Rechnerorganisation und Rechnerentwurf: die Hardware/Software-Schnittstelle
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| Previous Title: | Patterson, David A. Rechnerorganisation und -entwurf |
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| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
München
Oldenbourg
2011
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| Edition: | 4., vollst. überarb. Aufl. |
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XXIII, 720 S. Ill., graph. Darst. 24 cm 1 CD-ROM (12 cm) |
| ISBN: | 9783486591903 3486591908 |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Grundlegende Ideen, Technologien und Komponenten
І
1.1 Einführung........................... 1
1.1.1 Klassen
deľ Computeľanwendungen
und deren Eigen¬
schaften......................... 3
1.1.2 Was Sie in diesem Buch lernen können......., 5
1.2 Das verbirgt sich hinter einem Programm........... 9
1.3 Unter der Gehäuseabdeckung.................. 12
1.3.1 Anatomie einer Maus.................. 14
1.3.2 Ein Blick hinter die Mattscheibe
(computer display) .
16
1.3.3 Öffnen des Gehäuses.................. 17
1.3.4 Ein sicherer Ort für Daten.............. . 21
1.3.5 Die Kommunikation mit anderen Computern ..... 24
1.3.6 Technologien für die Herstellung von Prozessoren und
Speichern........................ 25
1.4 Leistung............................. 27
1.4.1 Leistung definieren................... 27
1.4.2 Leistung messen.................... 30
1.4.3 CPU-Leistung und ihre Faktoren............ 32
1.4.4 Befehlsleistung..................... 33
1.4.5 Die klassische Gleichung für die CPU-Leistung .... 35
1.5 Die Hürde des Stromverbrauchs................ 38
1.6 Eine grundlegende Veränderung: Der Wechsel von Einzelpro-
zessoren zu Multiprozessoren.................. 41
1.7 Fallstudien: Herstellung und
Benchmarking
des AMD Opteron
X4 ..... ................ ........... 45
1.7.1 SPEC CPU-Benchmark................ 48
1.7.2 SPEC-Leistungs-Benchmark.............. 50
1.8 Fallstricke und Fehlschlüsse .................. 52
1.9 Schlussbetrachtungen....................., 55
1.10 Historische Perspektiven und Literaturhinweise ........ 57
1.11 Aufgaben............................ 58
xviii Inhaltsverzeichnis
2 Befehle: Die Sprache des Rechners 73
2.1 Einführung........................... 73
2.2 Operationen der Rechnerhardware............... 74
2.3 Operanden der Rechnerhardware................ 78
2.3.1 Speicheroperanden................... 79
2.3.2 Konstante oder Direktoperanden............ 83
2.4 Vorzeichenbehaftete und nicht vorzeichenbehaftete Zahlen . . 84
2.5 Darstellung von Befehlen im Rechner............. 90
2.5.1 Die Felder im MIPS-Befehlsformat.......... 92
2.6 Logische Operationen...................... 97
2.7 Befehle zum Treffen von Entscheidungen........... 100
2.7.1 Schleifen........................ 102
2.7.2 CaseVswitch- Anweisung................ 105
2.8 Unterstützung von Prozeduren durch die Rechnerhardware . . 106
2.8.1 Verwendung weiterer Register............. 108
2.8.2 Geschachtelte Prozeduren............... 110
2.8.3 Zuordnen von Speicherplatz für neue Daten im Keller 113
2.8.4 Zuordnen von Speicherplatz für neue Daten auf der Halde 114
2.9 Kommunikation mit Menschen ................ 116
2.9.1 Zeichen und Zeichenfolgen in Java .......... 120
2.10 Umgang mit 32-Bit-Direktoperanden und 32-Bit-Adressen . . 121
2.10.1 32-Bit-Direktoperanden................ 122
2.10.2 Adressbildung bei Verzweigungen und Sprüngen ... 123
2.10.3 MIPS-Adressierungsarten - eine Übersicht...... 126
2.10.4 Entschlüsseln der Maschinensprache ......... 126
2.11 Parallelismus und Befehle: Synchronisierung......... 130
2.12 Übersetzen und Starten eines Programms ........... 133
2.12.1 Compiler........................ 134
2.12.2 Assembler ....................... 135
2.12.3 Binder.......................... 136
2.12.4 Lader.......................... 139
2.12.5 Dynamisch gebundene Bibliotheken
(DLLs, Dynami¬
cally Linked
Libraries)................. 140
