Institut für Technische Informatik und Kommunikationsnetze
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TIK Lehrveranstaltungen

251-0102-00L Digitaltechnik und Rechnerstrukturen 
Dozent Prof. L. Thiele, ETZ G87, 632 7031,  thiele@tik.ee.ethz.ch
Vorlesung Mittwoch 10-12 und Freitag 13-14 IFW A36, erstmals am 30. 3. 2005
Übungen Mittwoch 8-10 IFW A36 und Freitag 10-12 HG E5 (AUSNAHME: Übungen 3+4 - Raum IFW C31)

Ankündigungen



Zielsetzung

Ziel der Lehrveranstaltung ist es, die Grundlagen heutiger Computersysteme und Rechnerarchitekturen zu vermitteln.

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Inhalt

1. Einleitung [pdf]
 Zielsetzung, Technologietrends, Kosten und Leistung, Amdahls Gesetz
2. Entwurf eines einfachen Prozessors [pdf]
Instruktionssatz, Datenpfad, Steuerwerk (Einzyklenmaschine), Steuerwerk (Mehrzyklenmaschine), Mikroprogrammierung, Zeitliches Verhalten digitaler Schaltungen
3. Pipelining [pdf]
Einführung, Quantitative Betrachtung, Hazards (Struktur, Steuerung, Daten), Implementierung einer Pipeline, Reduktion von Daten Hazards (Software und Hardware), Reduktion von Control Hazards (Software und Hardware)
4. Fortgeschrittenes Pipelining und Instruktionsparallelismus [pdf]
Parallele Recheneinheiten, Umordnen von Instruktionen, Dynamisches Scheduling, Register Renaming, Compilertechniken (Schleifen entfalten, Software Pipelining), Rechnervergleiche
5. Speicherhierarchie [pdf]
Technologietrends, Terminologie, Cachespeicher (Assoziativität, Write Through/Write Back, Reduktion von Misses), Einfluss auf Laufzeiten von Algorithmen, Virtueller Speicher
6. Input/Output [pdf]
Übersicht, Warteschlangentheorie, Busse (Organisation, Synchronisation, Arbitrierung), Kommunikation, Plattenspeicher, RAID
7. Multiprozessorsysteme [pdf]
Einführung, Klassifikation, Shared Memory/Private Memory, Speicherkohärenz, Protokolle, Verbindungsnetzwerke, Synchronisation
 
Alle Slides zusammen [pdf] (druckbare Version)

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Unterlagen

Die Vorlesung richtet sich im wesentlichen nach dem Buch:
J.L. Hennessy, D.A. Patterson: Computer Architecture, A quantitative approach.
3rd edition, Morgan Kaufmann Publ, May 2002

Eine andere Empfehlung:
William Stallings: Computer Organization and Architecture: Designing for Performance.
Prentice Hall, 2000

Zudem wird für die implementationsnahen Gesichtspunkte verwendet:
D.A. Patterson, J.L. Hennessy: Computer Organization and Design,
Hardware/Software Interface. Morgan Kaufmann Publ, 1997

Sehr gute Skripte, die die verschiedenen Themengebiete der Vorlesung beinhalten, wurden von Uwe Schwiegelshohn für Vorlesungen an der Universität Dortmund geschrieben. Sie richten sich ebenfalls nach dem oben erwähnten Buch von Henessy und Patterson. Kopien der Vorlesungen Technische Informatik 1, Technische Informatik 2 und Parallele Rechnersysteme 1 (Postscript-Dateien).

Weitere Links zur Vorlesung (z.B. Software) findet man auf der Seite des Buchverlages Morgan Kaufmann, siehe oben.


