Logo UAB
2021/2022

Fonaments dels Computadors

Codi: 102765 Crèdits: 6
Titulació Tipus Curs Semestre
2502441 Enginyeria Informàtica FB 1 2
La metodologia docent i l'avaluació proposades a la guia poden experimentar alguna modificació en funció de les restriccions a la presencialitat que imposin les autoritats sanitàries.

Professor/a de contacte

Nom:
Mercedes Rullán Ayza
Correu electrònic:
Mercedes.Rullan@uab.cat

Utilització d'idiomes a l'assignatura

Llengua vehicular majoritària:
català (cat)
Grup íntegre en anglès:
No
Grup íntegre en català:
Grup íntegre en espanyol:

Altres indicacions sobre les llengües

El grup 411 (de PAUL) és en castellà. El grup 412 (de PAUL) és en català.

Equip docent

Jordi Carrabina Bordoll
Joaquín Saiz Alcaine
Lluís Antoni Teres Teres
Victor Montilla Gispert

Prerequisits

No hi ha prerequisits però es recomana haver cursat les assignatures de Fonaments d'Informàtica i Electricitat i Electrònica.

Objectius

Aquesta assignatura, de formació bàsica, s'emmarca en el primer curs, segon semestre de la titulació. Els Fonaments de Computadors constitueixen el nexe d'unió entre les assignatures de primer curs d'Electricitat i Electrònica i els Fonaments d'Informàtica amb l'Estructura de Computadors, que es veurà en el primer semestre del segon curs.

L'objectiu de l'assignatura és que els estudiants comprenguin el paper que els sistemes digitals juguen en el món de la informàtica, siguin capaços de dissenyar i implementar sistemes digitals de complexitat mitjana-baixa utilitzant portes lògiques i dispositius reconfigurables i aprenguin que un computador no és sinó un sistema digital de certa complexitat. A l'última part del curs s’introdueixen els conceptes bàsics d'unitat de procés i unitat de control i es dissenya un processador de codi obert RISC-V on es treballen conceptes com repertori d'instruccions, microinstrucció, microordre i microprogramació.

Competències

  • Adquirir hàbits de pensament.
  • Adquirir hàbits de treball personal.
  • Coneixement de l'estructura, l?organització, el funcionament i la interconnexió dels sistemes informàtics, els fonaments de la seva programació, i la seva aplicació per a la resolució de problemes propis de l'enginyeria.
  • Conèixer les matèries bàsiques i les tecnologies que capacitin per a l'aprenentatge i el desenvolupament de nous mètodes i tecnologies, així com d'aquelles que els dotin d'una gran versatilitat per a adaptar-se a noves situacions.

Resultats d'aprenentatge

  1. Comprendre els principis bàsics de la lògica dels computadors, les funcions booleanes i la seva minimització.
  2. Conèixer els principis bàsics de l'estructura i la programació dels computadors.
  3. Demostrar capacitat per el disseny de components bàsics (portes lògiques, flip flops?) i per el disseny de circuits combinacionals i lògics programables.
  4. Demostrar coneixements del funcionament de la màquina algorísmica i del disseny de processadors basats en aquesta.
  5. Desenvolupar la capacitat d'anàlisi, síntesi i prospectiva.
  6. Reconèixer i identificar els mètodes, sistemes i tecnologies propis de l'enginyeria informàtica.
  7. Treballar de manera autònoma.

Continguts

Bloc 1. Circuits combinacionals (CC)

  • Senyals i sistemes digitals. Descripció d’un sistema digital. Sistemes Electrònics Digitals (SED). Transistors MOS. Portes AND, OR i INV. Síntesi de SED com a procés de refinament progressiu.
  • Definició de Circuit Combinacional. Síntesi des de taules I: ROM. Síntesi des de taules II: portes lògiques.
  • Àlgebra de Boole. Taules de veritat.
  • Portes NAND, NOR, XOR, NXOR. Buffers 3-state.
  • Prestacions: Temps de resposta. Cost
  • Mòduls combinacionals: multiplexors, descodificadors, plànols AND-OR (PLAs), ...
  • Eines de síntesi: Síntesi des d'algorismes.

