Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen

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1 Modul InfB-RS: Rechnerstrukturen lectures/2014ws/vorlesung/rs Info zur Organisation Andreas Mäder Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften Technische Aspekte Multimodaler Systeme Wintersemester 2014/2015 A. Mäder 1

2 Info zur Organisation 1. Modul InfB-RS: Rechnerstukturen 2. Organisatorisches Vorlesung Übungen Tutorien Praktikum Klausur 3. Literaturempfehlungen 4. Software A. Mäder 2

3 Modul InfB-RS: Rechnerstukturen Motivation Modulhandbuch Dieses Modul behandelt im Rahmen der Vorlesung ein begrenztes und wohl ausgewähltes Theorie- und Methodenrepertoire für die Konfigurierung, den Entwurf, die Realisierung, und die angemessene Nutzung von Rechnern- und Kommunikationsnetzen sowie ihrer Basiskomponenten, u.a. unter Berücksichtigung technologischer, ökonomischer und anwendungsspezifischer Randbedingungen.... das Verstehen der grundlegenden Konzepte, Organisationsformen und Entwurfsmethoden von Rechnerarchitekturen und deren Vernetzung, einschließlich der Betriebssoftware... A. Mäder 3

4 Modul InfB-RS: Rechnerstukturen Informatik BSc A. Mäder 4

5 Modul InfB-RS: Rechnerstukturen Software-System-Entwicklung BSc A. Mäder 5

6 Modul InfB-RS: Rechnerstukturen Rechnerstrukturen: Themen Einführende Grundlagen I Grundbegriffe der Informationsverarbeitung: Information, Repräsentation von Information, Zahlensysteme, Codierung I Rechnerarithmetik: Operationen mit Zahlen, Ganzzahl- und Gleitkomma-Arithmetik I Konzepte der Digitaltechnik: Boolesche Algebra, Schaltnetze, Automatentheorie, synchrone und asynchone Schaltwerke, kooperierende Schaltwerke (Operationswerk, Steuerwerk) I Hardwarestrukturen: Register, Registerbank, Zähler, Speicher, Datenpfade, Bus-Systeme A. Mäder 6

7 Modul InfB-RS: Rechnerstukturen Rechnerstrukturen: Themen (cont.) Rechnerarchitektur I von-neumann-rechner: Prinzipien, Architektur, Befehlssatz I ISA-Konzepte: CISC, RISC I Maschinen- und Assembler-Code und -programmierung I Betriebssystemebene I Pipelining, superskalare Architekturen, Parallelrechner I Speicherhierarchie: Speichertypen, virtueller Speicher, Cache-Organisation B Kommunikation, Schnittstellen und Peripheriegeräte B IC-Schaltungstechnik, VLSI-Entwurf und -Fertigung A. Mäder 7

8 Modul InfB-RS: Rechnerstukturen Feedback erwünscht I Zwischenfragen: bitte Feedback bei Unklarheiten etc.! I Fehler und Ungenauigkeiten in den Folien und Materialien bitte melden I Vorschläge und Hinweise auf Tools, schöne Lehrmaterialien etc. sind immer willkommen! Problem: stark unterschiedliches Vorwissen! I generell: keine speziellen Voraussetzungen I betrifft insbesondere Rechnerstrukturen Geduld, wenn (am Anfang) Stoff schon bekannt kein Frust, wenn sehr speziell, sondern: Eigeninitiative (Fragen, Tutorium, Übungsgruppen... ) A. Mäder 8

9 Modul InfB-RS: Rechnerstukturen Kontakt Dr. Andreas Mäder Informatikum, Haus F-317 A. Mäder 9

10 Organisatorisches - Vorlesung Vorlesung tams.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2014ws/vorlesung/rs I Mi. 16:15-17:45 Erzwiss. H, VMP-8 Fr. 12:15-13:45 Audimax II, VMP-4 (4 SWS) I Folien (pdf) vor der Vorlesung zum Download I Lecture2Go: lecture2go.uni-hamburg.de I diverse gute Lehrbücher Empfehlungen s.u. I Software: JAVA VM, C-Compiler, GNU-Toolchain I Informationen und Downloads auf der Webseite aktuell! I eingestreute Hinweise auf aktuelle Themen und Vertiefung A. Mäder 10