2.12.6 Starten eines Java-Programms............. 142
2.13 Zusammenfassung am Beispiel eines Sortierprogramms in
С
. 144
2.13.1 Die Prozedur
swap
................... 144
2.13.2 Die Prozedur
sort
................... 146
2.14 Felder und Zeiger im Vergleich................. 152
2.14.1 Die Version von
clear
mit Feldern.......... 153
2.14.2 Die Version von
clear
mit Zeigern.......... 154
2.14.3 Vergleich der beiden Versionen von
clear
...... 155
2.15 Fortgeschrittener Stoff: C-Compiler und Java-Interpreter ... 156
2.16 Fallstudien: ARM-Befehle................... 156
2.16.1 Adressierungsmodi................... 157
2.16.2 Vergleichen und bedingte Verzweigung........ 158
2.16.3 Spezielle Funktionen von ARM............ 159
Inhaltsverzeichnis xix
2.17 Fallstudien: IA-32-Befehle................... 160
2.17.1 Die Entwicklung des Intel x86............. 161
2.17.2
xSó-Integer-Operationen
................ 166
2.17.3
xSő-Befehlscodierang
................. 169
2.17.4 x86 - Schlussbetrachtung ............... 170
2.18 Fallstricke und Fehlschlüsse .................. 171
2.19 Schlussbetrachtungen...................... 173
2.20 Historische Perspektiven und Literaturhinweise........ 175
2.21 Aufgaben............................ 175
3 Rechnerarithmetik 213
3.1 Einführung........................... 213
3.2 Addition und Subtraktion.................... 213
3.2.1 Multimedia-Arithmetik................. 216
3.2.2 Zusammenfassung................... 218
3.3 Multiplikation.......................... 219
3.3.1 Sequenzielle Version des Multiplikationsalgorithmus
und der Multiplikationshardware............ 220
3.3.2 Multiplikation mit Vorzeichen............. 223
3.3.3 Schnellere Multiplikation ............... 224
3.3.4 Multiplikation bei MIPS..............., 225
3.3.5 Zusammenfassung................... 225
3.4 Division............................. 226
3.4.1 Ein Divisionsalgorithmus und eine Divisionshardware 227
3.4.2 Division mit Vorzeichen................ 230
3.4.3 Schnellere Division................... 231
3.4.4 Division bei MIPS................... 231
3.4.5 Zusammenfassung................... 233
3.5 Gleitkommaarithmetik..................... 234
3.5.1 Gleitkommadarstellung................. 235
3.5.2 Addition von Gleitkommazahlen............ 240
3.5.3 Multiplikation von Gleitkommazahlen......... 243
3.5.4 Gleitkommabefehle im MIPS-Befehlssatz....... 249
3.5.5 Genaue Arithmetik................... 256
3.5.6 Zusammenfassung................... 258
3.6 Parallelismus und Computerarithmetik: Assoziativität..... 260
3.7 Fallstudie: Gleitkommaarithmetik in der x86-Architektur . . . 262
3.7.1 Die xSö-GIeitkommaarchitektur............ 262
3.7.2 Die SSE2-Gleitkommaarchitektur von Intel (Streaming
SIMD
Extension
2)................... 263
3.8 Fallstricke und Fehlschlüsse .................. 265
3.9 Schlussbetrachtungen...................... 269
3.10 Historische Perspektiven und Literaturhinweise .,.,..., 273
3.11 Aufgaben..........,.,....,,....,,,.. 274
XX
Inhaltsverzeichnis
4 Der Prozessor: Datenpfad und Steuerwerk 289
4.1 Einführung........................... 289
4.1.1 Eine einfache MlPS-Implementierung......... 290
4.2 Konventionen für den Entwurf von Logikschaltungen..... 294
4.3 Aufbau eines Datenpfads.................... 297
4.3.1 Entwurf eines einfachen Datenpfads.......... 302
4.4 Eine einfache Implementierungsmethode............ 306
4.4.1 Die ALU-Steuerung.................. 306
4.4.2 Entwurf der Hauptsteuereinheit............ 308
4.4.3 Warum eine Eintaktausführung heute nicht verwendet
wird........................... 316
4.5 Übersicht über die Technik des
Pipelinings
.......... 318
4.5.1 Entwurf von Befehlssätzen für das
Pipelining
..... 323
4.5.2 Pipeline-Hemmnisse.................. 324
4.5.3 Zusammenfassung: Die Technik des
Pipelinings
. . . 332
4.6
Pipelining
des Datenpfads ................... 334
4.6.1 Grafische Darstellung von Pipelines.......... 344
4.6.2
Pipelining
der Steuerung................ 348
4.7 Pipeline-Hemmnisse durch Datenabhängigkeit und die Tech¬
