Technische Informatik 1 - Rechnerarchitektur

NUMMER: 141142
KÜRZEL: TI1
DOZENT: Dr. rer. nat. Phil­ipp Nie­mann
FAKULTÄT: Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
SPRACHE: Deutsch
SWS: 4 SWS
CREDITS: 5 CP
WORKLOAD: 150 h
ANGEBOTEN IM: jedes Wintersemester

INFOS

Rechnerarchitektur – Vorlesung (2 SWS)
Rechnerarchitektur – Übung (2 SWS)


PRÜFUNGUNGSFORM

Schriftliche Modulabschlussprüfung über 120 Minuten


LERNFORM

Vorlesung (als Folien und Tafelvortrag) und Übungen, bei denen die vorgestellten Konzepte und Techniken praktisch umgesetzt werden, teilweise mit Rechnerübungen.


LERNZIELE

Nach dem erfolgreichen Abschluss des Moduls

kennen die Studierenden Zusammenhänge und haben Detailkenntnisse von den Komponenten und der Funktionsweise moderner Computersysteme. Dies schließt neben dem Prozessor auch das Speichersystem und die Schnittstellen zu weiteren Systemkomponenten ein
sind die Studierenden auf der Basis dieser Kenntnisse in der Lage, Computersysteme und deren Komponenten bezüglich verschiedener Metriken, wie z.B. Energieverbrauch, Rechenleistung, Speicherperformance etc. auf deren Eignung für eine bestimmte Aufgabe zu bewerten
haben die Studierenden die grundsätzliche Arbeitsweise und den prinzipiellen Aufbau von Prozessoren auf der Ebene der Mikroarchitektur verstanden und sind in der Lage, den Einfluss von Architekturmerkmalen, wie z.B. Pipelining oder Out-of-Order-Execution, auf die Befehlsausführung zu analysieren


INHALT

Die Veranstaltung Rechnerarchitektur befasst sich mit dem Aufbau und der Funktion moderner Prozessoren und Computersysteme. Ausgehend von grundlegenden Computerstrukturen wie der Von-Neumann- und der Harvard-Architektur werden der Aufbau, die Klassifizierung und die technische Realisierung von Rechnersystemen dargestellt. Hierbei wird die Programmierung auf Assemblerebene sowie die Verarbeitung von Programmen durch einen Prozessor erläutert. Darauf aufbauend folgen Methoden zu Leistungsbewertung von Prozessoren auf der Basis von standardisierten Benchmarks und verschiedene Metriken, um die Ergebnisse einordnen zu können.

Der inhaltliche Schwerpunkt der Vorlesung stellt die tiefgehende Analyse der Mikroarchitekturebene eines Prozessors dar, wobei sowohl der Datenpfad als auch das Steuerwerk im Rahmen der Vorlesung schrittweise entwickelt und erläutert werden. Auf der Basis des in der Vorlesung vorgestellten Prozessors werden dann moderne Verfahren zur Leistungssteigerung und deren Einsatzgebiete vorgestellt. Neben dem eigentlichen Prozessor wird auch das Speichersystem moderner Computer und verschiedene Schnittstellen zu internen und externen Komponenten des Computersystems behandelt.

Alle Themen werden mit aktuellen Beispielen aus verschiedenen Bereichen der Technik erläutert, sodass neben dem im Detail vorgestellten Beispielprozessor mit MIPS Architektur auch moderne Hochleistungsprozessoren mit x86-64 ISA, Prozessoren für eingebettete Systeme auf Basis der ARM-Architektur, extrem energiesparende Prozessoren auf Basis des MSP430, wie sie beispielsweise in IoT-Geraten zum Einsatz kommen, und anwendungsspezifische Spezialprozessoren auf Basis der Tensilica Xtensa Plattform vorgestellt werden.


VORAUSSETZUNGEN

keine


VORAUSSETZUNGEN CREDITS

Bestandene Modulabschlussprüfung


EMPFOHLENE VORKENNTNISSE

werden die Fähigkeit für strukturiertes, algorithmisches Denken sowie das Erfassen von komplexen Abhängigkeiten und Interaktionsmustern vorausgesetzt.


