instruções. Microarquitetura MIC e os componentes básicos e os respectivos sinais de controle para: registrador, A latch e B latch, AMUX, ALU, Shifter, MAR e MBR, relógio de 4 fases. Formato de uma microinstrução.

Aula 28 (5/12/2023): CISC (Complex Instruction Set Computer) - Microprogramação - Continuação: Formato de uma microinstrução. Explicar o uso do campo COND e ADDR na microinstrução para desvios (incondicional e condicional). ROM contendo o control store (microprograma). Introduzir micro-assembler. Leitura e escrita de memória: precisam de dois ciclos.

Aula 29 (7/12/2023): CISC (Complex Instruction Set Computer) - Microprogramação - Continuação: Como escrever microprograma eficiente. Passar a lista de exercícios 5. Uso do relógio de 4 fases para controlar o andamento das atividades de um ciclo composto por 4 subciclos. O microprograma completo tem apenas 79 microinstruções. Descrever o microprograma ilustrando as primeiras microinstruções. Microinstruções horizontis e verticais.

Aula 30 (12/12/2023): Memória virtual - paginação e segmentação (.pdf 2.3). Memória virtual: paginação e segmentação. Apoio de hardware ao Sistema Operacional, swapping, fragmentação da memória e compactação, endereço lógico e físico. Paginação: lista de blocos livres, tabela de páginas. Paginação: TLB (Translation Lookaside Buffer), tradução de endereço lógico para endereço físico.

Aula 31 (14/12/2023): Memória virtual - paginação e segmentação - Continuação. Tamanho de uma página. Segmentação, segmentação com paginação. Exercício em classe. Interrupções (.pdf). Apoio de hardware para agilizar a mudança de contexto usando registradores. Introdução a arquitetura RISC (.pdf) (Reduced Instruction Set Computer): motivação e características de arquitetura RISC.

Aula 32 (19/12/2023): Prova substitutiva opcional.

Aula 33 (21/12/2023): Não haverá aula de MAC0344.