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Universitat Hamburg

MIN-FakultatDepartment Informatik

Ubersicht Rechnerstrukturen

64-040 Modul IP7: Rechnerstrukturen0. Einfuhrung und Organisatorisches

Norman Hendrich & Jianwei Zhang

Universitat HamburgMIN Fakultat, Department InformatikVogt-Kolln-Str. 30, D-22527 Hamburg

{hendrich,zhang}@informatik.uni-hamburg.de

WS 2010/2011

Hendrich & Zhang 1

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Inhalt

UbersichtThemenTerminplanung

OrganisatorischesVorlesungUbungenPraktikumTutoriumKlausur

LiteraturempfehlungenSoftware

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Modul Rechnerstrukturen: Motivation

Das Pflichtmodul Rechnerstrukturen vermittelt ein begrenztes undwohl ausgewahltes Theorie- und Methodenrepertoire furKonfigurierung, Entwurf, Realisierung und angemessene Nutzungvon Rechnern und Kommunkationsnetzen sowie ihrerBasiskomponenten unter Berucksichtigung technologischer,okonomischer und anwendungsspezifischer Randbedingungen.

. . . Grundlegende Konzepte, Organisationsformen undEntwurfsmethoden von Rechnerarchitekturen und derenVernetzung, einschließlich der Betriebssoftware. . .

www.informatik.uni-hamburg.de/Info/Studium/BSc/Module/

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Modul Rechnerstrukturen: Lernziele

I Leitbild: eine der tragenden Saulen der Informatik

I Faktenwissen: Grundkenntnisse uber digitale Rechner

I Methodenwissen: Analyse und Synthese von technischen Systemen

I Transferkompetenz: Anwendungen der Methoden der technischenInformatik, Verstandnis von zeitlichen Abfolgen, Zusammenspiel vonSoftware- und Hardwarekomponenten

I Normativ-bewertende Kompetenz: Urteilsvermogen zur Analyse vonRechnerarchitekturen und deren Komponenten

I Schlusselqualifikationen: Kooperations- und Teamfahigkeit,Problemlosungskompetenz, Abstraktionsvermogen, Anwendung vonEntwurfsmethoden, Befahigung zur Analyse und Synthese vontechnischen Systemen

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Informatik-BSc: Ubersicht

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Ubersicht - Themen Rechnerstrukturen

Rechnerstrukturen: Themen

I Einfuhrung

I Grundprinzip des von-Neumann Rechners

I Abstraktionsschichten, virtuelle Maschinen

I Hardware-/Software-Schnittstelle

I Informationsbegriff und -theorie, Codierung

I Entwurf von digitalen Schaltungen

I Grundkomponenten des Rechners, Realisierungsaufwand

I Rechnerarchitektur

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Ubersicht - Themen Rechnerstrukturen

Themenubersicht

Teil 1I Information und ReprasentationI Zahldarstellung und ArithmetikI Boole’sche Algebra und -FunktionenI Schaltnetze und SchaltwerkeI Entwurf digitaler SchaltungenI Komponenten der Register-Transfer Ebene

Teil 2I RechnerarchitekturI Befehlssatze, CISC- und RISC-ArchitekturI Maschinen- und AssemblerprogrammierungI Speicherhierarchie und SpeicherverwaltungI I/O-Operationen, InterruptsI Leistungsbewertung, Parallelrechner

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Ubersicht - Terminplanung Rechnerstrukturen

Terminubersicht Teil 1

18.10 20.10 Einfuhrung, von-Neumann Konzept

25.10 27.10 Information, Zahldarstellung

01.11 03.11 Arithmetik, Textcodierung

08.11 10.11 Informationstheorie, Optimalcodes

15.11 17.11 Boole’sche Algebra, bitweise Operationen

22.11 24.11 Schaltfunktionen, Normalformen

29.11 01.12 Schaltnetze, Gatter, Rechenwerke

06.12 08.12 Schaltwerke, Flipflops, Entwurf von Schaltungen

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Terminubersicht Teil 2

13.12 15.12 Register-Transfer-Ebene, ISA, Befehlsformate

03.01 05.01 x86-Architektur, Assemblerprogrammierung

10.01 12.01 Funktionsaufrufe, Stack

17.01 19.01 Datenstrukturen, Speicherhierarchie

24.01 26.01 Speicherhierarchie, Virtueller Speicher

01.02 03.02 Pipeline, Parallelrechner

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Feedback erwunscht

Bitte alle Fehler und Ungenauigkeiten in den Folien undMaterialien melden. Ebenso bitte Feedback bei Unklarheiten etc.!

Vorschlage und Hinweise auf Tools, schone Lehrmaterialien etc.sind immer willkommen!

