Rechnerorganisation und Rechnerentwurf: die Hardware/Software-Schnittstelle - MIPS Edition
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| Previous Title: | Patterson, David A.: Rechnerorganisation und Rechnerentwurf, 5. Auflage, 2016 |
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| Main Authors: | , |
| Format: | Book |
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Berlin ; Boston
De Gruyter Oldenbourg
[2022]
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| Edition: | 6., aktualisierte und erweiterte Auflage |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis 1 Abstraktionen und Technologien 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 2 Befehle: Die Sprache des Rechners 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 1 Einführung........................................................................ 1 Sieben große Ideen in der Computerarchitektur............... 9 Was sich hinter einem Programm verbirgt........................ 12 Unter der Haube.................................................................. 16 Prozessorherstellung und Speichertechnologien............... 25 Leistung.............................................................................. 30 Die Hürde des Stromverbrauchs....................................... 42 Der Wechsel von Einzelprozessoren zu Multiprozessoren ... 45 Fallstudie: Benchmarking des Intel Core І7 .......................... 49 Beschleunigung: Matrixmultiplikation in Python ................. 51 Fallstricke und Trugschlüsse............................................. 53 Schlussbetrachtungen......................................................... 56 Historische Perspektiven und Literaturhinweise............... 58 Fragestellungen für das Selbststudium.............................. 59 Aufgaben.......................................................................... 62 71 Einführung........................................................................ 71 Operationen der Rechnerhardware.................................... 74 Operanden der Rechnerhardware....................................... 76 Vorzeichenbehaftete und nicht
vorzeichenbehaftete Zahlen . . 83 Darstellung von Befehlen im Rechner.............................. 91 Logische Operationen......................................................... 98 Befehle zum Treffen von Entscheidungen.......................... 101 Unterstützung von Prozeduren durch die Rechnerhardware . . 107 Kommunikation mit Menschen ................................................118 Umgang mit 32-Bit-Direktoperanden und 32-Bit-Adressen . . 124 Parallelität und Befehle: Synchronisierung .......................... 133 Übersetzen und Starten eines Programms .................................136 Zusammenfassung am Beispiel eines Sortierprogramms in C . 146 Felder und Zeiger im Vergleich........................................... 155 Fortgeschrittener Stoff: C-Compiler und Java-Interpreter . . . 159 Fallstudie: ARMv7-Befehle (32 Bit)................................. 159
Inhaltsverzeichnis xviii 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 Fallstudie: ARMv8-Befehle (64 Bit)............................................ 163 Fallstudie: RISC-V-Befehle............................................................ 164 Fallstudie: x86-Befehle...................................................................165 Beschleunigung: Matrixmultiplikation in C ................................176 Fallstricke und Trugschlüsse......................................................... 177 Schlussbetrachtungen...................................................................... 179 Historische Perspektiven und Literaturhinweise......................... 181 Fragestellungen für das Selbststudium......................................... 182 Aufgaben..................................................................................... 185 3 Rechnerarithmetik 197 3.1 Einführung....................................................................................... 197 3.2 Addition und Subtraktion................................................................. 197 3.3 Multiplikation ................................................................................... 202 3.4 Division............................................................................................. 209 3.5 Gleitkommaarithmetik................................................................... 217 3.6 Parallelität und Computerarithmetik: Subwort-Parallelität . . . 246 3.7 Fallstudie: Streaming-SIMD und Vektorerweiterungen für x86 247 3.8 Beschleunigung: Subwort-Parallelität
.......................................... 249 3.9 Fallstricke und Trugschlüsse.......................................................... 251 3.10 Schlussbetrachtungen...................................................................... 255 3.11 Historische Perspektiven und Literaturhinweise.......................... 259 3.12 Fragestellungen für das Selbststudium.......................................... 259 3.13 Aufgaben..........................................................................................262 4 Der Prozessor 271 4.1 Einführung...................................................................................... 271 4.2 Konventionen für den Entwurf von Logikschaltungen............. 276 4.3 Aufbau eines Datenpfades ............................................................. 279 4.4 Eine einfache Implementierungsmethode....................................... 288 4.5 Eine Mehrtaktimplementierung....................................................... 300 4.6 Übersicht über die Technik des Pipelinings....................................302 4.7 Pipelining von Datenpfad und Steuerwerk.................................... 317 4.8 Datenkonflikte: Forwarding vs. Stalling....................................... 335 4.9 Steuerkonflikte................................................................................ 349 4.10 Ausnahmebehandlung...................................................................... 359 4.11 Parallelität auf Befehlsebene.......................................................... 366 4.12 Fallstudie: Intel Core І7 6700 und ARM Cortex-A53
