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Computertechnologie: Grundlagen der Rechnertechnik
Dozent: Dr. Harry S. Barowski (TIT05AIC) BA Stuttgart
Übersicht zur Vorlesung
1) Grundlagen eines Rechnersystems
1.1 ISA (instruction set architecture)......................
1.2 Hardware................................................
1.3 Bewertung einer Rechnerarchitektur......................
1.4 Implementierung.........................................
1.5 Realisierung............................................
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2) Der von-Neumann-Rechner
2.1 Konzept/Prinzipien
2.2 Beschreibung des Rechners...............................
Kontrollstruktur des von-Neumann-Rechners...............
Hardwarestruktur........................................
Instruktionssatz........................................
Skizze und Funktionsablauf (2-Takt-Schema)..............
Erweiterung des von-Neumann-Rechners....................
2.3 von-Neumann-Rechner heute...............................
2.4 Schwachpunkt: von-Neumann-Flaschenhals..................
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3) Der Harvard-Rechner
3.1 Prinzip.................................................
3.2 Beschreibung und Abgrenzung zu von-Neumann-Konzept
von-Neumann/Harvard-Aspekte in RISC-Rechnersystemen.....
3.3 Grundstruktur eines Rechnersystems......................
Aufbau eines Mikroprozessors............................
4) ISA- Instruktionssatz-Architektur
4.1 Klassen von Instruktionssatz-Architekturen..............
4.2 Instruktionen und Datentypen............................
4.3 Assembler-Programmierung................................
Definition von Operatoren
Definition von Operanden und Symbolen
5) Speichersystem und Speicherhierarchie
5.1 Speicherhierarchie......................................
5.2 Hauptspeicher...........................................
5.3 Byte-Ordering...........................................
5.4 Adressraum..............................................
5.5 Fehlererkennung.........................................
5.6 Register................................................
Mehrzweckregister/Akkumulator......................
Indexregister......................................
Basisadressregister................................
Speicherschutzregister.............................
Interruptregister..................................
6) Adressrechnung und Adressierungsarten
6.1 Grundtypen der Adressrechnung...........................
Arithmetische Verknüpfung
Substitution
Konkatenation
6.2 Adressierungsarten......................................
Direkte Adressierung...............................
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6.3
Indirekte Adressierung.............................
registerindirekt
speicherindirekt
Stackadressierung.............................
Relative Adressierung..............................
bzgl Basisadresse
bzgl Programmzähler
Adressierung mit Indizierung.......................
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Adressierungsarten der Intel x86-Architektur............
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7. Fortschritte in der Mikroarchitektur
7.1 Pipeline-Prozessoren....................................
7.2 Prinzip des Pipeline-Rechners...........................
Veranschaulichung: Synchrone/Asynchrone Pipeline........
7.3 Konflikte bei einem Pipelinerechner.....................
Speicherzugriffskonflikte..........................
Datenabhängigkeiten................................
Methoden zur Konflikterkennung.....................
Scoreboarding
Interlock-Logik
Methoden, um Konflikte zu reduzieren...............
Durchschreiben/Forwarding
Ressourcekonflikte.................................
Kontrollabhängigkeiten.............................
Sprungbefehle und ihr Folgen..................
Abhilfe: Delayed Branches.....................
Abhilfe: Sprungvorhersage.....................
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8. Superskalarrechner
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9. Out-of-Order Prozessor
9.1 Prinzip.................................................
9.2 Register Renaming.......................................
9.3 Reservation Station (Instruktionsbuffer)................
9.4 Reorder Buffer (In-Order Zurückschreiben)...............
Beispiel: PPC601...................................
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10. CISC vs RISC: Änderung des Architekturansatzes
10.1 Hintergrund.............................................
10.2 RISC Architektur - Konzepte/Prinzipien..................
10.3 Optimierende Compiler als Muss..........................
delayed brunch.....................................
bedingte Ausführung................................
10.4 Historie: erste RISC-Architekturen......................
10.5 aktuelle, neue Konzepte: VLIW...........................
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11. Leistungsbewertung von Rechnersystemen
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11.1 Lastbeschreibungen......................................
Instruktions-Mixes......................................
11.2 Kernels/Benchmarks......................................
11.3 Konzepte zur Leistungssteigerung........................
11.4 Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit.......................
11.5 Hardware/Software-Zuverlässigkeit.......................
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12. Multiprozessorsysteme
Array-Rechner...........................................
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12.6
Unterscheidung von Multiprozessoren aufgrund
ihrer Kopplung.....................................
der Speicherorganisation...........................
UMA (uniform memory access)...................
Speicher-Kohärenz.......................................
Speicherkonsistenz......................................
DSM (distributed shared memory).........................
Kommunikationsnetzwerk &
Speicher-Directories.....................
Rechenbeispiel: DSM...........................
NUMA (non uniform memory access)..............
COMA (cache only memory access)...............
Synchronisation...............................
Vektorrechner...........................................
13. Digitaler Signalprozessor
........................................................
14. Realisierung einer ALU
Boolsche Algebra........................................
CMOS-Implementierung der Grundgatter....................
SRAM-Speicherzelle......................................
14.1 Arithmetische Operationen...............................
(2,2) Halbaddierer......................................
(3,2) Volladdierer......................................
14.2 Addiererkonzepte
Carry-Ripple-Addierer..............................
Carry-Lookahead-Addierer...........................
Carry-Skip-Addierer................................
Carry-Select-Addierer..............................
Vergleich der Addierer-Konzepte.........................
14.3 Subtraktion.............................................
14.4 Multiplikation..........................................
Flussdiagramm......................................
Multiplikatioren-Konzepte
Carry-Save-Multiplizierer.....................
Array-Multiplizierer..........................
Wallace-Baum-Multiplizierer...................
14.5 Division
Flussdiagramm: restoring/non-restoring step........
Beispiel (restoring dividing step).................
15. Gleitkommaarithmetik
15.1 IEEE Standard 754.......................................
Zahlenformate und Genauigkeit...........................
Rundungsmodi............................................
Ausnahmebedingungen.....................................
15.2 Addition/Subtraktion von Gleitkommazahlen...............
Algorithmus........................................
15.3 Multiplikation/Division von Gleitkommazahlen............
inkl. Algorithmus
16. Dynamische Sprungvorhersage
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