11 Organisatorisches - Übungen Übungen tams.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2014ws/vorlesung/rs/uebungen I neunzehn Gruppen geplant, Details siehe STiNE/Webseite I 1 SWS, wöchentlich I Beginn: nächste Woche! I Diskussion und Nachbereitung der Vorlesung I Gruppenarbeit: 2-3 Teilnehmer pro Gruppe I Übungsaufgaben zum Vertiefen und Erarbeiten des Stoffes I Aufgabenblätter jeweils Mittwochs zum Download verfügbar I Abgabe der Lösungen: bis nächsten Mittwoch 24:00 beim Gruppenleiter (zur Not schriftlich im Sekretariat F-311) A. Mäder 11

12 Organisatorisches - Übungen Übungen: Scheinkriterien I tams.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2014ws/vorlesung/rs/ uebungen/scheinkriterien.pdf I regelmäßige aktive Teilnahme I mindestens zweimal an der Tafel vorrechnen I höchstens zweimal (unentschuldigt) gefehlt I alle Aufgabenblätter bearbeitet I jeweils mindestens 30 % der Punkte pro Aufgabenblatt I und mindestens 50 % der Gesamtpunktzahl A. Mäder 12

13 Organisatorisches - Übungen Übungen: Gruppeneinteilung / Wechselwünsche? I Übungen beginnen in der zweiten Vorlesungswoche I Anmeldung und Ranking letzte Woche über STiNE I derzeit insgesamt 276 Anmeldungen I neunzehn Gruppen á 15 Teilnehmer vorgesehen I Wechselwünsche: bitte zur gewünschten Gruppe erscheinen, vor Ort in Warteliste eintragen I späterer Wechsel bei freien Plätzen nach Rücksprache mit den Gruppenleitern möglich (Übertragung der Punkte, etc.) A. Mäder 13

14 Organisatorisches - Übungen Übungen: Gruppeneinteilung / Wechselwünsche? (cont.) Derzeitige Belegung 14.Okt. Mo F P F P F P F P Di F D F D F P F P Mi 8 9 F F F A. Mäder 14

15 Organisatorisches - Tutorien Tutorien tams.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2014ws/vorlesung/rs/tutorien I freiwillig, Nacharbeiten von Stoff und Übungen I Diskussion, Fragen: mehr Zeit als in der Übung 1. ab nächster Woche, wöchentlich ein Doppeltermin: Donnerstag, Uhr, F-334 (13.11., F-132) + Live-Videostream (Info folgt) 2. Vorbereitung auf die Klausur: Paniktutorium Termin: kurz vor der Klausur, Ort und Zeit werden noch bekanntgegeben A. Mäder 15

16 Organisatorisches - Praktikum Praktikum tams.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2014ws/praktikum/rechprak I nicht für Lehramtsstudiengänge I im laufenden Semester und in der vorlesungsfreien Zeit (Februar, März) I Blockkurse á 4 Termine zu je 3 h (1 SWS) I Vorbereitung unbedingt erforderlich empfohlen 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 A. Mäder 16

17 Organisatorisches - Klausur Klausur I Abschlussprüfung des Moduls Rechnerstrukturen I Note geht in BSc-Zeugnis ein I insgesamt zwei Klausurtermine in den Semesterferien I Do. 05. Feb :00-12:30 Audimax I Do. 05. März :00-12:30 Audimax II pünktlich kommen! I Tipp: möglichst bereits die erste Klausur mitschreiben I zweite Klausur fällt (leider) oft schlechter aus A. Mäder 17

18 Organisatorisches - Klausur Probeklausur I Umfang und Ablauf wie echte Klausur I 2-stündige Klausur + anschließende gemeinsame Korrektur/Besprechung I Termin: vorletzte Semesterwoche? A. Mäder 18

19 Literaturempfehlungen Literatur: empfohlene Lehrbücher [BO14] R.E. Bryant, D.R. O Hallaron: Computer systems A programmers perspective. 2nd new intl. ed., Pearson Education Ltd., ISBN csapp.cs.cmu.edu Rechnerarchitektur mit Schwerpunkt Software und Systeme, leider nicht ganz billig. Viele C-Programme und Systemprogrammierung. Beispiele anhand Intel x86 Architektur. A. Mäder 19

20 Literaturempfehlungen Literatur: empfohlene Lehrbücher (cont.) [TA14] A.S. Tanenbaum, T. Austin: Rechnerarchitektur Von der digitalen Logik zum Parallelrechner. 6. Auflage, Pearson Deutschland GmbH, ISBN Guter Überblick, klares didaktisches Konzept. Java VM, Intel x86, SPARC. Mit jeder Auflage komplett überarbeitet und aktualisiert. [TA13] A.S. Tanenbaum, T. Austin: Structured Computer Organization. 6th edition, Pearson Education Limited, ISBN s.o.; die Originalausgabe A. Mäder 20

