Computer Architectures for Medical Applications - Cheatsheet

Zimmeraufbau eines Prozessors

Definition:

Zimmeraufbau eines Prozessors beschreibt die interne Struktur und Organisation eines Prozessors, insbesondere wie verschiedene Funktionseinheiten und Datenpfade innerhalb des Prozessorgehäuses angeordnet und miteinander verbunden sind.

Details:

• Funktionseinheiten: ALU, FPU, Register, Steuerwerk
• Datenpfade: Busse, Multiplexer
• Speicherhierarchie: Caches, Register, Hauptspeicher
• Pipelining: Instruktionspipeline, Stufen der Pipeline
• Parallelität: Superskalare Ausführung, Multithreading
• Steuerung: Mikroprogrammierte Steuerung, zeitgesteuerte Steuerung
• Schnittstellen: Eingabe-/Ausgabeschnittstellen

Bedeutung und Funktion der ALU (Arithmetic Logic Unit)

Definition:

ALU führt arithmetische und logische Operationen aus.

Details:

• Wesentliche Komponente der CPU.
• Führt Berechnungen wie Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division durch.
• Logische Operationen wie AND, OR, NOT, XOR.
• Verwendet Register für Datenoperationen.
• Empfängt Befehle vom Steuerwerk.

CISC vs. RISC: Unterschiedliche Architekturtypen

Definition:

Zwei grundlegende CPU-Architekturtypen mit unterschiedlichen Ansätzen zur Leistung und Komplexität. CISC versucht, mit wenigen, komplexen Befehlen mehr Funktionen bereitzustellen, während RISC mit vielen einfachen Befehlen arbeitet, die schneller ausgeführt werden können.

Details:

• CISC: Complex Instruction Set Computer
• RISC: Reduced Instruction Set Computer
• CISC: Beliebt in traditionellen PCs und Servern
• RISC: Weit verbreitet in mobilen Geräten und eingebetteten Systemen
• CISC: Befehlssatz komplex, oft mehrtaktige Befehle
• RISC: Befehlssatz einfach, meistens eintaktige Befehle
• CISC: Größerer Stromverbrauch
• RISC: Energieeffizienter
• Microcode in CISC, direkte Hardwareausführung in RISC
• Pipeline-Effizienz: RISC tendenziell höher

Pipeline-Prozessoren und ihre Funktionsweise

Definition:

Pipeline-Prozessoren verwenden eine Technik, bei der verschiedene Phasen der Instruktionsausführung überlappen, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Details:

• Pipeline-Stufen: Fetch, Decode, Execute, Memory Access, Write Back
• Jede Stufe führt eine andere Phase der Instruktionsverarbeitung aus
• Verbesserung der Durchsatzrate und Reduzierung der Latenz
• Hazards: Strukturhazards, Datenhazards, Kontrollhazards
• Forwarding und Stall-Zyklen zur Hazard-Vermeidung

Energieeffiziente Prozessoren und ihre Bedeutung für tragbare Geräte

Definition:

Energieeffiziente Prozessoren senken den Energieverbrauch tragbarer Geräte, verlängern somit deren Batterielaufzeit und verbessern die Gesamtnutzererfahrung.

Details:

• Weniger Wärmeentwicklung - geringere Notwendigkeit für Kühlung
• Längere Batterielaufzeit - längere Betriebszeiten ohne Nachladen
• Kleine Bauformen - geeignet für kompakte tragbare Geräte
• Bessere Leistung-pro-Watt-Verhältnis

Speicherhierarchie und Zugriffsgeschwindigkeiten

Definition:

Hierarchie der Speicherarten basierend auf Zugriffsgeschwindigkeiten und Kosten.

Details:

• Register: im Prozessor, extrem schnell, sehr klein
• Cache: L1, L2, L3; schneller Speicher im Prozessor, klein
• RAM: Hauptspeicher, schneller Zugriff, größer
• Festplatte (HDD/SSD): langsamer Zugriff, sehr groß
• Netzwerkspeicher: extrem langsam, sehr groß
• Zugriffszeiten: Register (ns) < Cache (ns) < RAM (ns - µs) < HDD/SSD (ms) < Netzwerk (ms - s)
• Zugriffszeiten in Formel:

Optimierungstechniken zur Verbesserung der Speicherleistung

Definition:

Speicheroptimierungstechniken maximieren den Datendurchsatz und minimieren die Latenz durch effizientere Speicherzugriffe.

Details:

• Cache-Optimierung: Nutze temporal und spatial locality, um Cache-Misses zu reduzieren.
• Prefetching: Vorab-Laden von Daten, die benötigt werden.
• Speicherstriping: Aufteilung von Daten auf mehrere Speicherkanäle, um parallele Zugriffe zu ermöglichen.
• Memory Management Techniques: Nutze Paged Memory und Segmented Memory effizient.
• Optimierte Speicherzugriffe: Verwende Blockkopien und Blockinitialisierung für große Datenmengen.
• Hardware-basierte Optimierungen: Nutze hierarchische Speichermodelle und spezialisierten Speicher wie HBM (High Bandwidth Memory).

Anforderungen an Zuverlässigkeit und Sicherheit in medizinischen Geräten

Definition:

Anforderungen an Zuverlässigkeit und Sicherheit in medizinischen Geräten: genaue Berücksichtigung von Ausfallsicherheit und Schutz vor Fehlfunktionen.

Details:

• Zuverlässigkeit: Minimierung von Ausfallzeiten (MTBF - mean time between failures).
• Sicherheit: Reduzierung des Risikos für Patienten und Bediener durch systematisches Risiko-Management.
• Regulatorische Anforderungen: Einhaltung von Normen wie ISO 13485, IEC 60601.
• FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) und FTA (Fault Tree Analysis) zur Fehleranalyse.
• Cybersecurity: Schutz vor unbefugtem Zugriff und Manipulation.
• Redundanz und Fehlertoleranz: Implementierung von Backup-Systemen und Self-Tests.