LITERATUR

1. A. S. Tanenbaum: „Computerarchitektur“, Pearson, 2005
2. A. S. Tanenbaum: „Computerarchitektur. Strukturen – Konzepte – Grundlagen“, Pearson, 2006
3. J. LR. Hennessy, D. Patterson: „Rechnerorganisation und Rechnerentwurf: Die Hardware/Software-Schnittstelle“, Oldenbourg Verlag, 2011
4. A. S. Tanenbaum: „Strukctured Computer Organization“, Prentice Hall, 2005


Technical Computer Science 1 - Computer Architecture

NUMMER: 141142 KÜRZEL: TI1 DOZENT: Dr. rer. nat. Phil­ipp Nie­mann FAKULTÄT: Fakultät für Mathematik SPRACHE: German SWS: 4 SWS CREDITS: 5 CP WORKLOAD: 150 h ANGEBOTEN IM: each winter semester

INFOS

Computer Architecture
(Rechnerarchitektur) – Lecture (2 SWS)
Computer Architecture
(Rechnerarchitektur) – Excercise (2 SWS)


PRÜFUNGUNGSFORM

Written final exam of 120 minutes


LERNFORM

Lecture (as slides and blackboard) and exercises in which the concepts and techniques presented are implemented in practice, some with computer exercises.


LERNZIELE

After successfully completing the module
- the students know correlations between and have detailed knowledge of the components and the functioning of modern computer systems. In addition to the processor, this also includes the storage system and the interfaces to other system components
- On the basis of this knowledge, the students are able to evaluate computer systems and their components with regard to various metrics, such as energy consumption, computing power, memory performance, etc. for their suitability for a specific task
- the students have understood the basic mode of operation and the basic structure of processors on the level of the micro-architecture and are able to analyze the influence of architectural features, such as pipelining or out-of-order execution, on the execution of instructions


INHALT

The computer architecture course deals with the structure and function of modern processors and computer systems. Based on basic computer structures such as the Von Neumann and Harvard architecture, the structure, classification and technical implementation of computer systems are presented. The programming at the assembly level and the processing of programs by a processor are explained. This is followed by methods for evaluating the performance of processors on the basis of standardized benchmarks and various metrics in order to be able to classify the results.
The main focus of the lecture is the in-depth analysis of the micro-architecture level of a processor, whereby both the data path and the control unit are developed and explained step by step in the course of the lecture. On the basis of the processor presented in the lecture, modern processes for increasing performance and their areas of application are presented. In addition to the actual processor, the memory system of modern computers and various interfaces to internal and external components of the computer system are also dealt with.
All topics are explained with current examples from different areas of technology, so that in addition to the example processor with MIPS architecture presented in detail, modern high-performance processors with x86-64 ISA, processors for embedded systems based on the ARM architecture, extremely energy-saving processors based on the MSP430 like they are used in IoT devices, for instance, and application-specific special processors based on the Tensilica Xtensa platform are presented.


VORAUSSETZUNGEN

None


VORAUSSETZUNGEN CREDITS

Passed examination


EMPFOHLENE VORKENNTNISSE

The students should have a general interest in technical systems and their use for processing tasks. Furthermore, the ability for structured, algorithmic thinking as well as the understanding of complex dependencies and interaction patterns are required.


LITERATUR

1. A. S. Tanenbaum: „Computerarchitektur“, Pearson, 2005
2. A. S. Tanenbaum: „Computerarchitektur. Strukturen – Konzepte – Grundlagen“,
Pearson, 2006
3. J. LR. Hennessy, D. Patterson: „Rechnerorganisation und Rechnerentwurf:
Die Hardware/Software-Schnittstelle“, Oldenbourg Verlag, 2011
4. A. S. Tanenbaum: „Strukctured Computer Organization“, Prentice Hall, 2005
5. C. Siemers, A. Sikora: „Taschenbuch Digitaltechnik“, Hanser Fachbuchverlag, 2002