Curso de Arquitetura de Computadores

Objetivo

Apresentar técnicas e conceitos usados no desenvolvimento de processadores modernos:

• Paralelismo em nível de instrução (ILP)
  • Pipelining
  • Branch prediction
  • Execução de instrução fora-de-ordem
  • Superescalares
• Paralelismo em nível de threads (TLP)
  • Multiprocessadores
  • Protocolos de coerência de cache
  • APIs de programação paralela
• Entre outros …

Playlist no YouTube

Ementa

ARQUITETURA DE CONJUNTO DE INSTRUÇÕES, ANÁLISE DE CUSTO, DESEMPENHO E GASTO DE ENERGIA. CONCEITO DE CACHE, OTIMIZAÇÕES DE DESEMPENHO DE CACHE. MEMÓRIA VIRTUAL. MÁQUINAS VIRTUAIS. CONCEITO DE PIPELINE. PREDIÇÃO DE DESVIOS. ESCALONAMENTO DINÂMICO. ESPECULAÇÃO POR HARDWARE. ARQUITETURA VETORIAL. INSTRUÇÕES SIMD PARA MULTIMÍDIA. GPUS. DETECÇÃO DE PARALELISMO NO NÍVEL DE LAÇO. ARQUITETURAS DE MULTIPROCESSADORES COM MEMÓRIA COMPARTILHADA COM ACESSO UNIFORME E NÃO UNIFORME À MEMÓRIA. CONCEITOS BÁSICOS DE SINCRONIZAÇÃO. CONCEITOS BÁSICOS DE CONSISTÊNCIA DE MEMÓRIA.

Conteúdo Programático

1. Introdução ao Projeto de Sistemas Computacionais
   1. Contextualização e Breve Revisão da Arquitetura Multicamada, Multi-Linguagem
   2. Métricas de Avaliação: Desempenho, Custos
2. Arquiteturas de Conjunto de Instruções
   1. Projeto de Construção de um Conjunto de Instruções
   2. Implementação MIPS: Monociclo e Multiciclo
3. Projeto de Hierarquia de Memória
   1. Revisão dos Conceitos e Funcionamento de Caches
   2. Otimização de Desempenho de Cache
   3. Coerência de Caches
4. Conceito de Pipelining
   1. Funcionalidade e Limitação (Dependências/Hazards)
   2. Técnicas de Otimização Estática e Dinâmica
   3. Predição de Desvios e Execução Especulativa
5. Arquiteturas Paralelas
   1. Taxonomia de Flynn
   2. Máquinas Superescalares e VLIW
   3. Paralelismo em Arquiteturas SIMD
      1. Processadores Vetoriais
      2. Visão de Arquiteturas de GPGPUS
      3. Extensões SIMD em Conjuntos de Instruções (ISAS) modernos
   4. Arquiteturas MIMD
      1. Multiprocessadores com Memória Compartilhada
      2. Multiprocessadores com Memória Distribuída

Aulas

Aula 1: Motivação e Conceitos Básicos

Aula 2: Arquitetura e Organização de Computadores

Aula 3: Entendendo Desempenho

Aula 4: Conjunto de Instruções: Características e Funções

Aula 5: Conjunto de Instruções: Modos de Endereçamento e Formatos

Execução de Programa

Aula 6: Programação com MIPS

Programação com MIPS no MARS

Aula 7: Implementação do MIPS - Monociclo (Caminho de Dados)

Aula 7: Implementação do MIPS - Monociclo (Controle)

Aula 8: Implementação do MIPS - Multiciclo

Aula 9: Hierarquia de Memória

Aula 10: Memória Cache

Aula 11: Memória Cache - Mapeamento

Aula 12: Otimização de Cache

Aula 13: Memória Virtual

Aula 14: Pipelining - Visão Geral

Aula 15: Pipelining - Caminho de Dados

Aula 16: Pipelining - Controle

Aula 17: Pipelining - Hazard de Dados e Stalls

Aula 18: Pipelining - Hazard de Dados e Forwarding

Aula 19: Pipelining - Hazard de Controle

Aula 20: Pipelining - Exceções

Aula 21: Paralelismo de Instruções

Aula 22: Processadores Paralelos

Aula 23: Computadores Vetoriais

Aula 24: Graphics Processing Unit

Aula 25: Paralelismo em Nível de Threads

Bibliografia

• Organização e Projeto de Computadores – A Interface Hardware/Software. David A. Patterson e John L. Hennessy, Edição 5, 2017

• Arquitetura de Computadores – Uma Abordagem Quantitativa. David A. Patterson e John L. Hennessy, Edição 6, 2017

• Arquitetura e Organização de Computadores. William Stalling, Edição 10, 2015