Grundlagen der Rechnerarchitektur und - organisation - Cheatsheet

Halbleiterphysik und Elektronische Schaltkreise

Definition:

Halbleiterphysik untersucht die Eigenschaften und das Verhalten von Halbleitermaterialien. Elektronische Schaltkreise nutzen diese Eigenschaften zur Umsetzung von logischen Funktionen und Verarbeitung von Signalen.

Details:

• Halbleiter: Materialien mit Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren (z.B. Silizium).
• Leitfähigkeit kann durch Dotierung gezielt verändert werden (p- und n-Typ Halbleiter).
• PN-Übergang: Grundlage für Dioden und Transistoren
• Wichtige Komponenten: Dioden, Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren (MOSFETs).
• Logikgatter (AND, OR, NOT): Grundlage digitaler Schaltkreise.
• CMOS-Technologie: Weit verbreitet für digitale ICs, benötigt p- und n-Kanal MOSFETs.
• Integrierte Schaltkreise (ICs): Kombination vieler Bauelemente auf einem Chip.

Logische Operationen und Boolsche Algebra

Definition:

Boolsche Algebra: Mathematisches System zur Analyse und Vereinfachung von logischen Schaltungen. Logische Operationen: Grundoperationen wie UND, ODER, NICHT. Grundlage für digitale Schaltungen und Computerarithmetik.

Details:

• Grundlegende logische Operationen: UND (\textbf{AND}), ODER (\textbf{OR}), NICHT (\textbf{NOT})
• Erweiterte Operationen: NAND, NOR, XOR, XNOR
• Wahrheitstafeln zeigen die Ergebnisse der Operationen für alle möglichen Eingaben
• Gesetzte der Boolschen Algebra: Identität, Null, Komplement, Dualität
• De Morgan'sche Gesetze: \textbf{NICHT}(\textbf{A} \textbf{UND} \textbf{B}) = \textbf{NICHT} \textbf{A} \textbf{ODER} \textbf{NICHT} \textbf{B} und \textbf{NICHT}(\textbf{A} \textbf{ODER} \textbf{B}) = \textbf{NICHT} \textbf{A} \textbf{UND} \textbf{NICHT} \textbf{B}
• Algebraische Manipulation von Ausdrücken zur Vereinfachung von Schaltungen

RISC- und CISC-Architekturen

Definition:

RISC (Reduced Instruction Set Computer) und CISC (Complex Instruction Set Computer) sind Architekturen, die sich durch die Anzahl und Komplexität der Befehle und deren Implementierung unterscheiden.

Details:

• RISC: Wenige, einfache Instruktionen, die schnell ausgeführt werden.
• CISC: Viele, komplexe Instruktionen, die mehr Funktionen direkt auf Hardware-Ebene anbieten.
• RISC: Fokus auf Software-Optimierung und Compiler-Design.
• CISC: Fokus auf Reduktion der Anzahl an Instruktionen pro Programm.
• Beispiel für RISC: ARM.
• Beispiel für CISC: x86.
• RISC nutzt oft Register-Register-Architektur.
• CISC nutzt oft Memory-Register-Architektur.
• RISC neigt zu gleichbleibender Taktgeschwindigkeit pro Instruktion.
• CISC kann mehr Arbeit pro Instruktion leisten, jedoch mit variabler Taktgeschwindigkeit.

Pipeline-Prozessoren

Definition:

Prozessoren mit Pipeline-Struktur zur Erhöhung der parallelen Bearbeitung durch Aufteilung in mehrere Verarbeitungsschritte.

Details:

• Pipeline-Stufen: Fetch, Decode, Execute, Memory Access, Write Back
• Erhöhung des Durchsatzes durch Parallelverarbeitung
• Potenzielle Probleme: Hazards (Daten-, Kontroll-, Strukturhazards)
• Wichtige Kennzahlen: Zykluszeit (\text{cycle time}), Durchsatz (\text{throughput})
• Pipeline-Tiefe (\text{pipeline depth}): Anzahl der Stufen
• Forwarding und Stalling Techniken zur Hazard-Bewältigung

Cache- und Hauptspeicherverwaltung

Definition:

Verwaltung von Speicherbereichen in einem Rechner, um den Zugriff auf häufig verwendete Daten zu beschleunigen (Cache) und weniger häufig benötigte Daten im Hauptspeicher zu halten.