[email protected]@informatik.uni-hamburg.de

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Kontakt

Dr. Norman [email protected]+4940 42883 2399Informatikum, Haus F314

Prof. Dr. Jianwei [email protected]+4940 42883 2430Informatikum, Haus F310Sprechstunde: Donnerstag 14:00-16:00

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Organisatorisches - Vorlesung Rechnerstrukturen

Vorlesung

I Mo 14:30-16:00 Horsaal A, ESA-1Mi 10:15-11:45 Erzwiss-H, VMP-8 (4 SWS)

I Skript (Folien) und Materialien werden gestelltI Uberarbeitung wahrend des SemestersI diverse gute Lehrbucher verfugbar — Empfehlungen s.u.

I Assemblerprogrammierung: x86 mit GNU-ToolchainI unter Windows: Cygwin mit GNU-Toolchain

I eingestreute Hinweise auf aktuelle Themen und VertiefungI Informationen und Downloads auf der Webseite:

http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2010ws/vorlesung/rs/Hendrich & Zhang 12

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Organisatorisches - Ubungen Rechnerstrukturen

Ubungen

I dreizehn Gruppen geplant, Details siehe KVV/Webseite

I 1 SWS, wochentlich

I Diskussion und Nachbereitung der Vorlesung

I Gruppenarbeit erwunscht (max. 3 Teilnehmer pro Gruppe)

I Ubungsaufgaben zum Vertiefen und Erarbeiten des Stoffes

I Aufgabenblatter jeweils Montag zum Download verfugbar

I Abgabe der Losungen schriftlich bis nachsten Montag 12:00beim Gruppenleiter oder im TAMS-Sekretariat

http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2010ws/vorlesung/rs/uebungen/

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Ubungen: Scheinkriterien

I regelmassige aktive Teilnahme

I mindestens zweimal an der Tafel vorrechnen

I hochstens zweimal (entschuldigt) gefehlt

I alle Aufgabenblatter bearbeitet

I jeweils mindestens 30 % der Punkte pro Aufgabenblatt

I und mindestens 50 % der Gesamtpunktzahl

http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2010ws/vorlesung/rs/uebungen/scheinkriterien.pdf

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Ubungen: Gruppeneinteilung / Wechselwunsche?

I Ubungen beginnen in der zweiten Vorlesungswoche

I Anmeldung und Ranking letzte Woche uber STiNE

I Auslastung derzeit noch nicht bekannt

I jeweils zwei Gruppen parallel: einfache Wechselmoglichkeit

I Ausgleich der Gruppengroße in der ersten Woche

I Wechselwunsche: bitte zur gewunschten Gruppe erscheinen, vorOrt in Warteliste eintragen

I spaterer Wechsel bei freien Platzen nach Rucksprache mit denGruppenleitern moglich (Ubertragung der Punkte, etc.)

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Organisatorisches - Praktikum Rechnerstrukturen

Praktikum

I Blockkurse a 4 Termine zu je 3 h (1 SWS)

I Vorbereitung unbedingt erforderlich

I Erarbeiten und Programmieren eines einfachen Prozessors

I Komponenten auf der Register-Transfer-Ebene

I Zeitverhalten, Speicheransteuerung

I Mikroprogrammierung

I Assemblerprogrammierung

I I/O-Operationen und Interrupts

http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2010ws/praktikum/rechprak/

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Organisatorisches - Tutorium Rechnerstrukturen

Tutorium

I ab dieser Woche, wochentlich

I freiwillig, Nacharbeiten von Stoff und Ubungen

I Diskussion, Fragen: mehr Zeit als in der Ubung

I Di. 16-18 F-235

I Do. 12-14 F-009

I Paniktutorium: Vorbereitung auf die Klausur

I Mi. 09/02/2011, 14:30-19:00 D-125 (optional B-201)

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Organisatorisches - Klausur Rechnerstrukturen

Klausur

I Abschlussprufung des Moduls Rechnerstrukturen

I Note geht in BSc-Zeugnis ein

I insgesamt zwei Klausurtermine in den Semesterferien

I 14/02/2011 13:00-15:00 Audimax 1

I 24/03/2011 09:00-12:00 Audimax 1

punktlich kommen!

I Tipp: moglichst bereits die erste Klausur mitschreiben

I zweite Klausur fallt oft schlechter aus (leider)

http://www.informatik.uni-hamburg.de/pa/klausurtermine.shtml

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Organisatorisches - Klausur Rechnerstrukturen

Meinungsbild: Probeklausur?!

I haufig gewunscht, aber aufwandig. . .

