Architettura degli elaboratori i

A.A. 2020/2021
6
Crediti massimi
60
Ore totali
SSD
INF/01
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
L'insegnamento introduce le conoscenze dei principi che sottendono al funzionamento di un elaboratore digitale; partendo dal livello delle porte logiche si arriva, attraverso alcuni livelli di astrazione intermedi, alla progettazione di ALU firmware e di un'architettura MIPS in grado di eseguire il nucleo delle istruzioni in linguaggio macchina.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente si sarà impadronito dei principi base che sottendono all'elaborazione dell'informazione digitale. In particolare, avrà acquisito competenze che gli consentiranno di comprendere, analizzare e progettare circuiti combinatori e sequenziali.
Programma e organizzazione didattica

Edizione 1 (cognomi A-G)

Periodo
Primo semestre
La didattica della parte di teoria sarà a distanza. Verranno messe a disposizione le slide, verrà video-registrata la lezione e verrà data la possibilità di seguire le video-lezioni da remoto.
Programma
L'architettura di riferimento. Il ciclo di esecuzione delle istruzioni. Storia dell'elaboratore. Codifica dell'informazione. Rappresentazione binaria dei numeri.

Logica e algebra combinatoria
Operazioni su numeri binari. Le operazioni fondamentali: addizioni e sottrazioni. Rappresentazione binaria dei numeri in virgola mobile. Logica combinatoria. Algebra di Boole: variabili e operatori. Implementazione circuitale (porte logiche). Dai circuiti alla funzione. Porte universali. Dalle funzioni ai circuiti. Tabelle della verita'. Dalle tabelle della verita' ai circuiti: la prima forma canonica. Implementazione dellefunzioni logiche mediante PLA e ROM. Circuiti combinatori notevoli. Esercizi.

ALU
Addizionatori. Il problema del riporto. Moltiplicatori HW. Progettazione di una ALU a due stadi. Sommatore a 32 bit. Supporto all'operazione di confronto. Anticipazione di riporto. Introduzione al firmware. Circuiti firmware di moltiplicazione e divisione. Aritematica e addizionatori per numeri in virgola mobile.

Logica sequenziale
Temporizzazione dei circuiti booleani. Circuiti sequenziali. Il latch SC e il latch D. Registri e register file. Problemi di temporizzazione. I flip-flop. Macchine a stati finiti. Dalle specifiche al circuito. Il grafo e la tabella di transizioni di stato. Codifica della STT. Sintesi del circuito di una macchina a stati finiti. Esempi.

Introduzione alla CPU
Progetto di una CPU semplice e della sua unita' di controllo. Il formato dei diversi tipi di istruzioni. Istroduzione al codice macchina e assembler.

Progettazione e costruzione di circuiti logici mediante simulatore.
Prerequisiti
Nessuno
Metodi didattici
a) Lezioni frontali + b) Laboratorio disciplinare
Materiale di riferimento
Testo di base per i corsi di Architettura degli Elaboratori I e II (è disponibile sia in inglese che in italiano):
· "Computer Organization & Design: The Hardware/Software Interface", D.A. Patterson and J.L. Hennessy, Morgan Kaufmann Publishers, Fifth Edition, 2014. NB Morgan Kaufman ha pubblicato anche una versione del testo per RISC-V e per ARM, non adottata in questo corso.
· Struttura e progetto dei calcolatori: l'interfaccia hardware-software, D.A. Patterson and J.L. Hennessy, Quarta edizione, Zanichelli. Nota: la quarta edizione Zanichelli è la traduzione della quinta edizione inglese.

Per un approfondimento sui circuiti combinatori e sequenziali:
· "Progettazione digitale" F. Fummi, M.G. Sami, C. Silvano, Seconda edizione McGrawHill. 2007.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consiste di una prova scritta, di una prova orale e di una prova di laboratorio.
Nella prova scritta, della durata di tre ore, viene richiesta la risoluzione di alcuni esercizi che richiedono di applicare i metodi trattati durante il corso e vengono proposti quesiti a risposta aperta.
La prova orale è basata sulla discussione della prova scritta e su quesiti che riguardano gli argomenti trattati a lezione.
La prova di laboratorio consiste nella realizzazione al PC di una serie di esercizi di progettazione digitale.
Ciascuna prova verrà valutata in trentesimi e la valutazione finale sarà la media delle tre valutazioni.
In tutte e tre le prove, la valutazione tiene conto del livello di padronanza degli argomenti e della chiarezza espositiva.
INF/01 - INFORMATICA - CFU: 6
Laboratori: 24 ore
Lezioni: 36 ore
Turni:
Turno A
Docente: Trucco Gabriella

Edizione 2 (cognomi H-Z)

Responsabile
Periodo
Primo semestre
Per la parte di teoria è prevista una modalità a distanza sincrona negli orari prestabiliti. Verrà utilizzata una piattaforma di web conference (Teams o Zoom). Ogni lezione verrà registrata e resa disponibile in modo asincrono tramite file video caricati sulla piattaforma Ariel (https://nbasilicoae1.ariel.ctu.unimi.it/).

