Code: ELECTA01 Kwartaal 1, Jaar 4 Aantal studiepunten: 3

Computertechniek en -architectuur

Code: ELECTA01 Kwartaal 1, Jaar 4

Aantal studiepunten: 3

1 Inleiding

Dit studieonderdeel is bestemd voor de studenten van de minor Embedded Systems die wordt verzorgd door de opleiding Elektrotechniek.

De twintigste eeuw werd qua techniek gekenmerkt door de uitvinding van de transistor en de computertechnologie. De microprocessor is uit het hedendaagse leven niet meer weg te denken. Er werden in 2018 naar schatting ongeveer 30 miljard microcontrollers verkocht¹ waarvan vermoedelijk 99% gebruikt werd in embedded applicaties². Voor de Embedded Systems Engineer van nu is het dan ook van uitermate groot belang om te begrijpen hoe een processor werkt en hoe deze is verbonden met de buitenwereld.

In deze cursus wordt het standaardwerk op het gebied van Computer Engineering ge- bruikt: Computer Organisation and Design van Patterson en Hennessy. Omdat de ARM architectuur zeer veel toegepast wordt in embedded systemen is besloten om de ARM Edition van dit boek te gebruiken (de eerste editie van deze ARM Edition is verschenen in april 2016).

In deze cursus wordt de achtergrond van de opbouw van de computer, en in het bijzon- der de microprocessor, belicht. Daarnaast is er een klein practicum om de leerdoelen in de praktijk verder uit te werken.

2 Werkvormen en studielast

De verschillende werkvormen zijn weergegeven in de onderstaande tabel.

Werkvorm Omschrijving Studielast

Theorielessen Behandelen van de theorie in hoofdlijnen. Oefenen

met opgaven en bespreken van het huiswerk. 20 klokuren Tentamen Maken van het schriftelijke tentamen. 2¹₄ klokuren

Zelfstudie

Bestuderen van de stof met behulp van het boek.

Opgaven maken. Praktische opdracht assembly pro- grammeren uitvoeren.

61³₄ klokuren

1 Bron: en.ctimes.com.tw (2019).

3 Competenties

Deze cursus draagt bij tot het ontwikkelen van de competenties: analyseren, ontwer- pen en realiseren.

4 Leerdoelen

De leerdoelen zijn gegeven in de onderstaande tabel.

# Niveau Weging De student is in staat om . . .

1 C 15 %

. . . de performance van een computerplatform te analy- seren, zodanig dat een vergelijking van de performance van verschillende systemen gemaakt kan worden (delay, throughput, area, power, and parallellism).

2 C 17 %

. . . te werken met verschillende instructies om rekenkun- dige, logische en geheugen-gerelateerd operaties uit te voe- ren op het ARM platform, zodanig dat de student een sim- pele applicatie in assembly kan ontwerpen en realiseren.

3 C 18 %

. . . te werken met verschillende instructies die branches, jumps en procedures mogelijk maken, zodanig dat de stu- dent een simpele applicatie met een dynamische program- maflow kan ontwerpen en realiseren.

4 B 10 % . . . uit te leggen hoe getallen gerepresenteerd en bewerkt kunnen worden in digitale hardware.

5 B 15 %

. . . het data- en controlpad van de rekenkundige, logische en geheugen-gerelateerde operaties van een eenvoudige RISC processor te begrijpen, zodanig dat de student aan kan ge- ven waar en hoe de operaties in de digitale hardware uitge- voerd worden.

6 C 15 %

. . . aan te geven hoe het datapad van een eenvoudige RISC processor gepipelined kan worden, zodanig dat het kritieke pad wordt opgesplitst en er meerdere instructies tegelijk in het pad uitgevoerd kunnen worden.

7 C 10 %

. . . verschillende geheugenarchitecturen te analyseren, zo- danig dat voor een bepaalde applicatie de beste geheuge- narchitectuur geselecteerd kan worden.

