Teaching Plan Information

Presentation

Main aim: To meaningfully understand the Von Neuman architecture and the execution of computer programs at the low level of a computer with a single processor, memory and input and output devices. There should be a transparency that instructions, memory address and data are all codified as integer numbers. Students shall gain an understanding about the workings at the boundary of software and hardware. Therefore, to apply low-level programming techniques and analyse and design simple translations from high level to low-level languages. In particular, to understand the management of subroutines and the layout of the RAM.

Associated skills

Specific competences:

• CE4. Mastering the use and programming of computers, operating systems, databases and computer programs with application in engineering.
• CE5. Recognising the structure, organisation, functioning and interconnection of computing systems, the foundations of their programming, and knowing how to apply this knowledge for solving typical problems in engineering.
• CE7. Mastering the concepts and principles of a computer’s inner functioning as well as of the communication among computers, which allows the analysis and assessment of computer structures, including parallel and distributed platforms.
• CE8. Mastering the concepts of programming and data structures, including principles of secure design and defensive programming, program verification and error detection.
• CE10.Recognising basic algorithmic procedures and applying them for the resolution of computational problems, analysing the solution’s suitability and complexity.

Basic skills:

• CB3. That the students have the ability of collecting and interpreting relevant data (normally within their study area) to issue judgements which include a reflection about relevant topics of social, scientific or ethical nature;
• CB4. That the students can transmit information, ideas, problems and solutions to a public both specialized and non-specialized;
• CB5. That the students have developed those learning abilities necessary to undertake later studies with a high degree of autonomy.

Transversal skills:

• CT3. Applying with flexibility and creativity the acquired knowledge and adapting it to new contexts and situations.
• CT4. Communicating in academic and professional contexts in English, both orally and in writing.
• CT5. Generating new ideas and incorporating them in the daily work.

Additional skills:

• Problem-Solving Skills by synthesising behaviour of programs using assembly language.
• Abstract thinking by formulating a behaviour in pseudo-code and programming it with low-level computer programs
• Analytical skills by confirming the correct behaviour of computer programs
• Reflective skills by reporting meaningfully on practical exercises, seminars and laboratories
• Software development skills by anticipating the behaviour of programs in different hardware
• Abstraction skills by interpreting how different data types are represented in computers at the low-level
• Analytical skills by solving errors reported by assemblers and interpreters
• Program construction and software development skills by meaningfully applying procedural abstraction.
• Ability to understand and know how to generate algorithms and codes in assembly language (MIPS) allowing to solve problems according to the contents of the course.
• Problem solving skills by synthesising program behaviour using assembly language.
• Know how to use the simulator (MARS) and know how to analyse the execution of the proposed programs.
• Ability to analyse and synthesise.
• Ability to organise and plan.
• Ability to solve problems and make decisions.
• Ability to work in a team and skills in relationships interpersonal.
• Ability to reason critically and learn independently.
• Ability to be creative and adapt to new situations.

Common competencies UPF

Competence of autonomy, help to consolidate capabilities of self-knowledge and critical thinking; self-learning, and problem solving; personal initiative, self-management and capacity to performs in complex environments. Note: There are learning objectives of the degree and of the subject (CB5) that also cover aspects of these competencies.

1. Competences of global citizenship, which help to develop capacity to examine with a global perspective the world and its challenges, from the commitment to fundamental rights, social justice, democracy and the environment for personal action and collectively for planetary welfare and sustainable development. Note: See learning plan.
2. Gender competence, which allows assess inequalities for reasons of sex and gender, in order to design effective solutions. Note: See learning plan.
3. Competence in communication, which ensure the work of the capabilities to understand reading criticism and oral, excellence in written expression (and that ensure the relation to several languages) Note: There are objectives degree learning and the subject (CB4, CT4, and CT5) that also and cover these competencies.

Learning outcomes

RA.CE4.1 Master the basic and practical knowledge on the use and programming of computers with application in engineering.

RA.CE5.1 Recognize the structure, organization, functioning and interconnection of the computing systems, as well as the foundations of their programming.

RA.CE7.1 Assess the structure and architecture of computers, as well as the basic components which conform them.

