Rechnerstrukturen
Semester
Wintersemester
Anrechenbar im
Bachelor/Master
Leistungspunkte
4 bzw. 5 (siehe individueller Modulkatalog)
Dozent
Betreuer
E-Mail
Lernziele
Aufbauend auf dem Verständnis der von-Neumann-Architektur und der RISC-Prozessoren soll der Studierende die quantitativen Abhängigkeiten beim Rechnerentwurf verstehen und diese Kenntnisse anhand aktueller superskalarer Architekturen anwenden.
Stoffplan
- Ziele der Rechnerarchitektur
- Leistungssteigerung
- S-Kurve
- Limits
- Entwicklungoptionen
- Überblick der folgenden Vorlesungsinhalte
- Performance und Kosten
- Performance und Speedup
- Probleme, Gesetz von Amdahl
- CPI, MIPS, FLOPS
- Benchmarks
- Befehlssatzdesign
- Befehlsformate
- Konstanten, Speicherzugriff und Adressierungsmodi
- Sprungdistanzen
- Kontrollbefehle
- Compilereinfluss und -optimierung
- Register-Allokation
- ALU-Entwurf
- 1-bit ALU
- 32-bit ALU
- Addition mit ripple carry vs carry look ahead
- Multiplikation
- Datenpfad
- MIPS Befehlssatz
- Taktschema
- Single-Cycle-Datenpfad
- Multi-Cycle-Datenpfad
- Pipeline-Datenpfad
- Konfliktbehandlung
- Forwarding
- Cache
- Lokalität
- Prinzipien der Speicherhierarchie
- Kosten
- Mapping und Suche
- Ersetzung
- Konsistenz und Kohärenz
- Superskalarität Grundlagen
- Beschränkungen skalarer Pipelines
- Definition Superskalarität
- VLIW
- EPIC
- Komponenten superskalarer Prozessoren
- Sprungvorhersage (Prediction)
- Auszeichnung (Predication)
- Registerumbenennung
- Befehlszuweisung
- Ausführung
- Retirement
- Scheduling
- Parallelrechner
- Motivation: Leistungssteigerung durch Parallelität
- Geschichte
- Architekturen (SIMD, MIMD, MIMD, Cluster, ccNUMA, Grid, Cloud)
- GPU, GPGPU
- Kommunikation, Routing, Verbindungsnetzwerke, Lastverteilung
- Multithreading und Multicore
- Multithreading
- Simultaneous Multithreading (SMT)
- Multicore
- Kombination und Zusammenarbeit von Systemen
- Symmetric Multiprocesssing (SMP)
- Asymetric Multiprocessing (AMP)
- Big/Little-Architekturen
- System in System
- Aggregation vs Disaggregation
- Speicerhzugriffe (DMA, PCIe, RDMA, CXL, Infiniband)
- Sicherheit(-slücken) in Rechnerarchitektur
- Seitenkanalangriffe
- Ursachen
- Fallstudien Meltdown und Spectre
- Gegenmaßnahmen
Vorkenntnisse
- Grundlagen digitaler Systeme (notwendig)
- Programmieren (notwendig)
- Grundlagen der Rechnerarchitektur (notwendig)
Voraussichtlicher Ablaufplan
| KW: Datum | Di 11:30 | Fr 8:15 |
|---|---|---|
| 42: 12.10.26 | V1 Ziele der Rechnerarchitektur | |
| 43: 19.10.26 | V2 Performance und Kosten | V3 Befehlssatzdesign |
| 44: 26.10.26 | U1 Performance | V4 ALU-Entwurf |
| 45: 02.11.26 | V5 Datenpfad | U2 Befehlssatzdesign |
| 46: 09.11.26 | U3 ALU-Entwurf | V6 Datenpfad |
| 47: 16.11.26 | U4 Datenpfad | V7 Cache |
| 48: 23.11.26 | U5 Pipelining | V8 Superskalarität Grundlagen und Komponenten |
| 49: 30.11.26 | U6 Speicher | V9 Komponenten superskalarer Prozessoren |
| 50: 07.12.26 | U7 Cache | V10 Parallelrechner |
| 51: 14.12.26 | U8 Sprungvorhersage | V11 Multithreading und Multicore |
| 52: 21.12.26 | - | - |
| 53: 28.12.26 | - | - |
| 1: 04.01.27 | - | - |
| 2: 11.01.27 | U9 | V12 Kombination und Zusammenarbeit von Systemen |
| 3: 18.01.27 | U10 | V13 Sicherheit(-slücken) in der Rechnerarchitektur |
| 4: 25.01.27 | Repetitorium |
Literaturempfehlungen
- Hennessy, John L., Patterson, David A., Computer-Architecture: A Quantitative Approach, ISBN: 0123704901, Morgan Kaufmann Publishers, 4th edition Bk&Cdr, 2006
- Brinkschulte, Ungerer: Mikrocontroller und Mikroprozessoren, Springer 2002, ISBN: 3540430954 (brosch.), Springer, Berlin, 2002
Anmeldung und weitere Infos
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Evaluation
- WS25/26 • Vorlesung • Björn Fiedler • Jürgen Brehm • Evaluation (PDF) • Bewertung: 1.8
- WS24/25 • Vorlesung • Jürgen Brehm • Evaluation (PDF) • Bewertung: 1.7