Grundlagen der Technischen Informatik - Cheatsheet

Unterschiede zwischen analogen und digitalen Signalen

Definition:

Analoge Signale: kontinuierlich, unendlich viele Werte; Digitale Signale: diskret, endlich viele Werte

Details:

• Analoge Signale: repräsentieren Informationen durch stufenlose Werte
• Digitale Signale: verwenden diskrete Werte, meist binär (0 und 1)
• Vorteil digital: fehlerresistente Übertragung, einfache Speicherung und Verarbeitung
• Vorteil analog: höhere Detailgenauigkeit, keine Quantisierungsverluste
• Umwandlung notwendig: A/D-Wandler (Analog zu Digital), D/A-Wandler (Digital zu Analog)
• Mathematisch: Analoge Signale als kontinuierliche Funktionen, digitale als diskrete Zeitreihen

Minimierung von Schaltkreisen mittels Karnaugh-Diagrammen

Definition:

Verwendung von Karnaugh-Diagrammen zur Minimierung von booleschen Schaltkreisen.

Details:

• Karnaugh-Diagramme (K-Diagramme) sind grafische Werkzeuge zur Vereinfachung von booleschen Funktionen.
• Ziel: Reduzierung der Anzahl der logischen Gatter in einem Schaltkreis.
• Grundlage: Wahrheitstabelle der Funktion.
• Zellen des Diagramms repräsentieren minterme der Funktion.
• Gruppierung von 1en (einschließlich Zweierpotenzen) zur Identifikation und Eliminierung redundanter Variablen.
• Resultierende vereinfachte Ausdrücke: Konjunktive Normalform (KNF) oder Disjunktive Normalform (DNF).
• Begriffe: Minterm, Maxterm, Primimplikant.

Overflow und Unterlauf in binären Operationen

Definition:

Überlauf (Overflow) und Unterlauf (Underflow) treten auf, wenn das Ergebnis einer arithmetischen Operation den darstellbaren Wertebereich überschreitet bzw. unterschreitet.

Details:

• Überlauf: Tritt auf, wenn das Ergebnis größer ist als der maximal darstellbare Wert.
• Unterlauf: Tritt auf, wenn das Ergebnis kleiner ist als der minimal darstellbare Wert.
• In der Zweierkomplement-Darstellung:
• \textit{Überlauf:} Addition zweier positiver Zahlen ergibt eine negative Zahl oder Addition zweier negativer Zahlen ergibt eine positive Zahl.
• \textit{Unterlauf:} insbesondere bei Subtraktionen relevant, weniger häufig.
• Erkennung: Überwachung der Übertragsbits bei Addition und Subtraktion.

RISC vs. CISC Prozessoren

Definition:

RISC (Reduced Instruction Set Computer) und CISC (Complex Instruction Set Computer) sind zwei Architekturen für Prozessor-Design.

Details:

• RISC: einfache, schnelle Instruktionen, festes Instruktionsformat, Fokus auf Software.
• CISC: komplexe, vielseitige Instruktionen, variierendes Instruktionsformat, Fokus auf Hardware.
• Beispiele RISC: ARM, MIPS.
• Beispiele CISC: x86.
• Leistungsmerkmale: RISC tendenziell schneller bei geringem Stromverbrauch, CISC leistungsfähiger bei komplexen Aufgaben.

Speicheradressierung und Cache-Kohärenz

Definition:

Techniken zur Verwaltung der Speicheradressen und Kohärenz der Daten zwischen mehreren Caches.

Details:

• Speicheradressierung: Methode zur Bestimmung der Speicheradressen im System, z.B. mittels logischer oder physischer Adressen.
• Cache-Kohärenz: Problem in Mehrprozessor-Systemen, bei dem sichergestellt werden muss, dass alle Caches konsistente Daten haben.
• Kohärenzprotokolle: MESI, MOESI, MSI zur Verwaltung der Konsistenz von Caches.
• Cache Miss: Tritt auf, wenn die angeforderte Daten nicht im Cache vorhanden sind.
• Write-through vs. write-back: Strategien zur Aktualisierung von Daten im Cache und Hauptspeicher.
• False Sharing: Wenn mehrere Prozessoren verschiedene Daten im selben Cache-Block ändern, was zu unnötigem Datentransfer führt.

Mikrobefehle und ihre Ausführung

Definition:

Mikrobefehle sind kleinste Befehle auf der Mikroprogrammierebene, die die Ausführung von Maschinenbefehlen steuern.

Details:

• Mikrobefehle steuern ALU-Operationen, Registerübertragungen und Speicherzugriffe.
• Ein Mikroprogramm besteht aus einer Abfolge von Mikrobefehlen.
• Jeder Mikrobefehl wird durch ein Mikroprogrammsteuerwerk dekodiert und ausgeführt.
• Mikrobefehle nutzen Steuerleitungen zur Ausführung von Aktionen in der CPU.
• Beispiele für Mikrobefehle umfassen Lade- und Speicheroperationen, Datenverschiebungen und arithmetische Operationen.
• Typische Mikrooperations-Funktionseinheiten: ALU-Operation (\texttt{ADD}, \texttt{SUB}), Registerbewegung (\texttt{MOV}), sowie logische Operationen (\texttt{AND}, \texttt{OR}).

Pipelining und Parallelverarbeitung

Definition:

Optimierungstechniken, um die Ausführungsgeschwindigkeit von Programmen durch gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Instruktionen oder Prozesse zu steigern.

Details:

• Pipelining: Aufteilung einer Aufgabe in Teilschritte, die in verschiedenen Hardware-Stufen unabhängig voneinander bearbeitet werden.
• Pipeline-Stufen: \text{Instruktionsfetch (IF)}, \text{Instruktionsdekodierung (ID)}, \text{Ausführung (EX)}, \text{Speicherzugriff (MEM)}, \text{Schreib-Back (WB)}
• Hazards: \text{Datenhazards}, \text{Kontrollhazards}, \text{Strukturhazards}
• Parallelverarbeitung: Gleichzeitige Ausführung mehrerer Prozesse oder Instruktionen auf verschiedenen Prozessoren oder Kernen.
• Arten der Parallelverarbeitung: \text{Datenparallelität}, \text{Aufgabenparallelität}
• Modelle: \text{SIMD (Single Instruction, Multiple Data)}, \text{MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data)}

Fehlererkennung und -korrektur Mechanismen

Definition:

Systeme zur Erkennung und Korrektur von Fehlern in Datenübertragungen und -speicherungen.

Details:

• Fehlererkennungscodes: Paritätsbits, Prüfsummen, CRC
• Fehlerkorrekturverfahren: Hamming-Code, Reed-Solomon-Code
• Paritätsbit: Fügt ein zusätzliches Bit hinzu; überprüft gerade/ungerade Anzahl der Einsen
• Prüfsumme: Summiert Datenbits, vergleicht mit gesendeter Prüfsumme
• CRC (Cyclic Redundancy Check): Polynomdivision zur Fehlererkennung
• Hamming-Code: Fügt Prüfbits hinzu; erkennt und korrigiert Einzelbitfehler
• Reed-Solomon-Code: Nutzt Block-Codierung; korrigiert Mehrbitfehler