RA.CE8.1 Program code using fundamental elements of programming.

RA.CE8.2 Design and use the adequate types and data structures for solving a problem.

RA.CE8.6 Recognize principles, methods and practices of Software Engineering.

In addition to the previous learning outcomes the student should be able to:

• To describe the structure of a computer with a processor, a memory and input and output devices.
• To explain the main elements of a computer, how it is formed and how it can execute programs (analysing the translation from high level to low-level languages).
• To construct programs for a computer at a low level: assembly language and machine language.
• To effectively use representations and operate integer numbers.
• To meaningfully describe and operate the instructions that store and access data in a program.
• To describe and construct translations of high-level code to assembly language using a standard ABI (application binary interface), particularly expressions, control sentences, loops, subroutines.
• To analyse low-level programs to reverse engineer to high-level code.
• To anticipate and meaningfully use the structure and functionalities of the main memory and the cache memory.
• To describe the required hardware for virtual memory, appreciate the usefulness of virtual memory's, and apply its basic functionality.

Also basic skills such as
CB3. That the students have the ability of collecting and interpreting relevant data (normally within their study area) to issue judgements which include a reflection about relevant topics of social, scientific or ethical nature;
CB4. That the students can transmit information, ideas, problems and solutions to a public both specialized and non-specialized;
CB5. That the students have developed those learning abilities necessary to undertake later studies with a high degree of autonomy.

And transversal skills such as
CT3. Applying with flexibility and creativity the acquired knowledge and adapting it to new contexts and situations. CT4. Communicating in academic and professional contexts in English, both orally and in writing. CT5. Generating new ideas and incorporating them in the daily work.

Sustainable Development Goals

• Apply the understanding of computer behaviour at the low level to meaningfully understand the costs and impact of algorithms
• Apply methods of software engineering and software analysis and design to construct correct programs efficiently.
• Appreciate the elements and components of a computer and their impact, thus evaluating the rapid change in hardware and software that results in a large footprint of e-waste.
• Understand the The PostPC Era and the impact on the environment and the structures of society because of
  1. Personal Mobile Device (PMD) that is Battery operated, Connects to the Internet and
  2. Cloud computing offering Warehouse Scale Computers (WSC) and Software as a Service (SaaS)
• Note that now, a portion of software runs on a PMD and a portion runs in the Cloud

# Achieve gender equality and empower all women and girls

# Build resilient infrastructure, promote inclusive and sustainable industrialization and foster innovation

# Ensure sustainable consumption and production patterns

# Take urgent action to combat climate change and its impacts

# Ensure inclusive and equitable quality education and promote lifelong learning opportunities for all

Prerequisites

• Solid study habits.
• Discipline to regularly review lecture notes and keep passe with the course.
• Initiative to attempt exercises ahead of the corresponding session
• Assertiveness to engage lecturers and tutors with questions to enhance the understanding of materials.
• Systematic study approach attempting exercises and reviewing against model solutions to reflect on the virtues and shortcomings of their own initial answers.
• Some understanding of the C-programming language
• Students should have the ability to manage a computer and its software to download and upload materials.

Contents

1. Von Neuman basic architecture and main elements. Binary arithmetic
2. Machine language and assembly language.
3. Introduction to MIPS assembly language and its basic structures Declaration of data
4. Data in memory
   1. Loading data from memory and storing data in memory Arithmetic, logical and shift operations
   2. Conditional jump and comparison operations
   3. Conditional and repetition control structures
5. Translation of high-level codes in MIPS and memory usage Representation of registers, matrices and pointers
   1. Subroutines
   2. Data structures: the stack
   3. Memory hierarchy
   4. Organisation and operations of the main memory.
   5. Cache memory

Teaching Methods

This course is organised as follows:

• Theory: Core theoretical material.A total of 28 hours of lectures (divided into 2 hrs classes)There will also be practical discussion activities as well as examples of related conceptual exercises.

• • The main teaching method here is an “Expository or lecture method”. It will be supported by class notes available before class. With the support of self-produced introductory mini-videos as well as selected mini-videos. Lessons supported in problem-solving activities. Lessons motivated by ‘flipped classroom’ activities. Enhanced participation with tools such as the Mentimeter.
  • The secondary method is “Flipped classroom”.  Class notes are available before class. With the support of self-produced introductory mini-videos as well as selected mini-videos. Lessons supported in problem-solving activities. Lessons motivated by flipped classroom activities. Enhanced participation with tools such as the Mentimeter.

