Grundlagen der Rechnersysteme

4 SWS Seminaristischer Unterricht und 3 SWS Praktikum

Gesamtaufwand: 300 Zeitstunden, davon ca. 80 Stunden Kontaktzeit

keine

Die Studierenden kennen die Grundlagen von Rechnersystemen. Sie sind in der Lage

• die Gesetze der Boolschen Algebra zu verstehen und diese insbesondere auf die Boolsche Schaltalgebra anzuwenden,
• die Funktionsweise und den Aufbau grundlegender Logikbausteine zu erklären und daraus konstruierte digitale Schaltungen zu analysieren und die Fähigkeit zu erlangen, digitale Schaltungen bis hin zu einfachen Funktionseinheiten eines Mikroprozessors selbst zu entwerfen,
• die HW/SW-Schnittstelle eines Rechnersystems zu erklären, insbesondere die Abstraktion von der Mikroarchitektur zur Befehlssatzarchitektur,
• die Interaktionen zwischen HW und SW anhand von RISC-V Assembly-Programmen zu analysieren und zu bewerten, insbesondere hinsichtlich der Speicherzugriffe,
• die Schritte und Artefakte beim Build-Prozess eines Programms aus einer Hochsprache in Maschinencode zu erklären, um die Auswirkungen abstrakter Konzepte höherer Programmiersprachen zu verstehen und
• die HW/SW-Schnittstelle hinsichtlich privilegierter Modi zu bewerten, um Verständnis für die Grundlage von Betriebssystemen zu erlangen.

Es werden die Grundlagen für Rechnersysteme von der Hardware über die HW/SW-Schnittstelle, Maschinencode hin zur Hochsprache und dem Betriebssystem geschaffen. Dazu gehören:

• Mikroarchitektur: Bausteine eines Mikroprozessors, Gatter, Schaltnetz, Schaltwerk, etc.
• Befehlssatzarchitektur: HW/SW-Schnittstelle (Abstraktion mit ISA), Assembly, Maschinencode, hardwarenahe Programmierung von Kontrollstrukturen, Funktionsaufrufen (ABI), Nutzung von Speicher, Stack, Heap, Dateninterpretation: Adresse vs. Wert, Wert vs. Codierung
• Integation zu vollständigem Rechnersystem: von der Maschinenebene zur Hochsprache, Toolchain mit Artefakten und Zwischenschritten, von der HW/SW-Schnittstelle (privileged Architektur) zum Betriebssystem

Tafel, Folien, Beamer, Lehr-/Lernvideos

• D. A. Patterson, J. L. Hennessy: Computer Organization and Design. Morgan Kaufmann Publishers.
• D. W. Hoffmann: Grundlagen der Technischen Informatik. Carl Hanser Verlag.