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Vorlesungsplan (Mittwoch 10-12 und Freitag 13-14 IFW A36)

WocheMittwoch (10-12)Freitag (13-14)Übung
28. 3. - 3. 4. 1. Einleitung 2. Entwurf eines einfachen Prozessors -
4. 4. - 10. 4. 2. Entwurf eines einfachen Prozessors 2. Entwurf eines einfachen Prozessors -
11. 4. - 17. 4. 2. Entwurf eines einfachen Prozessors 2. Entwurf eines einfachen Prozessors 1
18. 4. - 24. 4. 3. Pipelining 3. Pipelining 2
25. 4. - 1. 5. 3. Pipelining 4. Fortgeschrittenes Pipelining und Instruktionsparallelismus 3 (P)
2. 5. - 8. 5. 4. Fortgeschrittenes Pipelining und Instruktionsparallelismus Vorlesungsfrei (Auffahrt) -
9. 5. - 15. 5. 4. Fortgeschrittenes Pipelining und Instruktionsparallelismus4. Fortgeschrittenes Pipelining und Instruktionsparallelismus 4 (P)
16. 5. - 22. 5. 4. Fortgeschrittenes Pipelining und Instruktionsparallelismus 5. Speicherhierarchie 5
23. 5. - 29. 5.5. Speicherhierarchie 5. Speicherhierarchie 6
30. 5. - 5. 6. 5. Speicherhierarchie 6. Input/Output 7
6. 6. - 12. 6. fällt aus 6. Input/Output 8
13. 6. - 19. 6. 6. Input/Output 7. Multiprozessorsysteme 9
20. 6. - 26. 6. 7. Multiprozessorsysteme fällt aus 10
27. 6. - 3. 7. 7. Multiprozessorsystemefällt aus-

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Übungen & Praktika (Mittwoch 8-10 IFW A36 und Freitag 10-12 HG E5)

Übung Termine Assistenten Titel, Postscript-Dateien Lösungsvorschläge
1 13. 4. / 15. 4. PK / BFDatenpfad und Steuerwerk [ps], [pdf] [ps], [pdf]
2 20. 4. / 22. 4. PK / BF Multizyklenarchitektur [ps], [pdf] [ps], [pdf]
3 (P) 27.4. / 29. 4. PK / BFPipelining [ps], [pdf] [ps], [pdf]
4 (P)11. 5. / 13. 5. PK / BF Pipelining II [ps], [pdf] [ps], [pdf]
518. 5. / 20. 5. PK / BFTomasulo-Algorithmus [ps], [pdf] [ps], [pdf]
625. 5. / 27. 5. MG / CP Speicherhierarchien [ps], [pdf] [ps], [pdf]
71. 6. / 3. 6. MG / CP Virtueller Speicher [ps], [pdf] [ps], [pdf]
8 8. 6. / 10. 6. MG / CP Bussysteme [ps], [pdf] [ps], [pdf]
9 15. 6. / 17. 6. CP / CP I/O [ps], [pdf] [ps], [pdf]
10 22. 6. / 24. 6. MG / MG Multiprozessorsyteme [ps], [pdf] [ps], [pdf]

Während der Übungen werden zuerst die Übungsaufgaben in Kleingruppen bearbeitet. Anschliessend werden die Lösungen besprochen sowie Fragen zur Vorlesung beantwortet. Als Vorbereitung auf die Übung sollten die Übungsaufgaben gelesen und die relevanten Vorlesungsinhalte wiederholt werden.

Die Übungen 3 und 4 werden als Rechnerpraktika im Raum IFW C31 durchgeführt. Die verwendete Software WinDLX zur Pipeline-Simulation lässt sich auch unter ftp://ftp.mkp.com/pub/dlx oder hier herunterladen.


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Prüfungen

Hier haben Sie Zugriff auf zwei ausgewählte Prüfungen der letzten Semester. Andere Prüfungen, die sich evtl. noch aus vorherigen Semestern im Umlauf befinden, werden von unserer Seite nicht weiter unterstützt.

Semester AufgabenLösungsvorschlag
Herbst 2000[ps], [pdf] [ps], [pdf]
Herbst 2001 [ps], [pdf], Bild [ps, pdf] [ps], [pdf]

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Administratives

Dozent

Koordination

Betreuung

Fragen

Sollten Sie spezielle Fragen zum Vorlesungsstoff oder zu den Übungen haben, schicken Sie diese bitte per Email an einen der zuständigen Übungsassistenten oder machen Sie mit ihm einen Termin aus. Für die Vorlesungskapitel 1-4 sind Pascal Kurtansky und Bernd Fischer zuständig, bzgl. der Kapitel 5-7 wenden Sie sich bitte an Christian Plessl oder Michael Gerber. Allgemeine Fragen zur Vorlesung können Sie per Email an den Vorlesungskoordinator Simon Künzli oder an Prof. Lothar Thiele richten.


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