Bloc 2. Circuits seqüencials (CS)

  • Necessitat dels circuits seqüencials. Definició d’un CS. Estats i sincronització. Circuits seqüencials síncrons. Rellotge, reset i set.
  • Descripció explicita de CS. Grafs de comportament i taules.
  • Components bàsics: biestables, flip flops i latxos.
  • Síntesi de CS a partir de taules. Màquines de Moore i Mealy. Codificació d’estats.
  • Registres, comptadors, memòries. Estructures, tipus i usos més freqüents.
  • Màquines d'estats finits (MEF). Definició formal. Implementació i temps de resposta.
  • Nocions bàsiques de VHDL. Exemples de descripció d’una MEF en VHDL.
  • Síntesi de CS des d'algorisme.
  • Implementació física de Sistemes Digitals. FPGAs i altres estratègies d’implementació.

Bloc 3. Arquitectura Unitat de Procés-Unitat de Control (UP-UC) i disseny d'un processador

  • Arquitectura Unitat de Procés (UP) - Unitat de Control (UC).
  • UP amb multiplexors. UP amb busos.
  • Unitat de Control amb seqüenciador basada en una ROM.
  • Estructura bàsica d'un processador simple. Arquitectura Von Neumann vs Harvard. Unitats funcionals i busos.
  • Repertori d'instruccions del processador. Programació amb llenguatge màquina. Micro-ordres i senyals de condició (status).
  • Exemple de processador de codi obert: RISC-V
  • Arquitectura Harvard. Cicles de cerca (fetch), descodificació (decode) i execució.
  • Microinstruccions i microprogrames.
  • Implementació microprogramada de la Unitat de Control.
  • Relacions entre hardware, firmware y llenguatges de programació.

Metodologia

L'assignatura s'organitza en tres blocs. Els blocs 1 i 2 utilitzen un MOOC d’accés lliure de Coursera desenvolupat pel professorat de l’assignatura. Els materials que s'ofereixen a través del MOOC inclouen una sèrie de vídeos que els estudiants han de visualitzar abans d'assistir a classe i que contenen els coneixements teòric-pràctics necessaris per al disseny de sistemes digitals, exercicis interactius de correcció automàtica i un entorn de simulació de sistemes digitals. Els materials del bloc 3 inclouen una sèrie de vídeos que estan disponibles a través del campus virtual de la UAB. Al bloc 3 s’utilitza la mateixa metodologia de treball indicada en el paràgraf anterior, sense l’entorn de Coursera.

L’assignatura s’imparteix en modalitat “problemes d’aula”. Totes les classes presencials es tracten com sessions basades en problemes. Les classes es dediquen a la resolució de qüestions i dubtes dels vídeos, i de casos proposats pel professor. Els estudiants han de participar activament en aquestes classes; no es tracta de classes convencionals "de teoria". Tenen lloc en grups petits (de l'ordre de 40-50 estudiants), condició indispensable per assolir el grau d'interactivitat necessari en una assignatura de caràcter eminentment pràctic.

L'assignatura es completa amb unes pràctiques en laboratori on els estudiants implementen físicament els circuits, que fins aleshores s’havien limitat a dissenyar “sobre paper”. Cada sessió acull a 20-25 estudiants que treballen en grups de 2 i té una durada de 2 hores.

Les tutories podran ser individuals o en petits grups i es faran a demanda i en coordinació entre cada professor i els estudiants. També hi podran haver tutories col·lectives quepodrà proposar l’equip docent, però aquestes requeriran l’enviament previ al fòrum corresponent del Campus Virtual (CV) d’aquelles preguntes concretes sobre conceptes o exercicis que calgui resoldre per tal que el professorat pugui planificar i realitzar adequadament la tutoria.

En aquesta assignatura es treballen i avaluen les següents competències transversals:

  • T01.02 - Desenvolupar la capacitat d'anàlisi, síntesi i prospectiva: es treballa fonamentalment en la resolució de problemes en les classes presencials i s'avalua en les corresponents proves parcials.
  • T02.01 - Treballar de manera autònoma: es treballa principalment amb la visualització del material audiovisual (abans de les sessions presencials) i també en un gran nombre de classes presencials, mitjançant la realització de qüestionaris per l’aula Moodle, que permeten avaluar si l'estudiant ha treballat el tema d'aquella setmana. Els resultats obtinguts en aquests qüestionaris es tindran en compte en l’avaluació dels lliuraments realitzats en dates pre-establertes.

Nota: es reservaran 15 minuts d'una classe, dins del calendari establert pel centre/titulació, per a la complementació per part de l'alumnat de les enquestes d'avaluació de l'actuació del professorat i d'avaluació de l'assignatura/mòdul.

