Grundlagen der Rechnerarchitektur at Bergische Universität Wuppertal

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Erläutern Sie die Begriffe Stalling, Bubble und (Pipeline-)Flush.

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Was ist die Von-Neumann-Architektur?

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Ist die Implementierung von fork() mittels Copy-on-Write auf Systemen ohne MMU (z.B. in Embedded Systems) sinnvoll? Warum (bzw. warum nicht)?

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Beschreiben Sie das Prinzip einer Befehls-Pipeline.

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Leistungssteigerung von CPU und Speicher klafft auseinander, das führt zu hohem Energiebedarf und hohen Ausgaben für den Speicher. Was kann man dagegen tun?

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Was versteht man unter Wait States?

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In welcher Weise werden Harvard und Princeton Architekturen in modernen Rechnerarchitekturen mit mehrstufigen Caches realisiert?

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Was sind Vor- und Nachteile der Harvard Architektur?

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Worin unterscheidet sich die Harvard Architektur von der klassischen von Neumann Architektur?

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Was sind zusätzliche Primitiva?


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Welche Probleme entstehen bei der Nutzung identischer Speicherbereiche insbesondere in Bezug auf Systemsicherheit und Datenschutz? Nennen Sie für beide Aspekte Szenarien, die Ihnen besonders problematisch erscheinen.

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Warum ist bei Multitasking-Multiuser-Systemen die Nutzung virtueller Adressen unbedingt erforderlich?

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Grundlagen der Rechnerarchitektur

Erläutern Sie die Begriffe Stalling, Bubble und (Pipeline-)Flush.

Im Falle eines der vorher genannten Konflikte (ressourcen-, Daten- oder Kontrollflusskonflikt) reagiert die CPU mit „Stalling“ (Unterbrechung der weiteren Pipelinefüllung).


Durch das warten der Pipeline entstehen Lücken (auch „Bubbles“) in der Pipeline. Dies führt dazu, dass die Pipeline nicht optimal ausgelastet ist und der Durchsatz sinkt.


Unter bestimmten Umständen muss ein „Flush“ (die komplette Leerung der Pipeline) durchgeführt werden. Z.B bei einem falsch vorhergesagten Sprung.

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Was ist die Von-Neumann-Architektur?

Referenzmodell für Computer, wonach ein gemeinsamer Speicher sowohl Computerprogrammbefehle als auch Daten hält.

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Ist die Implementierung von fork() mittels Copy-on-Write auf Systemen ohne MMU (z.B. in Embedded Systems) sinnvoll? Warum (bzw. warum nicht)?

Ohne MMU bzw. virtuellem Adressraum:
Es muss zwingend der physikalische Adressraum kopiert werden, falls keine MMU vorhanden ist.

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Beschreiben Sie das Prinzip einer Befehls-Pipeline.

Eine Befehls-Pipeline dient zur Paralleliesierung einzelner
Teilaufgaben mehrerer Befehle

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Leistungssteigerung von CPU und Speicher klafft auseinander, das führt zu hohem Energiebedarf und hohen Ausgaben für den Speicher. Was kann man dagegen tun?

– Verwende relativ langsamen und preiswerten Hauptspeicher
– Ergänze diesen um schnelle Zwischenspeicher (Cache)

– Kann Daten aus dem Hauptspeicher nachladen, während Prozessor arbeitet

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Was versteht man unter Wait States?

Wartezyklus, angegeben in Taktzyklen, der
eingelegt werden muss, damit der langsamere Speicher die
angefragten Daten am Ausgang anliegen hat.

Der Begriff taucht immer dann auf, wenn eine schnellere
Komponente auf eine langsamere zugreifen (warten) muss

Grundlagen der Rechnerarchitektur

In welcher Weise werden Harvard und Princeton Architekturen in modernen Rechnerarchitekturen mit mehrstufigen Caches realisiert?

Harvard:
→ Getrennter L1-Cache
→ gemeinsames Laden von Daten und Instruktionen


Princeton (von Neumann):
→ Gemeinsame L2-, L3-Caches
→  Gemeinsamer Speicher

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Was sind Vor- und Nachteile der Harvard Architektur?

Vorteile:

+ Gleichzeitiges laden/schreiben von Daten und Befehlen
+ 
Effiziente Parallelisierung und Pipelining


Nachteile:

- Keine effiziente Speichernutzung
Aufwendiger zu implementieren

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Worin unterscheidet sich die Harvard Architektur von der klassischen von Neumann Architektur?

Aufteilung von Befehls und Datenspeicher, auf die über getrennte Wege zugegriffen wird.

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Was sind zusätzliche Primitiva?


– Arithmetische (+, -, …)
– Logische (AND, OR, …)
– Datentransferbefehle

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Welche Probleme entstehen bei der Nutzung identischer Speicherbereiche insbesondere in Bezug auf Systemsicherheit und Datenschutz? Nennen Sie für beide Aspekte Szenarien, die Ihnen besonders problematisch erscheinen.

Probleme:


- Systemsicherheit: Ohne abgeschotteten Speicher, können
Prozesse sich gegenseitig modifizieren und zum Absturz bringen. (Programm/Befehl überschreiben)


- Datenschutz: Bei Multiuser-Systemen können Prozesse außerdem Personenbezogene (vertrauliche) Daten enthalten, die dann unerwünscht gelesen oder überschrieben werden können. (z.B. Kennwörter)

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Warum ist bei Multitasking-Multiuser-Systemen die Nutzung virtueller Adressen unbedingt erforderlich?

Häufige Umschaltung zwischen verschiedenen Prozessen
→ Jeder Prozess bekommen eigenen Speicher zugeordnet, der
gegen den Zugriff anderer geschützt ist.

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