## 📘 **Kompaktes Lernskript: Computerarchitektur (alle 13 Vorlesungen)**

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### **1️⃣ Einführung – Computerarchitektur**

- **Computerarchitektur**: Sicht des Programmierers (ISA, Speicher, I/O)
- **Computerorganisation**: Umsetzung auf Hardware-Ebene (Mikroarchitektur)
- **Von-Neumann-Architektur**:
    - Gemeinsamer Speicher für Daten & Programme    
    - Vorteil: Einfachheit; Nachteil: Von-Neumann-Flaschenhals    
- **Harvard-Architektur**:
    - Trennung von Daten- und Programmspeicher    
- **Abstraktionsebenen**:
    - Ebene 0: Digitale Logik    
    - Ebene 1: Mikroarchitektur    
    - Ebene 2: ISA    
    - Ebene 3: Betriebssystem    
    - Ebene 4: Assemblersprache    
    - Ebene 5: Hochsprachen    
- **Historie**: Zuse Z3 → ENIAC → IBM System/360 → Intel 4004 → ARM

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### **2️⃣ Architekturen**

- **RISC vs. CISC**:
    
    |Merkmal|RISC|CISC|
    |---|---|---|
    |Befehlssatz|Einfach, gleich lang|Komplex, unterschiedliche Länge|
    |Hardware|Einfach|Komplex|
    |Beispiele|ARM, MIPS|x86 (Intel, AMD)|
    
- **Befehlssatztypen**:
    - Stack, Akkumulator, Register-Memory, Load/Store    
- **Moore’s Law**: Verdopplung der Transistorzahl alle ~18 Monate
- **Leistungskennzahlen**: MIPS, FLOPS, CPI, IPC

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### **3️⃣ Schaltnetze & Endliche Automaten**

- **Schaltnetz**: stateless, keine Rückkopplung
- **Endlicher Automat (FSM)**: stateful, mit Rückkopplung
- **Flip-Flops**: Zustandspeicher, getaktet
- **DEA**: Zustandslogik + Zustandspeicher + Takt

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### **4️⃣ Prozessor (Teil 1)**

- **MIPS-ISA**:
    - R-Typ: `add $s1, $s2, $s3`    
    - Load/Store: `lw`, `sw`    
    - Branch: `beq`, `bne`    
- **CPU-Leistungsformel**:
    CPU-Zeit=IC×CPI×CTCPU\text{-Zeit} = IC \times CPI \times CT
- **Datenpfad-Bausteine**: ALU, Registerfile, Steuerwerk

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### **5️⃣ Prozessor (Teil 2)**

- **Steuersignale**:
    - MemtoReg, RegWrite, ALUSrc, Branch, Jump    
- **ALU Control**: Bestimmt Operation aus Opcode + Funct
- **Erweiterter Datenpfad**: Unterstützung für Jumps & Branches

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### **6️⃣ Pipelining**

- **5 Pipeline-Stufen**: IF → ID → EX → MEM → WB
- **Vorteil**: Erhöhter Durchsatz, gleiche Latenz
- **Hazards**:
    - **Strukturell**    
    - **Datenhazards**: Forwarding, Stalls    
    - **Kontrollhazards**: Branch Prediction (Static/Dynamic)    

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### **7️⃣ Pipelining: Datapath & Control**

- **Forwarding**: Bypassing von EX/MEM, MEM/WB
- **Load-Use Hazard**: 1-Stall einfügen
- **Branch Prediction**:
    - 1-Bit, 2-Bit Predictors    
    - Branch Target Buffer (BTB)    

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### **8️⃣ Pipelining: Exceptions, Interrupts & ILP**

- **Exceptions**: Fehler innerhalb CPU → EPC speichert PC
- **Interrupts**: externe Ereignisse
- **ILP**:
    - **Static (VLIW)** vs. **Dynamic (Superscalar)**    
    - **Speculation**: Branch & Load Speculation    
    - **Register Renaming**: Verhindert WAW & WAR    

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### **9️⃣ Intel vs. ARM**

|Feature|ARM Cortex-A8|Intel Core i7|
|---|---|---|
|Planung|Statisch, in-order|Dynamisch, out-of-order|
|TDP|2 W|130 W|
|Max Instr./Takt|2|4|

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### **🔟 Speicheranbindung**

- **Speicherhierarchie**: Register → Cache → RAM → SSD/HDD
- **Caches**:
    - Direct-Mapped, Set-Associative, Fully-Associative    
    - Write-Through vs. Write-Back    
    - **AMAT**:    
        AMAT=HitTime+MissRate×MissPenaltyAMAT = HitTime + MissRate \times MissPenalty
- **Cache Blocking**: Optimiert Speicherzugriffe

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### **1️⃣1️⃣ Assembler**

- **Assembler**: Übersetzt Assemblersprache → Maschinencode
- **Zwei-Pass-Assembler**: Symboltabelle, Opcode-Tabelle
- **Linker**: Relokation & externe Referenzen
- **Makros**: Ersetzung bei Übersetzung
- **Dynamisches Binden**: DLL (Windows), SO (Unix)

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### **1️⃣2️⃣ Compiler**

- **Compiler-Phasen**:
    1. Lexikalische Analyse    
    2. Syntaktische Analyse (AST)    
    3. Semantische Analyse    
    4. Zwischencode (3-Adress-Code)    
    5. Optimierung (lokal, global)    
    6. Codegenerierung    
- **Optimierungstechniken**: Loop Unrolling, Constant Folding, Dead Code Elimination
    
- **Tools**: `cc -E`, `cc -S`, `cc -c`, `cc -o`
    

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### **1️⃣3️⃣ Zuverlässigkeit & Virtualität**

- **Zuverlässigkeit**:
    Availability=MTTFMTTF+MTTRAvailability = \frac{MTTF}{MTTF + MTTR}
- **Hamming-Codes**: SEC/DED, ECC DRAM
- **Virtuelle Maschinen (VMs)**:
    - Vorteile: Isolation, Sicherheit    
    - VMM: verwaltet Ressourcen, Traps für privilegierte Instruktionen    
- **Virtueller Speicher**:
    - Page Tables, TLB, Page Fault Handling    
- **Cache-Kohärenz**:
    - Snooping, Directory-basierte Protokolle    

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💡 **Merke**: Prinzip der Lokalität & Speicherhierarchie sind Schlüsselthemen für Performance!