Technische Informatik 1 - Rechnerarchitektur

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Kürzel

TI1

Modulnummer

141140

Leistungspunkte (Credits)

5 CP

Workload

150 Stunden

Semesterwochenstunden

4 SWS

Turnus

jedes Wintersemester

Unterrichtssprache

Deutsch

Aktuelle Informationen wie Vorlesungstermine, Räume oder aktuelle Dozent*innen und Übungsleiter*innen

 

Lehrveranstaltungen

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

Modulbeauftragte/r, aktuelle Dozent*innen und Übungsleiter*innen
Inhaber*in der Professur „Eingebettete Systeme“

https://www.esit.ruhr-uni-bochum.de/

Empfohlene Vorkenntnisse
Die Studierenden sollten ein generelles Interesse an technischen Systemen und deren Einsatz zur Bearbeitung von Aufgaben mitbringen. Des Weiteren werden die Fähigkeit für strukturiertes, algorithmisches Denken sowie das Erfassen von komplexen Abhängigkeiten und Interaktionsmustern vorausgesetzt.
Teilnahmevoraussetzungen
keine
Lernziele (Lerning Outcomes)
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.

Lernformen
Vorlesung (als Folien und Tafelvortrag) und Übungen, bei denen die vorgestellten Konzepte und Techniken praktisch umgesetzt werden, teilweise mit Rechnerübungen.
Prüfungsformen
Schriftliche Modulabschlussprüfung über 120 Minuten
Vorraussetzung für die Vergabe von Kreditpunkten
Bestandene Modulabschlussprüfung
Empfohlene 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