Grado en:

Ingeniería de Computadores

Asignatura:

Fundamentos de computadores

Asignatura en inglés:

Introduction to Computers

Curso y cuatrimestre:

1º (2º Cuatrimestre)

ECTS:

9

Tipología:

Básica

Idioma de impartición:

Español

Módulo:

Materias básicas

Materia:

Informática

Departamento:

Arquitectura de Computadores y Automática

Coordinador:

José Manuel Mendías Cuadros

• Repertorio de instrucciones.
• Diseño del procesador. Segmentación.
• Programación de bajo nivel en un lenguaje imperativo.
• Programación en ensamblador.
• Interfaz HW/SW.

Tema 1: De sistema digital a computador.

• Circuitos de propósito específico vs. general.
• Modelo de Von-Neumann.
• Arquitectura vs. estructura.
• Concepto de código ensamblador.

Tema 2. Arquitectura del procesador.

• RISC-V ISA.
• Modelo de memoria.
• Registros.
• Modos de direccionamiento.
• Repertorio de instrucciones base RV32I.
• Extensión RVM.
• Extensión RVF.
• Arquitecturas RISC vs. CISC.

Tema 3. Programación en ensamblador.

• Elementos de un programa en ensamblador.
• Pseudo-instrucciones.
• Tipos de datos, variables y constantes.
• Arrays.
• Estructuras.
• Expresiones.
• Programación estructurada: bloque lineal, condicional e iterativo.
• Programación procedural: paso de parámetros, llamada y retorno.
• Gestión de la pila y salvado de registros.
• Anidamiento, recursividad y gestión del marco.
• Flujo de desarrollo y ejecución de aplicaciones.

Tema 4. Diseño del formato de instrucción.

• Tipos de formato.
• Codificación de campos.
• Ensamblaje y desensamblaje.

Tema 5. Diseño monociclo del procesador.

• RISC-V de arquitectura reducida.
• Diseño de la ruta de datos.
• Diseño del controlador.
• Coste y tiempo de ciclo.

Tema 6. Diseño multiciclo del procesador.

• Diseño de la ruta de datos.
• Diseño del controlador.
• Ciclo de instrucción.
• Coste y tiempo de ciclo.
• Métricas de rendimiento: tiempo de ejecución, CPI, MIPS, MFLOPS.
• Speedup.
• Benchmarking.

Tema 7. Diseño segmentado del procesador.

• Conflictos: estructurales, de datos y de control.
• Diseño de la ruta de datos sin gestión de conflictos: registros de segmentación.
• Soluciones SW de conflictos: reordenación de código e inserción de NOP.
• Soluciones HW de conflictos: anticipación, parada y predicción de saltos.
• Diseño de la ruta de datos con gestión de conflictos.
• Coste y tiempo de ciclo.

Tema 8. Excepciones.

• Excepciones vs. interrupciones.
• Modos de servicio.
• RISC-V ISA privilegiado.
• Modos de privilegio.
• Registros de control y estado.
• Instrucciones privilegiadas.
• Rutinas de tratamiento de excepción.
• RISC-V de arquitectura reducida con gestión elemental de excepciones.
• Rediseño de los procesadores monociclo, multiciclo y segmentado.

Tema 9. Uso básico del sistema operativo mediante la línea de comandos.

• Concepto de sistema operativo.
• Carga y ejecución de un programa.
• Interfaz gráfica vs. línea de comandos.
• Windows vs. Linux.
• Interprete de comandos.
• Organización de archivos y directorios.
• Propiedad y permisos.
• Variables de entorno.
• Programas y procesos.
• Redirección de E/S.
• Scripting.
• Compilación y depuración de programas.

Tema 10. Programación en C a bajo nivel.

• Programa, modulo y biblioteca.
• Preprocesado y compilación.
• Tipos de datos y conversión de tipos.
• Regiones de memoria.
• Tamaño, emplazamiento, visibilidad y vida útil de datos.
• Punteros.
• Paso de parámetros por valor y referencia.
• Memoria dinámica.
• Cadenas de caracteres.
• Parámetros de un programa.
• Ficheros de texto y binarios.
• E/S en consola y en ficheros.
• Bibliotecas string, stdlib y stdio.
• Flujo de desarrollo.

Module 1: From Digital Systems to Computers

• Application-specific vs. general-purpose circuits.
• Von Neumann model.
• Architecture vs. structure.
• Concept of assembly code.

Module 2: Processor Architecture

• RISC-V ISA.
• Memory model.
• Registers.
• Addressing modes.
• Base instruction set RV32I.
• RVM extension.
• RVF extension.
• RISC vs. CISC architectures.