De beheersingsniveaus van de verschillende leerdoelen zijn afkomstig van de taxonomie van Bloom (met een bewerking van Anderson). A = Kennis, onthouden, B = Inzien, begrijpen, C = Toepassen, gebruiken, D = Problemen oplossen, analyseren, synthetiseren.

5 Toetsing en beoordeling

De leerdoelen worden summatief getoetst op basis van een praktische opdracht en een schriftelijke toets. De praktische opdracht wordt in groepjes van 2 studenten, of als het niet anders kan individueel, uitgevoerd. De schriftelijke toets is uiteraard indivi- dueel. Voorwaarde voor het nakijken van de praktische opdracht is dat alles eigen werk is. Blijkt er niet te zijn voldaan aan deze voorwaarde, dan wordt er onmiddellijk een onvoldoende gegeven en een fraudemelding gedaan bij de examencommissie. Als er twijfel is over de bijdrage van één student van een groepje van twee studenten dan kan de docent deze studenten om een extra mondelinge toelichting vragen.

Deze cursus bevat dus twee summatieve (meetellende) toetsmomenten waarbij de ver- schillende leerdoelen worden getoetst.

Toetsmoment Leerdoelen Duur Weging Deadline 1: praktische

opdracht 2 (12 %) en 3 (13 %) – 25 % lesweek 5 zondag 23:59 2: schriftelijke toets 1, 2 (5 %), 3 (5 %) en

4 – 7 135 min 75 % lesweek 9

Toetsmoment 1 is een praktische opdracht die thuis mag worden uitgevoerd. Bij deze twee toetsmomenten kun je in totaal maximaal 100 punten behalen, 25 voor de prak- tische opdracht en 75 voor de schriftelijke toets. Toetsmoment 1 kan herkanst worden in lesweek 3 tot en met 5 van kwartaal 2. Bij deze herkansing krijg je een nieuwe op- dracht toegewezen. Toetsmoment 2 kan herkanst worden in de herkansingsweek van kwartaal 1 (na afloop van kwartaal 2).

In lesweek 4 zal er een formatieve (niet meetellende) schriftelijke toets worden gegeven over de eerste 3 leerdoelen. Deze toets neemt 60 minuten in beslag en wordt meteen na afloop door de studenten zelf nagekeken. Deze toets geeft je inzicht in hoeverre je de eerste drie leerdoelen beheerst. De vragen zijn van hetzelfde moeilijkheidsniveau als de vragen die tijden de summatieve (meetellende) schriftelijke toets gesteld zullen worden.

Een van de colleges is een gastcollege. Aanwezigheid bij dit gastcollege is verplicht, zie ook paragraaf 10. Als voldaan is aan bovenstaande verplichting, dan wordt het cijfer van deze cursus berekend door het totaal aantal behaalde punten te delen door tien. Als niet voldaan is aan bovenstaande verplichting, dan wordt deze cursus beoordeeld met een O (Onvoldoende). De geldigheid van de deelresultaten is beperkt tot het studiejaar waarin deze zijn behaald.

6 Voorkennis

Om deze cursus succesvol te kunnen volgen is kennis van het programmeren in C en

7 Aansluiting op verdere studie

Deze cursus is één van de cursussen binnen de minor Embedded Systems en tevens één van de laatste cursussen voor het afstuderen in kwartaal 3 en 4. De in deze cursus opgedane kennis kan worden toegepast bij de cursus Configurerable System On Chip (CSC10). Studenten kunnen eventueel ook in de afstudeeropdracht te maken krijgen met de onderwerpen die in deze cursus worden behandeld.

8 Verplichte literatuur

David A. Patterson en John L. Hennessy. Computer Organisation and Design, The Hard- ware/Software Interface ARM Edition. 1ste ed. Morgan Kaufmann, 2016. ISBN: 978-0-12- 801733-3.

Let er goed op dat je de ARM Edition koopt! Het is noodzakelijk het fysieke boek (en dus niet de ebook versie) aan te schaffen, aangezien het bij de toetsing gebruikt moet worden.

