Einführung in die Rechnerarchitektur - Cheatsheet.pdf

Grundlegende Komponenten eines Computers

Definition:

Beinhaltet die wesentlichen Bestandteile, die zur Funktion eines Computers notwendig sind.

Details:

• Zentraleinheit (CPU): Führt Berechnungen und Steuerungen durch.
• Arbeitsspeicher (RAM): Speichert Daten und Programme temporär.
• Massenspeicher: Langzeitaufbewahrung von Daten (z.B., HDD, SSD).
• E/A-Geräte: Schnittstellen für Benutzer und externe Geräte (z.B., Tastatur, Monitor).
• Mainboard: Verbindet alle Komponenten und ermöglicht Datenfluss.
• Busse: Transportieren Daten zwischen den Komponenten (z.B., Datenbus, Adressbus).

Von-Neumann-Architektur vs. Harvard-Architektur

Definition:

Von-Neumann-Architektur und Harvard-Architektur sind zwei grundlegende Architekturen für Computer, die sich hauptsächlich durch die Art und Weise unterscheiden, wie sie Speicher und Datenpfade behandeln.

Details:

• Von-Neumann-Architektur:
• Ein einziger Speicher für Programme und Daten
• Ein gemeinsamer Bus für Daten und Anweisungen
• Kann zu einem Flaschenhals führen (von-Neumann-Flaschenhals)
• Harvard-Architektur:
• Getrennter Speicher für Programme und Daten
• Separater Bus für Daten und Anweisungen
• Erlaubt schnellere Datenzugriffe im Vergleich zur Von-Neumann-Architektur

Pipeline-Architekturen und ihre Optimierung

Definition:

Technik zur Erhöhung der Befehlsverarbeitungsgeschwindigkeit durch parallele Bearbeitung mehrerer Befehlsphasen.

Details:

• Stages: Fetch, Decode, Execute, Memory, Write Back
• Daten- und Kontrollabhängigkeiten beachten
• Stall: Pausieren der Pipeline zur Vermeidung von Konflikten
• Forwarding: Latenzminderung durch Ergebnisweitergabe innerhalb der Pipeline
• Branch Prediction zur Verringerung von Kontroll-Dependenz-Verzögerungen
• Superskalares Design: Mehrere Befehle pro Taktzyklus
• Out-of-Order Execution für effiziente Nutzung von Ressourcen
• Hazards: Struktur-, Daten- und Kontroll-Hazards
• \text{IPC} (Instructions per Cycle) als Leistungsmaß

Einführung in Assemblersprachen

Definition:

Maschinennahes Programmieren, direkter Zugriff auf Hardware und Speicher.

Details:

• Assembler: Low-Level-Programmiersprache, enge Verbindung zur Maschinenarchitektur.
• Instruktionen bestehen aus mnemonischen Codes und Operanden.
• Konzepte: Register, Direkt- und Indirektadressierung, Bedingte und Unbedingte Sprünge.
• Wichtig für Systemprogrammierung und Performance-Kritische Anwendungen.
• Beispiele: x86, ARM Assembler.
• Debugger und Assembler Tools: gdb, NASM.
• Syntax: MOV AX, 1

Struktur und Funktion von Cache-Speichern

Definition:

Cache-Speicher: Schneller, kleiner Speicher zwischen CPU und Hauptspeicher, minimiert Zugriffszeit auf Daten.

Details:

• Mehrstufige Hierarchie: L1, L2, L3
• Assoziativität: direkt, n-way, voll assoziativ
• Cache-Kohärenz: Konsistenz bei Multi-Core-Prozessoren
• Mapping: Direktabbildung, set-assoziativ, voll-assoziativ
• Cache-Blöcke: Blöckgröße beeinflusst Leistung
• Ersatzstrategien: LRU, FIFO, Random
• Schreibstrategien: Write-through, Write-back

Mehrkernprozessoren und Parallelverarbeitung

Definition:

Mehrere Rechenkerne in einer einzigen CPU, um mehrere Aufgaben gleichzeitig zu bearbeiten.

Details:

• Erhöhte Leistungsfähigkeit durch parallele Verarbeitung.
• Wichtige Konzepte: Lastverteilung, Synchronisation, Speicherzugriffskonflikte.
• Gesetz von Amdahl: \( S = \frac{1}{(1 - P) + \frac{P}{N}} \) beschreibt die Beschleunigung \( N \)-fach paralleler Ausführung, \( P \) paralleler Codeanteil.
• Verwendungszwecke: Wissenschaftliche Berechnungen, Datenbanken, Bild- und Videoverarbeitung.

Datenpfade und Durchsatzoptimierung

Definition:

Datenpfade und Durchsatzoptimierung zielen darauf ab, die Effizienz eines Rechners durch optimierte Datenbewegungen und parallele Verarbeitung zu maximieren.

Details:

• Datenpfad: Weg, den Daten innerhalb einer CPU nehmen.
• Einheiten: Register, ALUs, Speicher.
• Durchsatz: Menge der verarbeiteten Daten in einer bestimmten Zeit.
• Optimierung: Pipelining, Parallelismus, Speicherhierarchie.
• Pipelining: Mehrere Instruktionen gleichzeitig in verschiedenen Stufen verarbeiten.
• Parallelismus: Mehrere Operationen gleichzeitig ausführen (z.B. SIMD, MIMD).
• Speicherhierarchie: Cache, Hauptspeicher, Festplattenspeicher zur Reduktion der Zugriffszeiten.
• Bedeutung: Höherer Durchsatz = bessere Leistung.

Virtueller Speicher und Speicherverwaltung

Definition:

Virtueller Speicher: Methode der Speicherverwaltung, die dem Benutzer größere Speicherbereiche zur Verfügung stellt, als physisch vorhanden sind.

Details:

• Virtueller Speicher = Logischer Adressraum > Physischer Adressraum
• Paging: Aufteilung in gleich große Blöcke (Pages und Page Frames)
• Segmentation: Aufteilung in logische Segmente unterschiedlicher Größe
• Page Table: Verknüpfung logischer und physischer Adressen
• TLB (Translation Lookaside Buffer): Cache für schnelle Adressübersetzung
• Page Fault: Zugriff auf nicht im physischen Speicher befindliche Daten
• Speicherverwaltungstechniken: Demand Paging, Swapping
• Wichtige Formeln: Effektive Zugriffzeit (EAT) \[ EAT = (1-p) \times MA + p \times (PageFaultServiceTime + MA) \]
• Speicherschutz: Read/Write/Execute-Berechtigungen