TI-Klausur (DT & RO)

Dieser Artikel beschäftigt sich mit der Vorlesungen „Digitaltechnik und Entwurfsverfahren“ sowie „Rechnerorganisation“ des Moduls „Technische Informatik“ am KIT. Er dient als Prüfungsvorbereitung. Ich habe die Vorlesungen bei Herrn Prof. Dr. Asfour gehört.

Vorbereitung DT

Themen:

  • Zahlensysteme: Horner-Schema, Euklidischer Algorithmus
  • Zahlendarstellungen: Wie wandle ich eine Zahl von 10-er-System ins Zahlensystem xy um und umgekehrt?
    • Vorzeichen
      • Betrag-Vorzeichen → Antwort
      • Einer-Komplement → Antwort
      • Zweier-Komplement → Antwort
      • Exzess-q → Antwort
  • Komma
    • Festkomma → Beispiele
    • Gleitkomma → Beispiele (\(\pm \text{Mantisse} \cdot b^\text{Exponent}\))

  • IEEE 754 Format
    • A practical approach to floats
    • Wie wird NaN dargestellt? Wie wird \(-\infty\) und \(+\infty\) dargestellt?
    • Was ist eine normalisierte Zahl, was eine denormalisierte?
  • Was ist BCD, AIKEN und STIBITZ? Wie werden die Ziffern von 0 - 9 dort dargestellt?
  • Was sind Hamming-Codes? → Antwort
  • Wie lauten die Huntingtonschen Axiome? → Antwort
  • Nenne 3 verschiedene vollständige Operatorensysteme. → Antwort
  • Was sind Primterme, Primimplikanten, Primimplikate, Minterme und Maxterme?
  • Was sind DMF, DNF, KMF, KNF?
  • Wie wende ich die Shannon-Zerlegung an? → Antwort
  • Wie minimiere ich Funktionen mit KV-Diagrammen?
  • Wie funktioniert das Quine-McCluskey Verfahren? → Antwort
  • Was macht das Consensus-Verfahren? → Antwort
  • Wie funktioniert das Nelson-Verfahren?
  • Was bedeutet selbstleitend und selbstsperrend?
  • Was ist MOSFET? → Aufbau
  • CMOS, N-MOS, P-MOS
  • Was ist der Unterschied zwischen einem Hasard und einem Hasard-Fehler?
  • Woran erkennt man Funktionshasards, woran Strukturhasards?
  • Wie lauten die Ansteuertabellen von D-, T-, JK- und RS-Flipflops? → Antwort
  • Was macht ein Carry-ripple-Addierer? → Antwort
  • Inwiefern stellt der Carry-lookahead-Addierer eine Verbesserung des Carry-ripple-Addierers dar? → Antwort
  • Was macht man, wenn bei der Addition zweier BCD-Zahlen eine Pseudotetrade auftritt? → Antwort
  • Was macht man, wenn bei der Addition zweier BCD-Zahlen ein Übertrag in die nächste BCD-Ziffer auftritt? → Antwort
  • Was macht man, wenn bei der Addition zweier BCD-Zahlen bei der Korrekturaddition ein Übertrag auftrat? → Antwort
  • Was ist die PPS-Methode? → Antwort

    • Vorbereitung RO

    Themen:

    • Y-Diagramm
    • Aufbau eines Mikroprozessors
    • Umrechnen von Zahlensystemen
    • RAM-Typen (DRAM, FPM-DRAM, EDO-RAM, SDRAM, DDRAM, DDR-SDRAM, RDRAM)
    • Cache-Speicher

