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CPU Entwurf mit VHDL (Schwerpunkt VHDL) (CPU-VHDL)5 ECTS (englische Bezeichnung: CPU Design with VHDL (Focus on VHDL))
Modulverantwortliche/r: Dietmar Fey Lehrende:
Marc Reichenbach
Studienfächer/Prüfungsordnungsmodule:
Einfrieren der UnivIS-Modul-Beschreibung: 1.3.2017
Wahlpflichtmodul Informatik Gymnasium (27614)
Vertiefungsmodul Rechnerarchitektur (30506)
Vertiefungsmodul Rechnerarchitektur (33602)
Wahlpflichtmodul aus INF im Schwerpunkt Eingebettete Systeme (87844)
Startsemester: |
SS 2017 | Dauer: |
1 Semester | Turnus: |
jährlich (SS) |
Präsenzzeit: |
60 Std. | Eigenstudium: |
90 Std. | Sprache: |
Deutsch |
Lehrveranstaltungen:
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CPU Entwurf mit VHDL
(Vorlesung, 4 SWS, Marc Reichenbach, Mo, 10:15 - 11:45, 00.152-113; Do, 8:15 - 9:45, 01.150-128)
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Übungen zu CPU Entwurf mit VHDL
(Übung, 2 SWS, Marc Reichenbach et al., Mo, 12:15 - 13:45, 02.153; Mo-Mi, 14:15 - 15:45, 02.153)
Empfohlene Voraussetzungen:
keine
Inhalt:
Die Vorlesung wird einen Einblick in die wichtigsten Strukturen eines Rechners und insbesondere die der CPU geben. Wie sind die Register, die ALU, die Caches usw. aufgebaut, wie sind sie miteinander verschaltet? Wie werden Pipelines gebildet?
Um die Vorlesung verstehen und die Übungsaufgaben lösen zu können, werden VHDL-Kenntnisse benötigt. Diese werden in der Vorlesung vermittelt.
Im ersten Teil der Vorlesung geht es darum, aus einfachen Und-, Oder- und Inverter-Gattern größere Strukturen aufzubauen. So werden bespielsweise die Register und die Komponenten der ALU (Addierer, Multiplizierer, Shifter usw.) nach und nach aufgebaut. Aus den Einzelteilen lassen sich dann wiederum die Registerbänke, die ALU, die Speichereinheit usw. zusammensetzen.
Mit guten Rechenwerken allein ist eine CPU noch nicht wirklich schnell. Es müssen schnell genug Instruktionen gelesen und dekodiert sowie die Operanden geholt werden können. Nach dem schnellen Verarbeiten in den Rechenwerken müssen die Ergebnisse dann wiederum schnell in die Zielregister bzw. Ziel-Speicherzellen kopiert werden. Das wichtigste Verfahren, um hierbei Performance zu gewinnen, ist das Pipelining.
Leider gibt es eine Reihe von Bedingungen, die erfüllt sein müssen, dass Pipelining wirklich gut funktioniert. So dürfen keine Daten-Abhängigkeiten im Code vorhanden sein, müssen Sprungziele rechtzeitig bekannt sein und dürfen bestimmte Ressourcen nicht mehrfach gleichzeitig genutzt werden. Mittels Forwarding, Sprungvorhersage und Caches können die Probleme gemildert werden.
Mit den so gewonnenen Fähigkeiten sind dann auch Multi-Core- und Multi-Threading-Architekturen verständlich.
Lernziele und Kompetenzen:
Die Studierenden verstehen den inneren Aufbau moderner CPUs (Pipeline, Registerbänke, ALU, Caches, Memory-Management-Unit, Segmentierungseinheit, ...) und können selbst performante CPUs aus einfachen Basis-Schaltungen aufbauen.
Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan: Das Modul ist im Kontext der folgenden Studienfächer/Vertiefungsrichtungen verwendbar:
- Informatik (Bachelor of Arts (2 Fächer))
(Po-Vers. 2010 | TechFak | Informatik (Bachelor of Arts (2 Fächer)) | Vertiefung Informatik I und II | Vertiefungsmodul Rechnerarchitektur)
- Informatik (Bachelor of Arts (2 Fächer))
(Po-Vers. 2013 | TechFak | Informatik (Bachelor of Arts (2 Fächer)) | Vertiefung Informatik I und II | Vertiefungsmodul Rechnerarchitektur)
- Informatik (Bachelor of Science)
(Po-Vers. 2009s | TechFak | Informatik (Bachelor of Science) | Wahlpflichtbereich (5. und 6. Semester) | Wahlpflichtmodule | Vertiefungsmodul Rechnerarchitektur)
- Informatik (Bachelor of Science)
(Po-Vers. 2009w | TechFak | Informatik (Bachelor of Science) | Wahlpflichtbereich (5. und 6. Semester) | Wahlpflichtmodule | Vertiefungsmodul Rechnerarchitektur)
- Informatik (Master of Science)
(Po-Vers. 2010 | TechFak | Informatik (Master of Science) | Wahlpflichtbereich | Säule der systemorientierten Vertiefungsrichtungen | Vertiefungsmodul Rechnerarchitektur)
- Mathematik (Bachelor of Science)
(Po-Vers. 2015w | NatFak | Mathematik (Bachelor of Science) | Module des Nebenfachs | Nebenfach Informatik | Vertiefungsmodule | Vertiefungsmodul Rechnerarchitektur)
Studien-/Prüfungsleistungen:
CPU Entwurf mit VHDL (Schwerpunkt VHDL) (Prüfungsnummer: 436348)
(englischer Titel: CPU Design with VHDL (Focus on VHDL))
zugeh. "mein campus"-Prüfung: | - 37111 Rechnerarchitektur (5 ECTS) (Prüfung, Form: mehrteilige Prüfung, Zehntelnoten, Dauer: -, 5 ECTS, Platzhalter).
- 38111 Rechnerarchitektur (5 ECTS) (Informatik (Master of Science) 2010, Prüfung, Form: mehrteilige Prüfung, Zehntelnoten, Dauer: -, 5 ECTS, Platzhalter).
- 17002 Wahlpflichtteilleistung (5 ECTS) (Informatik (1. Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien) 2007, Prüfung, Form: variabel, Drittelnoten (mit 4,3), Dauer: -, 5 ECTS, Platzhalter).
- 17027 Wahlpflichtmodul aus INF, 5 ECTS (Informations- und Kommunikationstechnik (Master of Science) 2016s, Prüfung, Form: mehrteilige Prüfung, Zehntelnoten, Dauer: -, 5 ECTS, Platzhalter).
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- Prüfungsleistung, mündliche Prüfung, Dauer (in Minuten): 30, benotet, 5 ECTS
- Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %
- Erstablegung: SS 2017, 1. Wdh.: WS 2017/2018
1. Prüfer: | Dietmar Fey (100101) |
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