• Seminars: A total of 12 hours of seminars (divided into 2-hour sessions) for a total of 6 seminars.Seminars are held in small groups of students. Students will aim to work on practical exercises related to the concepts presented in lectures.Students will work individually or in a group with problem-solving exercises. Submission must be individual.
Students will discuss with the teacher, and the solution will be worked out in class. Students must be able to defend their individual submissions. Each seminar will have associated a homework assignment that must be completed along with the seminar’s submission.

• • The main technique here is Problem-based learning (PBL). Seminars are held in small groups of students. Definition of problems and tasks of the seminar published at least 1 week before the seminar. Students work before the corresponding seminar or laboratory session. Students will work individually or in groups with problem-solving exercises. Students will discuss with the teacher and the solution will be worked on in class. The student acquires knowledge and skills on his / her own with the help of his / her classmates and a teacher as a mentor. Seminar reports must be individual. Clear instruction of what constitutes an appropriate presentation that meets all the criteria of academic integrity.

• Laboratory practices: A total of 12+ hours of practice (divided into 2hrs-session) as laboratories.
The laboratory instructions will be published at least a week before each session. Laboratories can be completed individually or in pairs prior to the session.The laboratory session can be used to raise issues that may need clarification from the laboratory tutor.A laboratory is assessed by submitting a laboratory report no later than one day before the next laboratory session.Students must be able to defend the couple/individual submission individually.

• • The main technique here is Problem-based learning (PBL).  Laboratory instructions will be published at least one week before each session. Laboratories can be performed individually or in pairs before the session. The laboratory session can be used to raise issues that may need clarification by the laboratory tutor. A laboratory is evaluated by sending a laboratory report no later than one day before the next laboratory session.

Evaluation

To evaluate general UPF competencies and objectives towards sustainable development goals students must complete

• 2 reports (1,000 words each summarizing the impact of sustainable development engineering). These reports do not award any marks that contribute to the computation of the final grade. However, a satisfactory submission of these is required to be eligible for each of the exams. That is, one report must be submitted by the date of the midterm exam, and the second report must be submitted by the date of the final exam.

The final grade is calculated as follows.

• 1 small test (recoverable)10%
• 1 final exam: Exam period (recoverable) 20%

Therefore learning outcomes concerning theoretical understanding contribute 40%

• 6 laboratories, Each laboratory is worth 9%, only the top 5 laboratories. Total for laboratories is 45%.
• 6 seminars. Each seminar is worth 3%, only the top 5 seminars; no seminar is recoverable. The total for seminars is 15%.

Therefore learning outcomes concerning practical skills contribute 60%

To pass the course, the following thresholds apply

• A student must score 45% or higher in the final exam to pass the course
• 5 or more of the laboratories must be attended. The average grade in the laboratories must be 50% to pass the course. A failed lab can be recuperated only individually and only to meet the requirement of 5 laboratories completed.
• The grade in the seminars must be 9% or higher to pass the course (that is, the accumulated grade of seminars must be 50% or more to pass the course).
• A report on must be submitted before the midterm to earn the right to sit the exam.
• A second report on must be submitted before the final exam to earn the right to sit the final exam.

Bibliography and information resources

Información del Plan Docente

Presentación

Objetivo principal: Entender de forma significativa la arquitectura de Von Neuman y la ejecución de programas informáticos al nivel bajo de un ordenador con un solo procesador, memoria y dispositivos de entrada y salida. Debería haber una transparencia de que las instrucciones, la dirección de memoria y los datos se codifican como números enteros. Los estudiantes deben adquirir una comprensión sobre el funcionamiento al límite del software y el hardware. Por tanto, aplicar técnicas de programación de bajo nivel y analizar y diseñar traducciones sencillas de lenguajes de alto nivel a lenguajes de bajo nivel. En particular, entender la gestión de subrutinas y la disposición de la memoria RAM.