    Begriffe

    • Was sind Tristate-Treiber? → Antwort
    • Was ist der Unterschied zwischen Assembler, Maschinensprache und Mikrobefehlen?
    • Wofür stehen RISC und CISC und was sind Beispiele? → Antwort
    • Was ist ein User/System Bit, was ein Trace Bit und was ein Decimal bit? → Antwort
    • Welche Informationen können im Statusregister des Rechnewerkes stehen? → Antwort
    • Welche Informationen können im Akkumulator stehen? → Antwort
    • Warum benötigt die ALU Hilfsregister? → Antwort
    • Entspricht das logische Rechtsschieben der Division durch zwei? → Antwort
    • Was ist ein superskalarer Prozessor? → Antwort
    • Was ist ein little Endian und was ist big Endian? → Antwort
    • Was versteht man unter dem Nulladressformat? → Antwort
    • Was ist eine „effektive Adresse“? → Antwort
    • Was bedeutet ZF, CF, SF, OF und wozu sind sie jeweils gut?
    • Was ist eine Load/Store-Architektur? → Antwort
    • Was sind die fünf Schritte in der DLX-Pipeline-Verarbeitung? → Antwort
    • In welcher Pipeline-Phase werden die Operanden aus dem memory geholt? → Antwort
    • Durch welche Abhängigkeiten entstehen Verzögerungen in der DLX-Pipeline und wann treten diese auf? → Antwort
    • Was ist eine echte Datenabhängigkeit, was eine Gegenabhängigkeit und was eine Ausgabeabhängigkeit? → Antwort
    • Was ist eine falsche Abhängigkeit? → Antwort
    • Treten bei echten Abhängigkeiten immer Konflikte auf? → Antwort
    • Welche Konflikte gibt es und wann können sie auftreten? → Antwort
    • Welche Abhängigkeiten können bei der DLX-Pipeline zu Konflikten führen? → Antwort
    • Wie kann man Datenkonflikte durch Software lösen? → Antwort
    • Wie kann man Datenkonflikte durch Hardware lösen? → Antwort
    • Nennen Sie ein Beispiel für einen Konflikt, der nicht durch Forwarding löstbar ist? → Antwort
    • Wie kann man Ressourcenkonflikte lösen? → Antwort
    • Was bedeutet tRAC, tRC, tCAC und tPC?
    • Wie versteht man unter Bus-Schnüffeln? → Antwort

    MIPS

    Befehlsformate

    MIPS Befehlsformate
    MIPS Befehlsformate
    Quelle: Folien von Prof. Dr. Asfour

    Typ-R Befehle sind arithmetisch-logische Befehle wie add, sub, and, or sowie Vergleichsbefehle wie slt.

    Typ-I Befehle sind Lade- und Speicherbefehle sowie Verzweigungsbefehle: lw \(rt, imm(\)rs) sw \(rt, imm(\)rs) beq $rs, $rt, immediate: Hier wird immediate als 16-Bit vorzeichenbehaftete Zahl interpretiert und als Offset benutzt. Die Basisadresse ist dabei im PC. Also lautet die Zieladresse: (PC zum Zeitpunkt des Befehls + 4) + immediate

    Grundlegende Befehle

    Syntax Erklärung
    li $t0, 9 load immediate: Lädt eine Konstante in ein Register
    sll $rd, $rd, shamt shift left logical: $rd = $rs << shamt
    ble Rsrc1, Src2, label Branch on Less Than Equal: Rsrc1 ≤ Src2
    bne $rs, $rt, imm Branch on not equal: if($rs!=$rt) PC = PC + imm (imm could also be a label)
    slti $rt, $rs, imm Store less than immediate: if($rs < imm) {$rt = 1;} else {$rt = 0}
    la Rdest, address Load computed address, not the contents of the location, into register Rdest

    MiMa

    Mikrobefehlsformat der MiMa
    Mikrobefehlsformat der MiMa
    Quelle: Folien von Prof. Dr. Asfour

    Fetch-Phase

    In der Fetch-Phase muss das die neue Instruktion ins IR geladen werden und der PC um eins erhöht werden:

    1. Takt: IAR → SAR; IAR → X; R = 1
    2. Takt: Eins → Y; ALU auf addieren; R = 1
    3. Takt: ALU auf addieren; R = 1
    4. Takt: Z → IAR
    5. Takt: SDR → IR

    Das zugehörige Mikroprogramm ist:

    0010 0001 0000 1000 1000 0000 0001
0001 0100 0000 0000 1000 0000 0010
0000 0000 0000 0001 1000 0000 0011
0000 1010 0000 0000 0000 0000 0100
0000 0000 1001 0000 0000 0000 0101