nik des
Forwarding
....................... 353
4.7.1 Pipelinehemmnisse durch Datenabhängigkeit und Pi¬
pelineverzögerungen .................. 362
4.8 Pipelinehemmnisse durch Kontrollflussabhängigkeiten .... 366
4.8.1 Annahme,
dass
Sprünge nicht ausgeführt werden . . . 366
4.8.2 Reduktion der Verzögerung durch Sprünge...... 367
4.8.3 Dynamische Sprungvorhersage ............ 369
4.8.4 Pipeline - Eine Zusammenfassung........... 374
4.9 Unterbrechungen........................ 375
4.9.1 Die Verarbeitung von Unterbrechungen in der MIPS-
Architektur....................... 376
4.9.2 Unterbrechungen in einer Pipelined-Implementierung . 378
4.10 Parallelismus und erweiterte Befehlsebenen-Parallelität .... 382
4.10.1 Das Prinzip der Spekulation.............. 384
4.10.2 Statische Mehrfachzuordnung............. 385
4.10.3 Prozessoren mit dynamischer Mehrfachzuordnung . . 390
4.10.4 Energieeffizienz und fortgeschrittenes
Pipelining
. . . 395
4.11 Fallstudie: Die Pipeline des AMD Opteron X4 (Barcelona) . . 396
4.12 Themenerweiterung: Eine Einführung in den Schaltungsent¬
wurf unter Verwendung einer Hardwaredesignsprache, um eine
Pipeline zu beschreiben, und weitere Pipeline-Abbildungen . . 399
4.13 Fallstricke und Fehlschlüsse.................. 399
4.14 Schlussbetrachtungen...................... 401
4.15 Historische Perspektiven und Literaturhinweise........ 402
4.16 Aufgaben............................ 402
Inhaltsverzeichnis xxi
5 Speicherhierarchie 443
5.1 Einführung........................... 443
5.2 Caches - Grandlagen...................... 448
5.2.1 Zugriff auf einen Cache ................ 452
5.2.2 Verarbeitung von Cache-Fehlzugriffen......... 458
5.2.3 Schreiboperationen verarbeiten ............ 459
5.2.4 Ein Beispiel-Cache: Der Intrinsity-FastM
ATH-ProzessoMó
1
5.2.5 Design des Speichersystems zur Unterstützung von
Caches ......................... 463
5.2.6 Zusammenfassung................... 467
5.3 Cache-Leistung messen und verbessern ............ 468
5.3.1 Reduzierung von Cache-Fehlzugriffen durch eine fle¬
xiblere Platzierung von Blöcken............ 472
5.3.2 Einen Block im Cache finden............. 476
5.3.3 Auswahl, welcher Block ersetzt werden soll...... 478
5.3.4 Reduzierung des Fehlzugriffsaufwands durch Cache-
Speicherhierarchien................... 479
5.3.5 Zusammenfassung............,.,.,,. 484
5.4 Virtueller Speicher ....................., . 485
5.4.1 Eine Seite platzieren und wieder finden......, . 489
5.4.2 Seitenfehler....................... 491
5.4.3 Schreiboperationen................... 495
5.4.4 Beschleunigung der Adressübersetzung: Der TLB . . . 496
5.4.5 Integration von virtuellem Speicher, TLB
s
und Caches 501
5.4.6 Implementierung von Schutzmechanismen mit einem
virtuellen Speicher................... 503
5.4.7 Verarbeitung von TLB-Fehlzugriffen und Seitenfehlern 505
5.4.8 Zusammenfassung................... 511
5.5 Ein gemeinsames Gerüst für Speicherhierarchien....... 513
5.5.1 Frage 1 : Wo kann ein Block platziert werden?..... 513
5.5.2 Frage 2: Wie findet man einen Block?......... 514
5.5.3 Frage 3: Welcher Block soll bei einem Cache-Fehlzu¬
griff ersetzt werden? .................. 515
5.5.4 Frage 4: Was passiert bei einer Schreiboperation? . . . 516
5.5.5 Die drei Cs: Ein intuitives Modell für ein Verständnis
des Verhaltens von Speicherhierarchien........ 518
5.6 Virtuelle Maschinen....................... 520
5.6.1 Anforderungen an einen VMM (Virtual Machine Mo¬
nitor) .......................... 522
5.6.2 (Fehlende) ISA-Unterstützung für virtuelle Maschinen 522
5.6.3 Schutz und ISA..................... 523
5.7 Mit einem endlichen Automaten einen einfachen Cache steuern 525
5.7.1 Ein einfacher Cache .,.........,..,,.. 57,5
5.7.2 Endliche Automaten...........,.,,,,. 526
5.7.3 FSM für eine einfache Cache -Steuerung ,,.,,,,, 528
xxii Inhaltsverzeichnis
5.8 Parallelismus und Speicherhierarchien: Cache-Kohärenz . . . 530
5.8.1 Grundlegende Vorgehensweisen für die Erzwingung
der Kohärenz...................... 531