Competencias asociadas

Competencias especificas:

• CE4. Dominar el uso y la programación de los ordenadores, sistemas operativos, bases de datos y programas informáticos con aplicación en ingeniería.
• CE5. Reconocer la estructura, la organización, el funcionamiento y la interconexión de los sistemas informáticos, los fundamentos de su programación, y saber aplicar estos conocimientos para la resolución de problemas propios de la ingeniería.
• CE7. Dominar los conceptos y principios del funcionamiento interno de un ordenador así como de la comunicación entre ordenadores, que permita el análisis y evaluación de estructuras de computadores, incluyendo plataformas paralelas y distribuidas.
• CE8. Dominar los conceptos de la programación y estructuras de datos, incluyendo principios de diseño seguro y programación defensiva, verificación de programas y detección de errores.
• CE10.Reconocer procedimientos algorítmicos básicos y aplicarlos para la resolución de problemas computacionales, analizando la idoneidad y complejidad de la solución.

Competencias básicas:

• CB3. Que los estudiantes tengan la capacidad de reunir e interpretar datos relevantes (normalmente dentro de su área de estudio) para emitir juicios que incluyan una reflexión sobre temas relevantes de índole social, científica o ética;
• CB4. Que los estudiantes puedan transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado;
• CB5. Que los estudiantes hayan desarrollado aquellas habilidades de aprendizaje necesarias para emprender estudios posteriores con un alto grado de autonomía.

Competencias transversales:

• CT3. Aplicar con flexibilidad y creatividad los conocimientos adquiridos y de adaptarlos a contextos y situaciones nuevas.
• CT4. Comunicarse en contextos académicos y profesionales de forma oral y escrita en inglés.
• CT5. Generar nuevas ideas e incorporarlas en el trabajo diario.

Competencias adicionales:

• Habilidades de resolución de problemas sintetizando el comportamiento de programas utilizando lenguaje ensamblador.
• Pensamiento abstracto mediante la formulación de un comportamiento en pseudocódigo y su programación con programas informáticos de bajo nivel.
• Habilidades analíticas al confirmar el correcto comportamiento de los programas informáticos.
• Habilidades de reflexión al informar de manera significativa sobre ejercicios prácticos, seminarios y laboratorios.
• Habilidades de desarrollo de software anticipando el comportamiento de programas en diferente hardware.
• Habilidades de abstracción al interpretar cómo se representan los diferentes tipos de datos en las computadoras en el nivel bajo.
• Habilidades analíticas resolviendo errores reportados por ensambladores e intérpretes.
• Programar habilidades de construcción y desarrollo de software mediante la aplicación significativa de la abstracción de procedimientos.
• Capacidad para comprender y saber generar algoritmos y códigos en lenguaje ensamblador (MIPS) que permitan resolver problemas de acuerdo con los contenidos del curso.
• Habilidades de resolución de problemas sintetizando el comportamiento del programa utilizando lenguaje ensamblador.
• Saber utilizar el simulador (MARS) y saber analizar la ejecución de los programas propuestos. Capacidad de análisis y síntesis. Capacidad para organizar y planificar.Capacidad para resolver problemas y tomar decisiones. Capacidad para trabajar en equipo y habilidades en las relaciones interpersonales. Capacidad para razonar críticamente y aprender de forma independiente.
• Capacidad para ser creativo y adaptarse a nuevas situaciones

Competencias comunes UPF

1. Competencia de autonomía, ayudan a consolidar capacidades de autoconocimiento y pensamiento crítico; el autoaprendizaje y la resolución de problemas; iniciativa personal, autogestión y capacidad para actuar en entornos complejos. Nota: Existen objetivos de aprendizaje de la titulación y de la asignatura (CB5) que también cubren aspectos de estas competencias.
2. Competencias de la ciudadanía global, que ayudan a desarrollar la capacidad para examinar con una perspectiva global el mundo y sus retos, desde el compromiso con los derechos fundamentales, la justicia social, la democracia y el medio ambiente para la acción personal y colectiva por el bienestar planetario y el desarrollo sostenible. Nota: consulte el plan de aprendizaje.
3. La competencia de género, que permite evaluar las desigualdades por razones de sexo y género, a fin de diseñar soluciones efectivas. Nota: consulte el plan de aprendizaje.
4. Competencia en comunicación, que garanticen el trabajo de las capacidades para comprender la crítica lectora y oral, la excelencia en la expresión escrita (y que garanticen la relación con diversas lenguas) Nota: Existen objetivos de aprendizaje de grado y de la asignatura (CB4, CT4, y CT5) que también cubren estas competencias.

