BIN006: Systemhardware

Einführung in die Informatik

BIN006: Systemhardware

Kurzporträt BIN006: Systemhardware
Worum geht es? Das Modul erklärt, wie Computer Programme auf Hardwareebene ausführen. Dazu gehören Datenrepräsentation, Instruktionen, Register, Speicher, Pipeline-Verarbeitung, Caches und grundlegende Schutzmechanismen. Die Studierenden lernen, das Verhalten einfacher Programme aus Sicht der Rechnerarchitektur zu analysieren.
Wofür braucht man es? Hardwareverständnis ist wichtig, wenn Softwareleistung, Speicherverhalten, Systemnähe oder Sicherheit eine Rolle spielen. Die Kompetenzen unterstützen spätere Module zu Systemsoftware, eingebetteten Systemen, paralleler Programmierung und IT-Sicherheit. Sie helfen auch, technische Grenzen und Nebenwirkungen von Programmen besser einzuschätzen.
Wieso ist es interessant? Programme wirken oft abstrakt, laufen aber immer auf konkreter Hardware. Wer versteht, wie Daten im Speicher liegen, wie Instruktionen ausgeführt werden und warum Caches oder Schutzmechanismen Verhalten beeinflussen, kann Software tiefer verstehen. Das Modul öffnet diese technische Ebene schrittweise.
Modulverantwortung

Prof. Dr. Edwin Naroska

Lehrperson(en)
  • Prof. Dr. Edwin Naroska
  • Prof. Dr. Benedikt Janßen
Verwendbarkeit

Bachelor Informatik

Fächergruppe

Informatik

Modultyp
Pflicht
Sprache

Deutsch

Angebot

jedes Semester

Dauer

1 Semester

Credits

5 ECTS

Benotung

Deutsche Notenskala 1-5

SWS

2 V | 1 Ü | 1 P | - S

Workload
Präsenzstudium: 45 Std. Selbststudium: 90 Std.
Engl. Titel

System Hardware

Empfohlene Voraussetzungen

Keine angegeben.

Lernergebnisse / Kompetenzen
WAS

Mit erfolgreichem Abschluss des Moduls sind die Studierenden in der Lage, die Ausführung eines einfachen Programms von der digitalen Datenrepräsentation und der Instruktionssatzebene bis zu ausgewählten mikroarchitektonischen, speicherbezogenen und hardwaregestützten Schutzmechanismen zu analysieren und fachlich zu erklären.

WOMIT

Die Studierenden erreichen dieses Lernergebnis, indem sie

  • festbreite Ganzzahl- und Gleitkommadarstellungen sowie boolesche und sequentielle Logik untersuchen,
  • einfache Instruktionsfolgen einschließlich Register- und Speicherzuständen, Kontrollfluss, Stack-Nutzung und Funktionsaufrufen analysieren,
  • Pipeline-Ausführung, Daten- und Kontrollabhängigkeiten sowie vereinfachte Out-of-Order-Ausführung modellieren,
  • Speicherzugriffsmuster, Cache-Verhalten und grundlegende Cache-Kohärenz in Mehrkernsystemen beurteilen,
  • virtuelle Adressierung, Speicherrechte und mikroarchitektonische Sicherheitswirkungen an vereinfachten Fallstudien einordnen,
  • Funktion und Zusammenspiel von Komponenten moderner Computersysteme erläutern.
WOZU

Die Studierenden nutzen diese Kompetenzen, um das Verhalten systemnaher Software an der Hardware- und Betriebssystemschnittstelle fachlich beurteilen zu können. Dies unterstützt spätere Module zu Systemsoftware, hardwarenaher Entwicklung, Parallelität, Sicherheit und eingebetteten Systemen.

Inhalte
  • Komponenten und Organisationsformen moderner Rechnersysteme
  • Binär- und Hexadezimaldarstellung
  • Festbreite Ganzzahl- und Gleitkommaformate
  • Boolesche und sequentielle Logik
  • Register, Taktung und Von-Neumann-Rechnermodell
  • RV32I-Registermodell und Instruktionen
  • Load-/Store-Prinzip, Adressierung und Speicherzugriffe
  • Stack, Funktionsaufrufe und Aufrufkonventionen
  • Pipelining und Spekulation im Überblick
  • Speicherhierarchie, Lokalität und Cache-Verhalten
  • Multiprozessorsysteme und Cache-Kohärenz
  • Virtueller Speicher, Speicherrechte und Betriebssystemgrenze
Prüfungsvorleistung

Unbenotetes Testat durch Abgabe und Diskussion von Übungsaufgaben.

Prüfungsleistung

Computergestützte Klausurarbeit (90 Minuten). Das Prüfungskonzept besteht aus der geführten technischen Analyse eines kleinen Programms anhand der im Modul eingeführten Modelle zu Datenrepräsentation, Aufrufkonventionen, Pipeline- und Cache-Verhalten, Out-of-Order-Ausführung sowie Speicher- und Schutzmechanismen.

Literatur
  • David Money Harris; Sarah L. Harris: Digital Design and Computer Architecture, RISC-V Edition. Morgan Kaufmann, 2021.
  • David A. Patterson; John L. Hennessy: Computer Organization and Design RISC-V Edition: The Hardware/Software Interface. 2nd edition, Morgan Kaufmann, 2021.
  • John L. Hennessy; David A. Patterson: Computer Architecture: A Quantitative Approach. 6th edition, Morgan Kaufmann, 2017.