Modulbeschreibung Rechnerstrukturen
Bachelor-Pflichtmodul: Rechnerstrukturen
1. Modulkennung
IP7
2. Studiengang
Bachelorstudiengang Informatik
3. Modulbezeichnung
Rechnerstrukturen (RS), engl.: Computer Structures
4. Modul-Verantwortlicher
Möller
5. Veranstalter/Dozent
Möller, Zhang
6. Sprache
Deutsch mit deutsch- und englischsprachigem Lehrmaterial
7. Motivation, Bedeutung für / Stellung im Gesamtprogramm
Die Ausbildung im Pflichtmodul Rechnerstrukturen vermittelt im Rahmen der Vorlesung ein begrenztes und wohl ausgewähltes Theorie- und Methodenrepertoire für die Konfigurierung, den Entwurf, die Realisierung, und die angemessene Nutzung von Rechnern- und Kommunikationsnetzen sowie ihrer Basiskomponenten, u. a. unter Berücksichtigung technologischer, ökonomischer und anwendungsspezifischer Randbedingungen. Der Vorlesungsstoff der Lehreinheit Rechnerstrukturen wird in Übungen durch Beispiele ergänzt, um das Verstehen der grundlegenden Konzepte, Organisationsformen und Entwurfsmethoden von Rechnerarchitekturen und deren Vernetzung, einschließlich der Betriebssoftware, durch die eigenständige Beschäftigung mit den Inhalten besser zu verankern. Darüber hinaus wird das technische Grundverständnis für Rechnerstrukturen durch ein technisches Praktikum exemplarisch vertieft, welches auf dem Prinzip „learning by doing“ aufbaut und den Studierenden die praktische Handhabung von Komponenten für Rechnerarchitekturen ermöglicht.
8. Lernziele/Kompetenzen
8.1 Passung Leitbild
Die Bedeutung der Rechnerstrukturen ist vor dem Hintergrund der aus ihr begründeten Systematik der lokalen und globalen Konzepte von Rechnern und den dafür erforderlichen Entwurfsmethoden gegeben, damit diese richtig beurteilt und angewandt werden können. Rechnerstrukturen stellen eine der tragenden Säulen der Informatik dar, da sie sowohl die vielfältigen Komponenten (Funktionseinheiten) und gegenseitigen Verbindungen auf den unterschiedlichen Sichten der Verhalten- und Strukturbeschreibung definieren, als auch die geometrische Ebene der Technologie, die es erlaubt, Strukturen mit mehreren Millionen Transistoren auf einem Halbleiterkristallplättchen zu realisieren. Derartige Strukturen lassen sich von den Studierenden dann beherrschen, wenn sie die unterschiedlichen Detaillierungsgrade konsequent auf die Ebenen des Schichtenmodells abbilden und diese mit Hilfe rechnergestützter Entwurfsverfahren umsetzen können. Dabei kommt den Schnittstellen zu den weiteren Säulen der Informatik eine besondere Bedeutung zu, beispielsweise im Kontext von Algorithmen und Datenstrukturen, bzw. graphentheoretischer Methoden. Im Rahmen dieses Pflichtmoduls erwerben die Studierenden die erforderliche Problemlösungskompetenz, um den Bogen von der Konzeptualisierung von Rechnerstrukturen auf einer wissenschaftlichen Basis hin zur praxisgerechten Realisierung zu schlagen.8.2 Grundlagen-/Faktenwissen
Im Rahmen dieses Pflichtmoduls erwerben die Studierenden Grundkenntnisse über die Bestandteile digitaler Rechner. Dazu werden die Eigenschaften, Entwurfs- und Optimierungstechniken der Componentware behandelt und die erforderlichen technischen Grundlagen der Informatik vermittelt. Zusammenfassend wird gezeigt, wie die Componentware eines Rechners mittels mikroelektronischer Komponenten entwickelt und hergestellt werden kann.8.3 Methodenwissen
Kennenlernen des Aufbaus und der Funktionsweise von technischen Systemen und Analyse und Synthese von technischen Systemen. Das Pflichtmodul Rechnerstrukturen behandelt die dafür typischen Lösungsansätze exemplarisch am Beispiel der Architektur von Prozessoren, ausgehend von Transistoren über die Zusammenschaltung von Transistoren zu Gattern zur Realisierung von Schaltnetzen und Schaltwerke zur Realisierung von Prozessoren bis hin zur Anwendung in technischen Systemen. Dabei werden die Eigenschaften, Entwurfs- und Optimierungstechniken der kombinatorischen Komponenten, der Register und Speicher, des Steuerwerks und der Rechnerkommunikation erläutert.8.4 Transferkompetenz
Anwendungen der Methoden der technisch orientierten Informatik in der Analyse und Synthese technischer Systeme, wie z. B. Mobilkommunikation, Automobil- und Flugzeugbau, Roboter, Fertigungslinien etc. Gemeinsam ist diesen, dass durch die Anforderungen des zu realisierenden technischen Systems auf einer abstrakten Ebene von Entwurfssichten Randbedingungen für dessen Implementierung zu gewährleisten sind, dass Reaktionen in vorgegebenen zeitlichen Abfolgen umgesetzt werden müssen, dass ein in der Regel enges Zusammenspiel von Software- und Hardwarekomponenten gewährleistet werden muss.8.5 Normativ-bewertende Kompetenz