    Fragen

    Zeichnen Sie ein Y-Diagramm.
    Y-Diagramm
    Y-Diagramm
    Quelle: Folien von Prof. Dr. Asfour
    Wie ist ein Von-Neumann-Rechner aufgebaut?
    Von-Neumann-Architektur
    Von-Neumann-Architektur
    Das Steuerwerk wird auch „Leitwerk“ genannt, das Rechenwerk auch „Arithmetic Logic Unit“. Der BUS beinhaltet Adress-, Daten- und Steuerleitungen. Im Gegensatz zur Harvard-Architektur wird beim Speicher in der Von-Neumann-Architektur nicht zwischen Daten und Programmen unterschieden.
    Wie ist ein Mikroprozessor aufgebaut?
    Aufbau eines Mikroprozessors
    Aufbau eines Mikroprozessors
    Quelle: Folien von Prof. Dr. Asfour
    Aus welchen Phasen besteht die Befehlsausführung?
    • Holphase
    • Dekodierphase
    • Ausführungsphase
    Warum gibt es mehr als ein Befehlsregister?
    • Die Befehlsformate sind unterschiedlich lang
    • Opcode-Prefetching
    Was ist der Unterschied zwischen BCD in gepackter Darstellung und BCD in ungepackter Darstellung?
    Bei BCD in gepackter Darstellung werden in einem Byte (8 Bit) zwei BCD-Zahlen dargestellt. In der ungepackten Darstellung wird in einem Byte nur eine BCD-Zahl dargestellt.
    Pipeline-Konflikte: Welche Forwarding-Techniken gibt es und wie werden sie umgesetzt?
    Forwarding-Techniken
    Forwarding-Techniken
    Quelle: Quelle: Folien von Prof. Dr. Asfour
    Welche Halbleiterspeichertypen gibt es?
    Klassifizierung von Halbleiterspeicher
    Klassifizierung von Halbleiterspeicher
    Skizzieren Sie eine SRAM-Zelle.
    CMOS SRAM Zelle
    CMOS SRAM Zelle
    Wie unterscheiden sich RISC- und CISC-Architekturen?
    CISC RISC
    Komplexe Befehle, die in mehreren Taktzyklen ausgeführt werden Einfache Befehle, die in einem Taktzyklus ausgeführt werden
    Jeder Befehl kann auf den Speicher zugreifen Nur Lade- und Speicherbefehle greifen auf den Speicher zu
    Wenig Pipelining Intensives Pipelining
    Befehle werden von einem Mikroprogramm interpretiert Befehle werden durch festverdrahtete Hardware ausgeführt
    Befehlsformat variabler Länge Befehlsformat fester Länge
    Die Komplexität liegt im Mikroprogramm Die Komplexität liegt im Compiler
    Einfacher Registersatz Mehrere Registersätze
    Wie sieht das Schaltsymbol eines Halbaddierers aus?
    Schaltsymbol eines Halbaddierers
    Schaltsymbol eines Halbaddierers
    Wie kann man die Datenabhängigkeiten einer Pipeline spezifizieren und erkennen?
    Datenabhaengigkeiten in einer Pipeline
    Datenabhaengigkeiten in einer Pipeline
    Erkennen kann man sie sehr schnell, indem man eine Tabelle mit den Spalten Befehl, Ziel-Register und Operanden-Register macht. Dabei muss man insbesondere bei der Multiplikation, sw und lw aufpassen. Folgendes (sehr gekrizeltes) Beispiel für die Klausur vom 26. Juli 2012:
    Datenabhängigkeiten schnell erkennen
    Datenabhängigkeiten schnell erkennen

    Material

    StackOverflow:

    Aufbau der Klausur

    Die Klausuren sind alle sehr ähnlich aufgebaut. Eine typische Klausur hat 10 Aufgaben zu diesen Themen:

    1. Schaltfunktionen
    2. Spezielle Bausteine
    3. Laufzeiteffekte
    4. Schaltwerke
    5. Rechnerarithmetik und Codes
    6. Allgemeines: Ankreuzaufgaben
    7. MIPS-Assembler: C-Code in MIPS umwandeln und umgekehrt
    8. Pipelining: Datenkonflikte erkennen und mit NOPs beheben, eventuell gibts noch Forwarding
    9. Cache-Speicher
    10. Speicher

    Termine und Klausurablauf

    Datum: Mittwoch, den 3. April 2013 von 14:00 bis 16:00 Uhr
    Ort: Gaede (bei mir; siehe Hörsaaleinteilung, die seit dem 2. April 2013 draußen ist)
    Dauer: 1 h DT, 1 h RO
    Punkte: (vermutlich) 90
    Bestehensgrenze: (vermutlich) 40
    Übungsschein: Wird nicht ins Studienportal eingetragen
    Bonuspunkte:

    • Übungsschein RO: 1 Bonuspunkt
    • Übungsschein DT: 1 Bonuspunkt
    • Für die Probeklausuren jeweils:
      • Note „Sehr gut“: 2 Bonuspunkte
      • Note „Gut“: 1,5 Bonuspunkte
      • Note „Befriedigend“: 1 Bonuspunkt
      • Note „Ausreichend“: 0,5 Bonuspunkte

    Nicht vergessen

    • Studentenausweis
    • Kugelschreiber

    Ergebnisse

    Die Klausureinsicht ist am Montag, den 29. April 2013. Für die Einsicht muss man sich hier anmelden.

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