21 Literaturempfehlungen Literatur: weitere Lehrbücher [Mu + 09] T. Müller [u. a.]: Technische Informatik I Grundlagen der Informatik und Assemblerprogrammierung. 3. Auflage, vdf, ISBN [Gu + 10] R. Gübeli [u. a.]: Technische Informatik II Mikroprozessor-Hardware und Programmiertechniken. 2. Auflage, vdf, ISBN [PH14] D.A. Patterson, J.L. Hennessy: Computer Organization and Design The Hardware/Software Interface. 5th edition, Morgan Kaufmann Publishers Inc., ISBN Schönes Lehrbuch von den Entwicklern der RISC/MIPS Prozessoren. A. Mäder 21

22 Literaturempfehlungen Literatur: weitere Lehrbücher (cont.) [PH11] D.A. Patterson, J.L. Hennessy: Rechnerorganisation und -entwurf Die Hardware/Software-Schnittstelle. 4. Auflage, Oldenbourg, ISBN Die deutsche Übersetzung; eine Auflage zurück. [SS04] W. Schiffmann, R. Schmitz: Technische Informatik 1 Grundlagen der digitalen Elektronik. 5. Auflage, Springer-Verlag, ISBN [Sch05] W. Schiffmann: Technische Informatik 2 Grundlagen der Computertechnik. 5. Auflage, Springer-Verlag, ISBN A. Mäder 22

23 Literaturempfehlungen Literatur: weitere Lehrbücher (cont.) [SBH11] W. Schiffmann, H. Bähring, U. Hönig: Technische Informatik 3 Grundlagen der PC-Technologie. Springer-Verlag, ISBN [SSW04] W. Schiffmann, R. Schmitz, J. Weiland: Übungsbuch zur Technische Informatik 1 und Auflage, Springer-Verlag, ISBN Dutzende von Übungsaufgaben mit detailliert entwickelten Lösungen. [MH07] M.J. Murdocca, V.P. Heuring: Computer architecture and organization An integrated approach. John Wiley & Sons, ISBN A. Mäder 23

24 Literaturempfehlungen Literatur: Vertiefung [HP12] J.L. Hennessy, D.A. Patterson: Computer architecture A quantitative approach. 5th edition, Morgan Kaufmann Publishers Inc., ISBN Die Bibel zum Thema Rechnerarchitektur [Knu05] D.E. Knuth: The Art of Computer Programming, Volume 1, Fascicle 1, MMIX A RISC Computer for the New Millennium. Addison-Wesley Professional, ISBN A. Mäder 24

25 Literaturempfehlungen Literatur: Vertiefung (cont.) [Knu08] D.E. Knuth: The Art of Computer Programming, Volume 4, Fascicle 0, Introduction to Combinatorial Algorithms and Boolean Functions. Addison-Wesley Professional, ISBN [Knu09] D.E. Knuth: The Art of Computer Programming, Volume 4, Fascicle 1, Bitwise Tricks & Techniques; Binary Decision Diagrams. Addison-Wesley Professional, ISBN [DM94] G. De Micheli: Synthesis and Optimization of Digital Circuits. Mc Graw-Hill, ISBN si2.epfl.ch/~demichel/publications/mcgraw A. Mäder 25

26 Literaturempfehlungen Literatur: aus Hamburg [Lag87] K. Lagemann: Rechnerstrukturen. Springer-Verlag, ISBN [Möl03] D.P. Möller: Rechnerstrukturen: Grundlagen der Technischen Informatik. Springer-Verlag, ISBN [Mäd11] A. Mäder: Vorlesung: Rechnerarchitektur und Mikrosystemtechnik., FB Informatik, 2011, Vorlesungsfolien. tams.informatik. uni-hamburg.de/lectures/2011ws/vorlesung/ram A. Mäder 26

27 Literaturempfehlungen Literatur: Assemblerprogrammierung [Hyd10] R. Hyde: The Art of Assembly Language Programming. 2nd edition, No Starch Press, ISBN A. Mäder 27

28 I Links und weitere Infos auf der Webseite zur Vorlesung A. Mäder 28 Software Software I Java VM für diverse Programmierbeispiele I HADES Schaltungssimulator HAmburg DEsign System tams.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 I Cygwin mit Development-Tools installieren I Linux VM mit vorinstallierter Software (VirtualBox, VMware... )