Details:

• Cache-Speicher ist kleiner, schneller und näher an der CPU als der Hauptspeicher.
• Typischerweise mehrere Ebenen: L1, L2, L3.
• Cache-Hit: Daten im Cache gefunden.
• Cache-Miss: Daten nicht im Cache, muss aus dem Hauptspeicher geladen werden.
• Missrate = \frac{Anzahl der Cache-Misses}{Gesamtanzahl der Speicherzugriffe}
• Häufige Algorithmen: FIFO, LRU.
• Cache-Kohärenz: Konsistenz paralleler Cache-Speicher (wichtig bei Mehrkernprozessoren).

Speicheradressierung und Ein-/Ausgabesteuerung

Definition:

Adressen im Speicher werden zur Organisation und Zugriff von Daten genutzt, während Ein-/Ausgabesteuerung den Datentransfer zwischen Prozessor und Peripheriegeräten verwaltet.

Details:

• Speicheradressierung: Art und Weise, wie Speicherplätze adressiert werden (physisch vs. virtuell)
• Direkte vs. indirekte Adressierung
• Paging und Segmentierung zur Speicherverwaltung
• Ein-/Ausgabesteuerung: Steuerung von Ein-/Ausgabeoperationen mittels Ports und Kontrollregistern
• Direktzugriffsspeicher (DMA) für schnellen Datentransport
• Polling vs. Interrupt-Steuerung

Rechnernetzwerk-Protokolle und Kommunikationsmodelle

Definition:

Rechnernetzwerk-Protokolle regeln den Datenaustausch zwischen Computern in einem Netzwerk. Kommunikationsmodelle wie das OSI- und TCP/IP-Modell strukturieren und standardisieren diese Interaktionen.

Details:

• OSI-Modell: 7 Schichten - Physikalische Schicht, Sicherungsschicht, Netzwerkschicht, Transportschicht, Sitzungsschicht, Darstellungsschicht, Anwendungsschicht.
• TCP/IP-Modell: 4 Schichten - Netzwerkzugriff, Internet, Transport, Anwendung.
• Wichtige Protokolle: TCP, UDP, IP, HTTP, FTP, SMTP.
• Datenkapselung: Daten werden Schicht für Schicht verpackt und entpackt.
• Adressen: IP-Adressen zur Identifikation der Endpunkte.
• Ports: Identifizieren spezifische Prozesse auf den Endpunkten.

Parallelität und Leistungsoptimierung

Definition:

Nutze Parallelität, um die Leistung von Rechenoperationen zu steigern. Optimierungsstrategien sind entscheidend für effiziente Ressourcennutzung.

Details:

• Parallelität: Durchführung mehrerer Berechnungen gleichzeitig
• Amdahls Gesetz: Beschreibt die maximale Leistungssteigerung durch Parallelität
• Gustafsons Gesetz: Betrachtet Skalierbarkeit von Problemen bei steigender Prozessoranzahl
• Multithreading: Mehrere Threads innerhalb eines Prozesses
• Multiprocessing: Ausführung auf mehreren CPUs
• Datenparallelismus: Verteilung der Daten auf mehrere Rechenkerne
• Task-Parallelismus: Verteilung von Aufgaben auf mehrere Kerne
• Caching und Speicherzugriffsoptimierung: Reduzierung von Speicherlatenzen
• Lastverteilung: Effiziente Nutzung aller Prozessorressourcen
• Vermeidung von Engpässen: Identifikation und Beseitigung von Performance-Hindernissen
• Profilerstellung: Messung und Analyse der Leistung