Activitats formatives

Títol Hores ECTS Resultats d'aprenentatge
Tipus: Dirigides      
Classes de problemes 30 1,2 1, 2, 3, 4, 5, 6
Pràctiques de laboratori 12 0,48 3
Tipus: Supervisades      
Estudi de casos 12 0,48 1, 3, 5, 7
Treball complementari de pràctiques 10 0,4 3
Tipus: Autònomes      
Estudi autònom 40 1,6 1, 2, 3, 4, 6, 7
Preparació i resolució d'exercicis 16 0,64 5, 7
Visualització dels vídeos 12 0,48 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

Avaluació

 

a) Activitats d'avaluació

Per les proves d’avaluació, parcials o finals, l’equip docent té la potestat de decidir qualsevol combinació de les següents modalitats:

  1. Prova objectiva, presencial o virtual, per avaluar els coneixements conceptuals fonamentals de l’assignatura. Aquesta prova podria formar part d’un examen a dues fases i ser eliminatòria, de forma que en cas de no superar aquesta part ja no es pogués realitzar o no s’avalués la segona part.
  2. Prova de resolució d’exercicis on es tractarà d’aplicar els coneixements adquirits per resoldre qualsevol exercici que es pugui abordar amb els coneixements impartits i amb independència de si s’han o no realitzat a classe exemples idèntics o similars.
  3. Prova combinada entre coneixements conceptuals de base i exercicis aplicats; és a dir una prova combinada de les dues anteriors.

Totes les proves podran ser amb o sense apunts i presencials o virtuals segons les circumstàncies; quedant tot això a discreció de l’equip docent, que ho haurà d’anunciar amb la suficient antelació.

L'avaluació dels estudiants inclou les següents activitats:

  1. Tres proves parcials (una per bloc), a realitzar individual i presencialment, en un entorn controlat, i en format escrit. Aquestes proves parcials avaluen el coneixement adquirit per l'estudiant i la seva capacitat de resoldre problemes tot dissenyant circuits digitals adients i eficients.
  2. Resolució d'exercicis: comprèn un conjunt d'exercicis on-line, amb correcció automàtica, que l'estudiant ha de lliurar en unes dates prèviament especificades.
  3. Visualització dels vídeos abans d'assistir a classe i assistència a classe.
  4. Activitats en què els estudiants han de demostrar les competències adquirides durant el desenvolupament de les pràctiques.

b) Procediment d’avaluació

La nota del curs obtinguda per avaluació continuada (AC) es calcula a partir de:

  1. (activitat 1) La mitjana de les notes obtingudes en les tres proves parcials (PP1PP2 i PP3),
  2. (activitats 2 i 3) el lliurament d’exercicis, l’assistència a classe i la visualització dels vídeos (Pb),
  3. (activitats 4) la nota de les activitats avaluables de pràctiques (PL)

d’acord amb la fórmula:   AC = PP · 0,5 + Pb · 0,2 + PL · 0,3

on, PP = (PP1+PP2+PP3)/3

Per aprovar el curs s’han de complir les següents condicions:

  1. AC ≥ 5,
  2. PP1PP2 i PP3 ≥ 4 (cadascuna d’elles), i PP ≥ 5.
  3. PL ≥ 5.

Al finalitzar el curs:

  • Si la nota obtinguda en una (i només una) de les proves parcials PP1PP2 o PP3 és  < 4, s'ha de superar aquesta qualificació presentant-se a un examen de recuperació del bloc corresponent. Per aprovar el curs la nota obtinguda en aquest examen ha de ser ≥ 4, i la nova nota PP mitjana dels tres parcials ha de ser ≥ 5.
  • Si la nota obtinguda en dos o més parcials és < 4, l'estudiant ha de presentar-se a un nou examen que inclourà tota la matèria. La nota obtinguda serà la nova nota PP, que ha de ser ≥ 5 per a superar el curs.
  • Si PL< 5 l’estudiant podrà fer una activitat de recuperació relativa a les pràctiques. La nota obtinguda en aquesta activitat de recuperació serà la nova nota PL, que ha de ser ≥ 5 per a superar l’assignatura.

Si finalment PP < 5 o PL < 5, la nota final de l'assignatura serà el valor més baix entre la nota AC i 4,5.

La figura següent resumeix les situacions que es poden donar, entenent que l’estudiant ha aprovat les pràctiques (PL ≥  5).