I Entscheidung fallt wahrend des Semesters

I Umfang und Fragen wie”echte“ Klausur

I vermutlich im Rahmen des Tutoriums (2-stundig)

I Korrektur durch Ubungsgruppenleiter?

I Besprechung in den Ubungen

I Termin: vorletzte Semesterwoche?

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Literaturempfehlungen Rechnerstrukturen

Literatur: Empfohlene Lehrbucher

I Randal E. Bryant and David O’Hallaron,Computer Systems — A programmers perspective,Pearson Prentice Hall, 2nd. Ed., 2010

Rechnerarchitektur mit Schwerpunkt Software und Systeme, leider nicht ganz billig. Viele C-Programme undSystemprogrammierung. Beispiele anhand Intel x86 Architektur. Keine wesentlichen Anderungen gegenuberder Erstauflage von 2003.

I Andrew S. Tanenbaum,Structured Computer Organization / Computerarchitektur,5th. edition, Pearson Prentice Hall, 2006

Guter Uberblick, klares didaktisches Konzept. Java VM, Intel x86, SPARC. Mit jeder Auflage komplettuberarbeitet und aktualisiert.

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Literatur: weitere Lehrbucher

I David A. Patterson and John L. Hennessy, ComputerOrganization and Design — the hardware/software interface,4th edition, Morgan Kaufmann, 2009

Schones Lehrbuch von den Entwicklern der RISC/MIPS Prozessoren.

I David A. Patterson and John L. Hennessy, Rechnerorganisationund -entwurf — die Hardware/Software-Schnittstelle3. Auflage, Spektrum Verlag, 2005

Die deutsche Ubersetzung, leider eine Auflage zuruck: die aktuellen Erganzungen wie z.B. Multi-CoreMaschinen fehlen. Mehrere Exemplare in der Informatik-Bibliothek.

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Literatur: weitere Lehrbucher

I Schiffmann und Schmitz,Technische Informatik 1, Grundlagen der digitalen ElektronikTechnische Informatik 2, Grundlagen der ComputertechnikSpringer Verlag, 2004, 2005

I Schiffmann und Schmitz,Ubungsbuch zur Technischen Informatik 1 und 2Springer Verlag, 2003Dutzende von Ubungsaufgaben mit detailliert entwickelten Losungen.

I Miles Murdocca and Vincent Heuring,Computer Architecture and Organization, An IntegratedApproach John Wiley and Sons, 2007

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Literatur: aus Hamburg

I Klaus Lagemann,Rechnerstrukturen,Springer Verlag, 1987.

I Dietmar Moller,Rechnerstrukturen, Grundlagen der Technischen Informatik,Springer Verlag, 2003

I Dietmar Moller und Martin Lehmann,Skript zur Vorlesung RechnerstrukturenUni Hamburg, 2008

I Andreas Mader,Skript zur Vorlesung Rechnerarchitektur und MikrosystemeUni Hamburg, 2008

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Literatur: Assemblerprogrammierung

I Randy Hyde,Art Of Assembly Language Programming,online zum Download verfugbar unterhttp://homepage.mac.com/randyhyde/webster.cs.ucr.edu/www.artofasm.com/index.html

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Literatur: Vertiefung

I John L. Hennessy and David A. Patterson,Computer Architecture — A Quantitative Approach,4th. edition, Morgan Kaufmann, 2007Die Bibel zum Thema Rechnerarchitektur

I Donald E. Knuth, The Art of Computer Programming:Volume 1 Fascicle 0: MMIXVolume 4 Fascicle 0: Boolean FunctionsVolume 4 Fascicle 1: Bitwise Tricks and Techniques, BinaryDecision Diagrams Addison-Wesley, 2006-2009

I Giovanni de Micheli Synthesis and Optimization of DigitalCircuits, McGraw-Hill, 1994

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Literatur: uber den Tellerrand hinaus

I Reiner Hartenstein, Standort Deutschland: Wozu nochMikro-Chips, IT-Press Verlag, 1994 (vergriffen)

I Tracy Kidder, The soul of a new machine, diverse Verlage, 1981

I Jeff Hawkings, On Intelligence, Times Books, 2004

I Raul Rojas, Neural Networks — A Systematic Introduction,Springer (1996)page.mi.fu-berlin.de/rojas/neural/

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Software Rechnerstrukturen

Software

I Java-VM fur diverse Programmierbeispiele

I Hades Schaltungssimulatorhttp://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades/

I Assembler und Tools, Debugger

I C-Compiler

I GNU-Toolchain empfehlenswert: gcc, binutils, gdb

I Insight-Debugger als Frontend zu gdb

I Unter Windows: Cygwin mit Development-Tools installierenhttp://www.cygwin.com/

I Links und weitere Infos auf der Webseite zur Vorlesung

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