Module 3: Assembly Programming

• Elements of an assembly program.
• Pseudo-instructions.
• Data types, variables, and constants.
• Arrays.
• Structs.
• Expressions.
• Structured programming: linear, conditional, and iterative blocks.
• Procedural programming: parameter passing, function calls and returns.
• Stack management and register saving.
• Nesting, recursion, and frame management.
• Application development and execution flow.

Module 4: Instruction Format Design

• Format types.
• Field encoding.
• Assembly and disassembly.

Module 5: Single-Cycle Processor Design

• Simplified RISC-V architecture.
• Datapath design.
• Control unit design.
• Cost and cycle time.

Module 6: Multi-Cycle Processor Design

• Datapath design.
• Control unit design.
• Instruction cycle.
• Cost and cycle time.
• Performance metrics: execution time, CPI, MIPS, MFLOPS.
• Speedup.
• Benchmarking.

Module 7: Pipelined Processor Design

• Hazards: structural, data, and control hazards.
• Datapath design without hazard handling: pipeline registers.
• Software solutions to hazards: code reordering and NOP insertion.
• Hardware solutions to hazards: forwarding, stalling, and branch prediction.
• Datapath design with hazard handling.
• Cost and cycle time.

Module 8: Exceptions

• Exceptions vs. interrupts.
• Service modes.
• RISC-V privileged ISA.
• Privilege levels.
• Control and status registers.
• Privileged instructions.
• Exception handling routines.
• Simplified RISC-V architecture with basic exception handling.
• Redesign of single-cycle, multi-cycle, and pipelined processors.

Module 9: Basic Operating System Usage via the Command Line

• Operating system concept.
• Program loading and execution.
• Graphical interface vs. command line.
• Windows vs. Linux.
• Command interpreter.
• File and directory organization.
• Ownership and permissions.
• Environment variables.
• Programs and processes.
• I/O redirection.
• Scripting.
• Compilation and debugging of programs.

Module 10: Low-Level Programming in C

• Program, module, and library.
• Preprocessing and compilation.
• Data types and type conversion.
• Memory regions.
• Data size, placement, visibility, and lifetime.
• Pointers.
• Parameter passing by value and by reference.
• Dynamic memory allocation.
• Strings.
• Program arguments.
• Text and binary files.
• Console and file I/O. string, stdlib, and stdio libraries.
• Development workflow.

• Al finalizar el aprendizaje, el o la estudiante será capaz de explicar los principios básicos de estructura y arquitectura de computadores, sistemas operativos, sistemas distribuidos, redes de computadores, internet y sistemas de almacenamiento, procesamiento y acceso a datos necesarios para el análisis e implementación de aplicaciones basadas en ellos.
• Al finalizar el aprendizaje, el o la estudiante será capaz de determinar qué teorías, principios, métodos y prácticas son los más adecuados para la construcción, despliegue, configuración, administración y gestión de sistemas digitales, software de sistema y redes de computadores en problemas que requieran de soluciones hardware o bien software consciente del hardware de acuerdo con criterios de garantía, fiabilidad y seguridad.
• Al finalizar el aprendizaje, el o la estudiante será capaz de demostrar conocimiento básico de las diferentes subdisciplinas de la ingeniería informática y de las técnicas básicas y conocimientos de estas para la integración en equipos multidisciplinares como profesional generalista en ingeniería informática.

• Al finalizar el aprendizaje, el o la estudiante será capaz de analizar servicios, aplicaciones y sistemas informáticos, valorando su impacto económico, social y ambiental, cara a su puesta en marcha y su mejora continua, asegurando su fiabilidad, seguridad y calidad en cualquier ámbito de la ingeniería informática, de manera inclusiva y conforme a principios éticos y a la legislación y normativa vigente.
• Al finalizar el aprendizaje, el o la estudiante será capaz de analizar las necesidades en algorítmica, complejidad computacional, programación, sistemas operativos, bases de datos, estructura, arquitectura e interconexión de sistemas informáticos necesarios para la resolución de problemas de ciencias e ingeniería, de acuerdo con los principios de calidad, fiabilidad y seguridad necesarios y dentro del marco institucional y jurídico de la empresa.

No tiene

Recomendada

• Digital Design and Computer Architecture, RISC-V Edition. Sarah L. Harris, David Harris. Morgan Kaufmann. 2021

Complementaria

• Computer Organization and Design RISC-V Edition: The hardware/software Interface. David A. Patterson and John L. Hennessy. Morgan Kaufmann. 2020