  

 

c) Calendari de les activitats d'avaluació

Les dates de les proves d'avaluació i del lliurament d'exercicis es publiquen al Campus Virtual (CV), i poden estar subjectes a canvis de programació a causa de situacions imprevistes. Qualsevol modificació d'aquestes s'avisarà a través d'aquesta plataforma. És important puntualitzar que no es realitzarà cap examen a cap estudiant fora dels dies programats a l'efecte, llevat que hi concorrin causes justificades que s'hagin informat abans de la data prevista, i amb el consentiment del professor. En la resta dels casos, les activitats d'avaluació que l'estudiant no hagi realitzat no són recuperables.

d) Revisió de les proves

Les notes de les activitats d'avaluació es publiquen en el CV i s'indicarà el procediment habilitat per a la revisió de l'activitat. En aquesta sessió l'estudiant podrà revisar el seu treball amb el professor que l'ha avaluat i discutir amb ell/ella els aspectes que no entengui o aquells amb els que no estigui d'acord amb la qualificació obtinguda. Si l'estudiant no acudeix a aquesta revisió no tindrà dret a una nova oportunitat.

e) Irregularitats per part de l'estudiant, còpia i plagi

Sense detriment d'altres mesures disciplinàries que es puguin establir a l'efecte, i d'acord amb les normatives acadèmiques vigents, les activitats d'avaluació en què l'estudiant hagi comès algun tipus d'irregularitat que pugui afectar la seva nota seran qualificades amb un 0, i l'estudiant no tindrà dret a cap tipus de prova de recuperació. Si aquesta activitat o activitats és/són imprescindibles per aprovar l'assignatura, la qualificació de 0 comportarà suspendre l'assignatura en el curs actual, sense possibilitat de recuperació.

Les irregularitats contemplades en aquest procediment inclouen, entre altres,

  • La còpia total o parcial en un examen, exercici pràctic, informe, o qualsevol altre tipus d'activitat d'avaluació
  • Permetre la còpia per part d'altres estudiants
  • Presentar treballs en grup que no han estat realitzats totalment pels membres del grup
  • Tenir accessible qualsevol tipus de dispositiu de comunicació (mòbils, smart watches, etc.) durant el desenvolupament d'una prova d'avaluació.

f) Avaluació dels estudiants repetidors

Els estudiants que van realitzar i aprovar les pràctiques de laboratori en un dels dos anys anteriors, però que van suspendre l'assignatura, poden optar per no repetir les pràctiques el curs actual. En aquest cas, la nota de pràctiques (PL) serà un 5, independentment de la nota obtinguda en el curs on es van realitzar. La llista d'estudiants que poden escollir no realitzar les pràctiques es publica al CV al començament del curs. Si, de tota manera, un estudiant vol repetir les pràctiques, haurà d'informar-ne via correu electrònic al professor responsable de les pràctiques.

Si un estudiant ha comès irregularitats (còpies/plagi) en alguna activitat d'avaluació en una convocatòria anterior de l'assignatura no tindrà dret a que se li convalidin les pràctiques (si les tingués aprovades).

g) Qualificacions especials

 • No s'avaluarà amb un "no-avaluable" a cap estudiant que hagi participat en alguna prova d'avaluació.

• Per obtenir una "matrícula d'honor (MH)" lanota final obtinguda per l'estudiant ha de ser ≥ 9,0. No obstant això, atès que el nombre de MHs no pot excedir el 5% del nombre d'estudiants matriculats en l'assignatura, aquesta condició no és suficient i, per tant, les MH s'assignaran als estudiants que hagin obtingut les qualificacions més altes.

Les normatives acadèmiques aprovades per el Consell de Govern de la UAB  es poden consultar a: https://www.uab.cat/doc/TR_Normativa_Academica_Plans_Nous

Activitats d'avaluació

Títol Pes Hores ECTS Resultats d'aprenentatge
Activitats avaluables de pràctiques 30% 2 0,08 3, 5, 6, 7
Lliurament de problemes 20% 8 0,32 5, 7
Tres proves parcials i/o examen final 50% 8 0,32 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

Bibliografia

  • Coursera MOOC: https://www.coursera.org/learn/digital-systems
  • Digital Systems: From Logic Gates to Processors. Deschamps JP, Valderrama E, Terés L. Springer 2017. ISBN 978-3-319-41198-9.
  • Complex Digital Systems. Deschamps JP, Valderrama E, and Terés L. Springer 2019. ISBN 978-3-030-12652-0.
  • Diseño de Sistemas Digitales. Deschamps JP, Ed. Paraninfo 1989. ISBN 84-283-1695-9.
  • Digital Systems Fundamentals. T.L. Floyd. Ed. Prentice Hall. 9ª Edición ISBN: 8483220857.

Programari

  • Oracle VM VirtualBox
  • Quartus II Web Edition