Resultados del aprendizaje

RA.CE4.1 Domina los conocimientos básicos y prácticos sobre el uso y programación de los ordenadores con aplicación en ingeniería. 

RA.CE5.1 Reconoce la estructura, organización, funcionamiento e interconexión de los sistemas informáticos, así como los fundamentos de su programación. 

RA.CE7.1 Evalúa la estructura y arquitectura de los computadores, así como los componentes básicos que los conforman. 

RA.CE8.1 Programa código utilizando elementos fundamentales de programación. 

RA.CE8.2 Diseña y utiliza los tipos y estructuras de datos básicos adecuados para la resolución de un problema. 

RA.CE8.6 Reconoce principios, métodos y prácticas de la Ingeniería del Software. 

Adicionalmente, el estudiante debe poder:

• Describir la estructura de una computadora con un procesador, una memoria y dispositivos de entrada y salida.
• Explicar los principales elementos de una computadora, cómo está formada y cómo es capaz de ejecutar programas (analizando la traducción de lenguajes de alto nivel a lenguajes de bajo nivel).
• Construir programas para una computadora de bajo nivel: lenguaje ensamblador y lenguaje máquina.
• Usar representaciones y operar números enteros de manera efectiva.
• Describir y operar de manera significativa las instrucciones que almacenan y acceden a datos en un programa.
• Describir y construir traducciones de código de alto nivel a lenguaje ensamblador usando una IBA (interfaz binaria de aplicación) estándar, particularmente expresiones, oraciones de control, bucles, subrutinas.
• Analizar programas de bajo nivel para aplicar ingeniería inversa al código de alto nivel.
• Anticipar y utilizar de manera significativa la estructura y funcionalidades de la memoria principal y la memoria caché.
• Describir el hardware necesario para la memoria virtual, apreciar la utilidad de la memoria virtual y aplicar su funcionalidad básica.

También competencias básicas como son:

• CB3. Que los estudiantes tengan la capacidad de reunir e interpretar datos relevantes (normalmente dentro de su área de estudio) para emitir juicios que incluyan una reflexión sobre temas relevantes de índole social, científica o ética;
• CB4. Que los estudiantes puedan transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado;
• CB5. Que los estudiantes hayan desarrollado aquellas habilidades de aprendizaje necesarias para emprender estudios posteriores con un alto grado de autonomía.

Y competencias transversales como son:

• CT3. Aplicar con flexibilidad y creatividad los conocimientos adquiridos y de adaptarlos a contextos y situaciones nuevas.
• CT4. Comunicarse en contextos académicos y profesionales de forma oral y escrita en inglés.
• CT5. Generar nuevas ideas e incorporarlas en el trabajo diario.

Objetivos de Desarrollo Sostenible

• Aplicar la comprensión del comportamiento de la computadora en el nivel bajo para comprender de manera significativa los costos y el impacto de los algoritmos
• Aplicar métodos de ingeniería de software y análisis y diseño de software para construir programas correctos de manera eficiente.
• Apreciar los elementos y componentes de una computadora y su impacto, evaluando así el rápido cambio en hardware y software que resulta en una gran huella de desechos electrónicos.
• Comprender la Era PostPC y el impacto en el medio ambiente y las estructuras de la sociedad debido a
  • el Dispositivo móvil personal (DMP) que funciona con batería, se conecta a Internet y
  • la Computación en la nube que ofrece Computadoras a escala de almacén (Warehouse Scale Computers: WSC) y Software como servicio (Software as a Service:SaaS)

• Tener en cuenta que ahora, una parte del software se ejecuta en un PMD y una parte se ejecuta en la nube