5.8.2 Snooping-Protokolle.................. 532
5.9 Fortgeschrittener Stoff: Implementierung von Cache-Steuerun¬
gen ................................ 534
5.10 Fallstudien: Speicherhierarchien des AMD Opteron X4 (Bar¬
celona) und des Intel Nehalem................. 534
5.10.1 Die Speicherhierarchien des Nehalem und Opteron . . 535
5.10.2 Techniken zur Reduzierung des Fehlzugriffsaufwands 536
5.11 Fallstricke und Fehlschlüsse.................. 539
5.12 Schlussbetrachtungen...................... 543
5.13 Historische Perspektive und Literaturhin weise......... 544
5.14 Aufgaben............................ 545
6 Sekundärspeicher, Netzwerke und andere Peripheriegeräte 563
6.1 Einführung........................... 563
6.2 Verlässlichkeit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit....... 566
6.3 Festplattenspeichel und Zuverlässigkeit............ 568
6.4 Flash-Speicher......................... 574
6.5 Verbindungen von Prozessoren, Speicher und Ein-/Ausgabege¬
räten ............................... 576
6.5.1 Verbindungsgrandlagen................ 577
6.5.2 Die Ein-/Ausgabeverbindungen der
хбб-Ргогеѕѕогеп
. 579
6.6 Schnittstellen von den EinVAusgabe-Geräten zu Prozessor,
Speicher und Betriebssystem.................. 581
6.6.1 Befehle an EinVAusgabe-Geräte übermitteln..... 582
6.6.2 Kommunikation mit dem Prozessor.......... 584
6.6.3 Interrupt-Prioritäten.................. 585
6.6.4 Übertragung der Daten zwischen Gerät und Speicher . 587
6.6.5 DMA und das Speichersystem............. 589
6.7 Leistungsmaße für die EinVAusgabe: Beispiele aus Festpla¬
tten- und Dateisystemen .................... 590
6.7.1 Ein-/Ausgabe-Benchmarks für die Transaktionsverar¬
beitung ......................... 591
6.7.2 Benchmarks für Dateisysteme und Web-EinVAusgaben 592
6.8 Entwurf eines Ein-/Ausgabe-Systems ............. 593
6.9 Parallelismus und EinVAusgabe: RAID ............ 594
6.10
Fallstudie:
Sun Fire
x4150 Server ............... 602
6.11 Fortgeschrittene Themen: Netzwerke.............. 608
6.12 Fallstricke und Fehlschlüsse .................. 609
6.13 Schlussbetrachtungen...................... 614
6.14 Historische Perspektiven und Literaturhinweise........ 615
6.15 Aufgaben............................ 616
Inhaltsverzeichnis xxiii
7 Multikernprozessoren, Multiprozessoren und
Cluster
627
7.1 Einführung........................... 627
7.2 Die Schwierigkeit, parallel arbeitende Programme zu entwickeln 630
7.3 Multiprozessoren mit gemeinsam genutztem Speicher..... 634
7.4
Cluster
und andere Multiprozessoren mit Nachrichtenaustausch 636
7.5 Hardware-Mehrfädigkeit
(Multithreading)
........... 640
7.6 SISD, MIMD, SIMD, SPMD und Vektor............ 644
7.6.1 SIMD in x86: Multimedia-Erweiterungen....... 645
7.6.2 Vektor.......................... 646
7.6.3 Vektor im Vergleich zu
Skalar
............. 648
7.6.4 Vektor im Vergleich zu Multimedia-Erweiterungen . . 649
7.7 GPUs (Graphics Processing
Units)
- Einführung ....... 650
7.7.1 NVIDIA GPU-Architektur - Einführung ....... 653
7.7.2 GPUs in ihrer Umgebung................ 656
7.8 Einführung in Multiprozessor-Netzwerktopologien...... 657
7.9 Multiprozessor-Benchmarks.................. 660
7.10 Roofline: Ein einfaches Leistungsmodell............ 663
7.10.1 Das Roofline-Modell.................. 665
7.10.2 Vergleich von zwei Opteron-Generationen . ...... 667
7.11 Fallstudien: Benchmarks für vier
Multicores
unter
Verwen
dung
des Roofline-Modells................... 672
7.11.1 Dünn besetzte Matrix
(Sparse
Matrix)......... 676
7.11.2 Strukturiertes Gitter .................. 677
7.12 Fallstricke und Fehlschlüsse.................. 680
7.13 Schlussbetrachtungen...................... 683
7.14 Historische Perspektive und Literaturhinweise......... 684
7.15 Aufgaben............................ 685
Fachbegriffe Deutsch - Englisch 701
Englisch - Deutsch.......................... 701
Deutsch - Englisch.......................... 704
Sachverzeichnis 707
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