Kurs: Rechnerarchitektur

Was du in 6 Einheiten lernst

1. 1

   Abstraktion und Rechenleistung

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   Erkläre die Abstraktionsschichten von Anwendungen bis zu Transistoren und miss die Rechenleistung mit Ausführungszeit, CPI, Taktrate und dem amdahlschen Gesetz.

   5 Lernziele

   Was du lernst

   1. 1.Beschreibe die Schichten eines Rechnersystems und seine Hardware-Software-Schnittstelle
   2. 2.Definiere und miss die Rechenleistung
   3. 3.Berechne die Ausführungszeit mit der CPU-Leistungsgleichung
   4. 4.Schätze mit dem amdahlschen Gesetz den Nutzen einer Verbesserung ab
   5. 5.Erkläre die Power Wall und den Übergang zu Mehrkernprozessoren
2. 2

   Befehlssätze und Assemblersprache

   Lies und schreibe einfache RISC-V-Assemblersprache und erkläre, wie Befehle, Register, Speicheradressierung und Prozeduraufrufe Code aus höheren Programmiersprachen umsetzen.

   6 Lernziele

   Was du lernst

   1. 1.Beschreibe, wie Befehle, Register und Speicheroperanden funktionieren
   2. 2.Führe Berechnungen und Vergleiche aus und steuere den Programmablauf
   3. 3.Kodiere und dekodiere RISC-V-Maschinenbefehle
   4. 4.Implementiere Prozeduraufrufe mit Registern und dem Stack
   5. 5.Verfolge ein Programm vom Quellcode bis zum laufenden Prozess
   6. 6.Vergleiche RISC- und CISC-Befehlssatzentwürfe
3. 3

   Rechnerarithmetik

   Erkläre, wie Hardware ganze Zahlen addiert, subtrahiert, multipliziert und dividiert, Überläufe erkennt und Gleitkommazahlen darstellt und rundet.

   5 Lernziele

   Was du lernst

   1. 1.Addiere und subtrahiere ganze Zahlen und erkenne Überläufe
   2. 2.Entwirf eine arithmetisch-logische Einheit
   3. 3.Multipliziere und dividiere ganze Zahlen in Hardware
   4. 4.Stelle reelle Zahlen als Gleitkommazahlen nach IEEE 754 dar
   5. 5.Rechne und runde mit Gleitkommazahlen
4. 4

   Prozessor-Datenpfad und Pipelining

   Verfolge Befehle durch einen Einzyklus-Datenpfad und einen Pipeline-Datenpfad und erkläre, wie Konflikte durch Forwarding, Anhalten der Pipeline und Sprungvorhersage behandelt werden.

   5 Lernziele

   Was du lernst

   1. 1.Baue einen Einzyklus-Datenpfad auf
   2. 2.Entwirf das Steuerwerk für den Einzyklusprozessor
   3. 3.Unterteile den Datenpfad in Pipelinestufen
   4. 4.Erkenne und behebe Datenkonflikte
   5. 5.Behandle Steuerkonflikte und sage Sprünge voraus
5. 5

   Speicherhierarchie und Caches

   Erkläre, wie Caches Lokalität ausnutzen, berechne Trefferraten und die mittlere Speicherzugriffszeit und beschreibe, wie virtueller Speicher und TLBs in die Speicherhierarchie eingebunden sind.

   6 Lernziele

   Was du lernst

   1. 1.Erkläre, warum Rechner eine Speicherhierarchie nutzen
   2. 2.Finde Daten in direkt abgebildeten und satzassoziativen Caches
   3. 3.Erkläre Cache-Fehlzugriffe und Schreibstrategien
   4. 4.Berechne die Leistungskennwerte eines Caches
   5. 5.Erkläre, wie virtueller Speicher und TLBs in die Speicherhierarchie eingebunden sind
   6. 6.Schreibe Programme unter Berücksichtigung des Cacheverhaltens
6. 6

   Mehrkernprozessoren

   Vergleiche Befehls-, Daten- und Threadparallelität und erkläre, wie Mehrkernprozessoren, GPUs und Cluster Arbeit aufteilen und den Speicher kohärent halten.

   5 Lernziele

   Was du lernst

   1. 1.Erkläre, woraus Parallelität entsteht und wie parallele Hardware klassifiziert wird
   2. 2.Bestimme rechnerisch und durch Messungen die Grenzen des parallelen Speedups
   3. 3.Nutze Datenparallelität mit SIMD, Vektorprozessoren und GPUs
   4. 4.Nutze Speicher gemeinsam über mehrere Kerne und halte die Caches kohärent
   5. 5.Erkläre, wie Cluster und Warehouse-Scale Computer Arbeit über Netzwerke verteilen