# Conseguir la igualdad de género y empoderar a todas las mujeres y niñas

# Construir infraestructuras resilientes, promover una industrialización inclusiva y sostenible y fomentar la innovación

# Garantizar patrones de consumo y producción sostenibles

# Tomar medidas urgentes para combatir el cambio climático y sus impactos

# Garantizar una educación inclusiva y equitativa de calidad y promover oportunidades de aprendizaje a lo largo de la vida para todos

Prerrequisitos

• Hábitos de estudio sólidos.
• Disciplina para revisar regularmente las notas de la clase y seguir adelante con el curso.
• Iniciativa para intentar ejercicios antes de la sesión correspondiente
• Ser asertivo para involucrar a profesores y tutores con preguntas para mejorar la comprensión de los materiales.
• Enfoque de estudio sistemático que intenta ejercicios y realiza revisiones con los modelos de soluciones para reflexionar sobre las virtudes y defectos de sus propias respuestas iniciales.
• Algo de comprensión del lenguaje de programación C
• Los estudiantes deben tener la capacidad de administrar una computadora y su software para descargar y cargar materiales.

Contenidos

1. Arquitectura básica y elementos principales de Von Neuman.
2. Aritmética binaria
3. Lenguaje máquina y lenguaje ensamblador.
4. Introducción al lenguaje ensamblador MIPS y sus estructuras básicas
5. Declaración de datos
   1. Datos en memoria
   2. Carga de datos de la memoria y almacenamiento de datos en la memoria Operaciones aritméticas, lógicas y de desplazamiento
   3. Operaciones de comparación y salto condicional
   4. Estructuras de control condicional y de repetición
6. Traducción de códigos de alto nivel en MIPS y uso de memoria Representación de registros, matrices y punteros
   1. Subrutinas
   2. Estructuras de datos: la pila
   3. Jerarquía de memoria
   4. Organización y funcionamiento de la memoria principal.
   5. Memoria caché

Metodología docente

Esta asignatura se organiza de la siguiente forma:

Evaluación

Para evaluar las competencias y objetivos generales de la UPF hacia los objetivos de desarrollo sostenible los estudiantes deben completar

• 2 informes (1.000 palabras cada uno que resumen el impacto de la ingeniería del desarrollo sostenible). Estos informes no otorgan ninguna nota que contribuya al cómputo de la nota final. Sin embargo, es necesario presentarlos satisfactoriamente para poder participar en cada uno de los exámenes. Es decir, un informe debe presentarse antes de la fecha del examen parcial y el segundo informe antes de la fecha del examen final.

La evaluación de esta asignatura se llevará a cabo de la siguiente forma:

1 pequeña prueba inter-trimestral (recuperable) 10%

1 examen final: Periodo de exámenes (recuperable) 30%

Por lo tanto, los resultados de aprendizaje relacionados con la comprensión teórica contribuyen en un 40%

6 laboratorios, cada laboratorio vale el 9%, solo los 5 mejores laboratorios. El total de los laboratorios es del 45%.

6 seminarios. Cada seminario vale un 3%, solo los 5 mejores seminarios; ningún seminario es recuperable. El total de seminarios es del 15%.

Por lo tanto, los resultados del aprendizaje relacionados con las habilidades prácticas contribuyen en un 60%

Para aprobar el curso, se aplican los siguientes umbrales

1. El estudiante debe obtener un 45% o más en el examen final para aprobar el curso.
2. Deben asistirse a 5 o más de los laboratorios. La nota media en los laboratorios debe ser del 50% para aprobar la asignatura.
3. Un laboratorio fallido se puede recuperar solo individualmente y solo para cumplir con el requisito de 5 laboratorios completados.
4. La calificación en los seminarios debe ser del 9% o más para aprobar la asignatura (es decir, la calificación acumulada de los seminarios debe ser del 50% o más para aprobar la asignatura).
5. Se debe presentar un informe antes de la mitad del cuatrimestre para conseguir el derecho a presentarse en el examen.
6. Antes del examen final debe presentarse un segundo informe para conseguir el derecho a presentarse al examen final.

Bibliografía y recursos de información

1. David A. Patterson and John L. Hennessy “Computer Organization and Design MIPS, 6th Edition, The Hardware/Software Interface” 2020 (Elsevier/Morkan Kaufmann).