9 Docentenbereikbaarheid

Docent E-mail MS Teams chat

J.Z.M. Broeders BroJZ@hr.nl Chat met Harry Broeders

10 Deadlines en speciale activiteiten

Aanwezigheid bij het gastcollege is verplicht. Bij afwezigheid moet je een vervangende opdracht maken. Aanwezigheid bij de overige colleges wordt sterk aangeraden. Een praktische opdracht die na (onafhankelijk van hoe lang na) de deadline ingeleverd wordt, wordt niet meer nagekeken! De deadline staat vermeld in paragraaf 5.

11 Planning

In deze paragraaf wordt de gedetailleerde planning gegeven. De planning kan gedu- rende het kwartaal nog worden aangepast. Als dit nodig is, dan zal een aangepaste planning worden gepubliceerd.

Week Werkvorm Beschrijving

1

^Les Paragraaf 1.1 t/m 1.8, 1.10 en 1.11

Zelfstudie Opgave 1.3, 1.5 t/m 1.7, 1.9, 1.10, 1.12 t/m 1.15

Deze tabel wordt vervolgd op de volgende pagina.

Vervolg van de vorige pagina.

Week Werkvorm Beschrijving

2

^Les Paragraaf 2.1 t/m 2.7

Zelfstudie Opgave 2.1 t/m 2.4, 2.8 t/m 2.11, 2.13, 2.14, 2.18, 2.20 t/m 2.22, 2.25 t/m 2.29

3

^Les Paragraaf 2.8, 2.10, 2.13 en 2.14

Zelfstudie Opgave 2.19, 2.23, 2.24, 2.30, 2.32, 2.34, 2.37, 2.41 en 2.42

4

Les Paragraaf 3.1 t/m 3.3 en 3.5 (behalve FP Addition, FP Multiplication en Accurate Arithmetic)

Formatieve

toets(1 uur) Leerdoel 1, 2 en 3

Zelfstudie Opgave 3.13 t/m 3.16, 3.22 t/m 3.24 en 3.41

5

Les Paragraaf 4.1 t/m 4.5

Zelfstudie Opgave 4.1 t/m 4.7, 4.14, 4.16 t/m 4.18 en 4.20 Deadline praktische opdracht

6

^Les Paragraaf 4.6 t/m 4.8

Zelfstudie Opgave 4.19, 4.25, 4.27.1 t/m 4.27.4 en 4.29.1 t/m 4.29.3

7

^Les Paragraaf 5.1 t/m 5.4

Zelfstudie Opgave 5.1 t/m 5.3, 5.5 en 5.10 t/m 5.12

8

^Les Gastcollege

Zelfstudie Voorbereiden toets

T1

Schriftelijke toets

HT1

^Hertoets

Versiehistorie

Datum Versie Omschrijving Auteur

08-2021 1.11³ Beschrijving studielast aangepast. BroJZ

09-2020 1.10 Toetsmomenten aangepast. BroJZ

08-2020 1.9 Beoordeling omgezet naar punten. BroJZ

11-2019 1.8 Regeling herkansing aangepast. Beoordeling aangepast.

BroJZ

Vervolg van de vorige pagina.

Datum Versie Omschrijving Auteur

11-2018 1.7 Hoofdstuk 12 aangepast. BroJZ

11-2017 1.6 Toetsvorm aangepast. Omgezet naar L^ATEX. BroJZ 11-2016 1.5 Overgestapt naar de ARM editie in plaats van de MIPS

editie. Planning aangepast. Gastcollege weer in de planning opgenomen.

BroJZ

12-2014 1.4 Aangepast aan nieuwe semesterplanning van 9 weken i.p.v. 10. Hierdoor vervalt het multi-core hoofdstuk en het gastcollege weer.

PelJH

Zie archief netwerkmap voor eerdere versies

3 Toelichting versiecodering A.Bc: A = grote aanpassing, B = kleine aanpassing, c = taal- of wiskundige correcties.