Per la parte di laboratorio è prevista una modalità mista sincrona: parte degli studenti in presenza (su base volontaria e nel rispetto di vincoli sanitari e di condivisione equa) e i restanti a distanza. Per la parte a distanza verrà utilizzata una piattaforma di web conference (Teams o Zoom). Le sessioni saranno registrate e rese disponibili a tutti in modo asincrono sulla piattaforma Ariel, dove verranno anche descritte le modalità per partecipare alle sessioni in presenza.

I programmi non subiranno modifiche e il materiale di riferimento includerà anche videolezioni.

L'esame scritto per la parte di teoria verrà svolto a distanza (piattaforma Exam.net o equivalenti). L'esame della parte di laboratorio verrà sostituito da un progetto sviluppato individualmente dallo studente.

Le modalità sopra descritte verranno attivate in caso di restrizioni imposte dall'emergenza sanitaria. Saranno applicate in toto o in parte a seconda della criticità della situazione specifica. I dettagli organizzativi verranno comunicati per tempo sulla pagina Ariel del corso.
Programma
Per la parte di teoria:
- introduzione agli argomenti, obiettivi e organizzazione del corso;
- rappresentazione ed elaborazione logica dell'informazione: codifiche binarie per numeri naturali, interi e reali, funzioni logiche e algebra di Boole;
- rappresentazione ed elaborazione fisica dell'informazione: porte logiche e tabelle di verità;
- sintesi di funzioni logiche con circuiti combinatori, realizzazione dell'unità aritmetico-logica (ALU);
- memorizzazione dell'informazione: elementi di logica sequenziale (bistabili, latch, sincronizzazione tramite clock);
- sintesi di circuiti sequenziali, macchine a stati finiti;
- progetto di una CPU singolo-ciclo e cenni al caso multi-ciclo;

Per la parte di laboratorio, oltre ad un tutorial sull'utilizzo degli strumenti software, vengono svolte esercitazioni su:
- codifica binaria;
- logica combinatoria (forme canoniche, cammino critico);
- logica combinatoria avanzata (moltiplicazione, ALU);
- logica sequenziale (memorie, macchine a stati finiti);

Le due parti, teoria e laboratorio, vengono svolte in parallelo. L'inizio delle esercitazioni di laboratorio di norma segue di una o due settimane quello delle lezioni di teoria.
Prerequisiti
Nessuno.
Metodi didattici
La parte di teoria si volge tramite lezioni frontali in cui vengono presentate delle slides rese disponibili in formato PDF tramite la piattaforma Ariel.

La parte di laboratorio si svolge con esercitazioni guidate da svolgersi al PC. Gli strumenti software utilizzati, i testi degli esercizi e una selezione di loro risoluzioni sono rese disponibili tramite la piattaforma Ariel.

Sia per la parte di teoria che per quella di laboratorio la frequenza è consigliata.
Materiale di riferimento
Sito web dell'insegnamento su Ariel: https://nbasilicoae1.ariel.ctu.unimi.it/
Verranno forniti slides, esercizi ed altro materiale integrativo.

Sia la parte di teoria che quella di laboratorio si basano sugli argomenti trattati in: "Struttura e Progetto dei Calcolatori" di David A. Patterson e John L. Hennessy, Zanichelli.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
Per la parte di teoria la verifica consiste in una prova scritta della durata di 2 ore dove si propone la risoluzione di un numero congruo di esercizi. Ciascun esercizio prevede l'applicazione dei principi e delle tecniche presentate a lezione. Durante la prova non è consentito consultare materiale didattico.

Per la parte di laboratorio la verifica consiste nello svolgimento al PC di alcuni esercizi proposti. Ciascun esercizio prevede la costruzione di un circuito digitale che rispetti una data specifica. Durante la prova è consentita la consultazione di materiale didattico approvato dal docente.

Entrambe le verifiche, teoria e laboratorio, risultano in un voto in trentesimi che viene comunicato tramite la piattaforma Ariel. Se entrambi i voti sono maggiori o uguali a 18, l'esame è superato con voto pari alla media pesata del voto di teoria (peso 2/3) e di quello di laboratorio (peso 1/3). Le due prove possono essere superate in appelli differenti, ma all'interno di un arco temporale di al più 6 mesi o tre appelli d'esame successivi (vale il meno restrittivo).

Le valutazioni terranno conto di padronanza delle tecniche, correttezza ed eleganza delle soluzioni, chiarezza espositiva e formale. Verifiche e loro valutazioni non verranno differenziate in base alla frequenza.
INF/01 - INFORMATICA - CFU: 6
Laboratori: 24 ore
Lezioni: 36 ore
Turni:
Docente: Basilico Nicola
Turno B
Docente: Rivolta Massimo Walter
Turno C
Docente: Quadri Christian
Docente/i
Ricevimento:
Su appuntamento, utilizzare preferibilmente email
Dipartimento di Informatica
Ricevimento:
Su appuntamento (via email)
Ricevimento:
su appuntamento tramite e-mail
Dipartimento di Informatica - sede di Crema