Aufbau eines präskriptiven und evaluativen Urteilsvermögens im Kontext Rechnerstrukturen, das die Studierenden in die Lage versetzt, Rechnerarchitekturen zu analysieren und die Komponenten von Rechnern zu verstehen und diese sowohl zu entwerfen als auch zu optimieren sowie qualifiziert über Hardware zu diskutieren.8.6 ABK/BOK/Schlüsselqualifikationen
- Kooperations- und Teamfähigkeit in den Präsenzübungen
- Steigerung der Problemlösungskompetenz
- Abstraktionsvermögen und Modellierungsfähigkeiten
- Kreatives Problemlösen bei der exemplarischen Anwendung von Entwurfsmethoden
- Kennenlernen des Aufbaus und der Funktionsweise von technischen Systemen sowie Befähigung zur Analyse und Synthese von technischen Systemen im Zusammenspiel von Software- und Hardwarekomponenten
9. Lehrveranstaltungen
- 4 SWS Vorlesung Rechnerstrukturen (Plenum)
- 1 SWS Übungen Rechnerstrukturen (Präsenzübungen, Kleingruppen)
- 1 SWS Praktikum
10. Inhalt
10.1 Grundlagen
- Grundbegriffe der Informationsverarbeitung: Information, Repräsentation von Information, Zahlensysteme, Codierung
- Rechnerarithmetik: Operationen mit Zahlen, Ganzzahl- und Gleitkomma-Arithmetik
- Lokale und globale Konzepte der Digitaltechnik: Boolesche Algebra, Automatentheorie, Schaltnetze, synchrone und asynchrone Schaltwerke, kooperierende Schaltwerke (Operationswerk, Steuerwerk), Datenpfade, Datentore, Bus-Systeme, Zähler, Register, Registerfiles, Zähler, Speicher
10.2 Rechnerarchitektur
- von-Neumann-Rechner: Architektur, Befehlssatz, Maschinen- und Assembler-Code, Betriebssystemebene
- Speicherhierarchie: Speichertypen, virtueller Speicher, Cache-Organisation
- Pipelining: CISC, RISC, superskalare Architekturen
- Parallele Architekturen
- Kommunikation, Schnittstellen und Peripheriegeräte
11. Bezüge zu anderen Modulen
- Innerhalb des Studienganges: Im Rahmen der Pflichtmodule legt das Modul Rechnerstrukturen inhaltlich die Grundlagen für Wahlpflichtmodule, insbesondere Eingebettete Systeme und Datenkommunikation und Rechnernetze. Es legt darüber hinaus die Grundlagen für das integrierte Anwendungsfach Eingebettete Systeme.
- In anderen Studiengängen: Das Modul eignet sich als Nebenfachmodul sowie als Bestandteil von Medizin- und Bioinformatik-Studiengängen. Darüber hinaus ist ein Einbringen als Wahlmodul im Rahmen naturwissenschaftlicher Studiengänge denkbar.
12. Modulvoraussetzungen
Verbindlich: keine
Empfohlen: keine
13. Semester, Studienjahr /-phase
Studienabschnitt: 1
Referenzsemester: 3
Empfohlenes Semester: 1
14. Prüfungsleistungen
Die Zulassung zur Modulprüfung setzt die regelmäßige und erfolgreiche Teilnahme
an Übungen/Praktikum voraus; die Teilnahme gilt grundsätzlich als erfolgreich,
wenn alle Aufgaben bearbeitet und mindestens 50% richtig gelöst wurden; im Falle
abweichender Kriterien müssen diese zu Beginn der Veranstaltung bekannt
gemacht werden.
Gemeinsame Modulprüfung für alle Lehrveranstaltungen des Moduls; in der Regel
schriftlich (Klausur) und in deutscher Sprache; bei Modus-Abweichung Bekanntgabe
zu Beginn der Veranstaltung.
15. Bewertung
Gesamt: 9 Leistungspunkte
(Rechnerstrukturen: 4,0 Leistungspunkte,
Übungen zu Rechnerstrukturen: 2,5 Leistungspunkte,
Praktikum zu Rechnerstrukturen: 2,5 Leitungspunkte)
16. Periodizität
Wintersemester, jährlich, Dauer: 1 Semester
17. Methodische Aufbereitung und Medienformen
Vorlesung basierend auf Folien mit integrierten Fallbeispielen, teilweise unter Nutzung von Hardware orientierten Simulationswerkzeugen, wie beispielsweise pSPICE, zur Demonstration des Systemverhaltens.
18. Literatur
- Bryant, R. E., D. O´Hallaron, Computer Systems, Pearson Education Inc. New Jersey, 2003
- Dal Chin M., Rechnerarchitektur, B.G. Teubner Verlag, 1996
- Giloi, W. K., Rechnerarchitektur, Springer Verlag, 1999
- Hennessy J. L., D. A. Patterson, Computer Architecture: A Quantitative - Approach, 3rd Edition, Morgan Kaufmann Publishers Inc., 2004
- Heuring V. P., H. F. Jordan, Computer Systems Design and Architecture, 2nd Edition, Pearson Prentice Hall 2004
- Möller, D. P. F., Rechnerstrukturen, Springer Verlag 2003
- Schiffmann, W., R. Schmitz, Technische Informatik 1, Springer Verlag 2001
- Schiffmann, W., R. Schmitz, Technische Informatik 2, Springer Verlag 2002
- Schildt, G. H., A. Redlin, D. Kahn, Einführung in die Technische Informatik, Springer 2003
