Technische Informatik 1 - Rechnerarchitektur

NUMMER:	141142
KÜRZEL:	TI1
MODULBEAUFTRAGTE:R:	Dr. rer. nat. Philipp Niemann
DOZENT:IN:	Vertr.-Prof. Dr. rer. nat. Philipp Niemann
FAKULTÄT:	Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
SPRACHE:	Deutsch
SWS:	4 SWS
CREDITS:	5 CP
ANGEBOTEN IM:	jedes Wintersemester

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VERANSTALTUNGSART

Vorlesung mit Übung

PRÜFUNGEN

FORM:	schriftlich
TERMIN:	Siehe Prüfungsamt.

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 CREDITS

Bestandene Modulabschlussprüfung

EMPFOHLENE VORKENNTNISSE

Es 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

AKTUELLE INFORMATIONEN

Für Studierende nach PO 20 finden die Übungen Montags statt, siehe abweichenden Link im VVZ:
https://vvz.ruhr-uni-bochum.de/campus/all/event.asp?objgguid=0x5902D2B7D26044D3A9DF1E9C57BDE885&from=vvz&gguid=0xD525E8D157C84DAB9AF4E2C6CDD15C03&mode=own&tguid=0xBEC4EBD3E08E451BB6DEBD69F230152F&lang=de

SONSTIGE INFORMATIONEN

Die Übungen werden zwecks Vorbereitung den Studierenden spätesten eine Woche vor dem Übungstermin im Netz zum Download bereitgestellt. Die Durchführung der Übungen (Erarbeitung der Ergebnisse im Dialog mit den Studierenden) erfolgt nicht in einem festen Zeitraster, sondern gemäß dem Vorlesungsfortschritt.
Aktuelle Informationen wie Vorlesungstermine, Räume oder aktuelle Dozent*innen und Übungsleiter*innen sind im Vorlesungsverzeichnis der Ruhr-Universität https://vvz.rub.de/ und im eCampus https://www.rub.de/ecampus/ecampus-webclient/ zu finden.