............. 382 4.13 Beschleunigung: Parallelität auf Befehlsebene............................. 391 4.14 Fortgeschrittener Stoff: Einführung in den Schaltungsentwurf . 393 4.15 Fallstricke und Trugschlüsse.......................................................... 393 4.16 Schlussbetrachtungen.......................................................................395 4.17 Historische Perspektiven und Literaturhinweise.......................... 396 4.18 Fragestellungen für das Selbststudium.......................................... 396 4.19 Aufgaben..........................................................................................398
xix Inhaltsverzeichnis 5 Groß und schnell: Ausnutzung der Speicherhierarchie 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 6 Parallele Prozessoren: Vom Client zur Cloud 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16 6.17 6.18 417 Einführung................................................................................ 417 Speichertechnologien................................................................. 422 Grundlagen des Cachings........................................................... 429 Cache-Leistung messen und verbessern................................... 444 Zuverlässige Speicherhierarchie............................................... 465 Virtuelle Maschinen.................................................................... 471 Virtueller Speicher.................................................................... 476 Allgemeines Schema der Speicherhierarchien.......................... 506 Steuerung eines einfachen Caches............................................ 514 Parallelität und Speicherhierarchien: Cache-Kohärenz........... 519 Parallelität und Speicherhierarchie: RAID................................ 524 Fortgeschrittener Stoff: Cache-Controller ................................ 524 Speicherhierarchien von ARM Cortex-A53 und Intel Core І7 . 524 Beschleunigung: Cache-Blocking ............................................ 529 Fallstricke und Trugschlüsse..................................................... 530
Schlussbetrachtungen................................................................. 537 Historische Perspektive und Literaturhinweise.......................... 538 Fragestellungen für das Selbststudium...................................... 538 Aufgaben................................................................................... 543 563 Einführung................................................................................ 563 Warum es schwierig ist, parallele Programme zu entwickeln . 565 SISD, MIMD, SIMD, SPMD und Vektor................................... 571 Hardwareseitiges Multithreading............................................... 579 Multiprozessoren mit gemeinsam genutztem Speicher........... 583 Grafikprozessoren (GPUs) - Einführung................................... 587 Domänenspezifische Architekturen............................................ 595 Cluster und Warehouse Scale Computer................................... 599 Einführung in Multiprozessor-Netztopologien.......................... 605 Kommunikation mit der Außenwelt: Cluster............................. 609 Multiprozessor-Benchmarks und Performanzmodelle........... 609 Google TPUv3 und NVIDIA Volta............................................ 620 Beschleunigung: Multiple Prozessoren...................................... 630 Fallstricke und Trugschlüsse..................................................... 633 Schlussbetrachtungen................................................................. 636 Historische Perspektive und Literaturhinweise.......................... 639 Fragestellungen für
das Selbststudium...................................... 639 Aufgaben................................................................................... 641 Fachbegriffe Deutsch - Englisch 657 Englisch - Deutsch.............................................................................. 657 Deutsch - Englisch.............................................................................. 660 Stichwortverzeichnis 663
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Inhaltsverzeichnis 1 Abstraktionen und Technologien 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 2 Befehle: Die Sprache des Rechners 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 1 Einführung. 1 Sieben große Ideen in der Computerarchitektur. 9 Was sich hinter einem Programm verbirgt. 12 Unter der Haube. 16 Prozessorherstellung und Speichertechnologien. 25 Leistung. 30 Die Hürde des Stromverbrauchs. 42 Der Wechsel von Einzelprozessoren zu Multiprozessoren . 45 Fallstudie: Benchmarking des Intel Core І7 . 49 Beschleunigung: Matrixmultiplikation in Python . 51 Fallstricke und Trugschlüsse. 53 Schlussbetrachtungen. 56 Historische Perspektiven und Literaturhinweise. 58 Fragestellungen für das Selbststudium. 59 Aufgaben. 62 71 Einführung. 71 Operationen der Rechnerhardware. 74 Operanden der Rechnerhardware. 76 Vorzeichenbehaftete und nicht
vorzeichenbehaftete Zahlen . . 83 Darstellung von Befehlen im Rechner. 91 Logische Operationen. 98 Befehle zum Treffen von Entscheidungen. 101 Unterstützung von Prozeduren durch die Rechnerhardware . . 107 Kommunikation mit Menschen .118 Umgang mit 32-Bit-Direktoperanden und 32-Bit-Adressen . . 124 Parallelität und Befehle: Synchronisierung . 133 Übersetzen und Starten eines Programms .136 Zusammenfassung am Beispiel eines Sortierprogramms in C . 146 Felder und Zeiger im Vergleich. 155 Fortgeschrittener Stoff: C-Compiler und Java-Interpreter . . . 159 Fallstudie: ARMv7-Befehle (32 Bit). 159
Inhaltsverzeichnis xviii 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 Fallstudie: ARMv8-Befehle (64 Bit). 163 Fallstudie: RISC-V-Befehle. 164 Fallstudie: x86-Befehle.165 Beschleunigung: Matrixmultiplikation in C .176 Fallstricke und Trugschlüsse. 177 Schlussbetrachtungen. 179 Historische Perspektiven und Literaturhinweise. 181 Fragestellungen für das Selbststudium. 182 Aufgaben. 185 3 Rechnerarithmetik 197 3.1 Einführung. 197 3.2 Addition und Subtraktion. 197 3.3 Multiplikation . 202 3.4 Division. 209 3.5 Gleitkommaarithmetik. 217 3.6 Parallelität und Computerarithmetik: Subwort-Parallelität . . . 246 3.7 Fallstudie: Streaming-SIMD und Vektorerweiterungen für x86 247 3.8 Beschleunigung: Subwort-Parallelität
. 249 3.9 Fallstricke und Trugschlüsse. 251 3.10 Schlussbetrachtungen. 255 3.11 Historische Perspektiven und Literaturhinweise. 259 3.12 Fragestellungen für das Selbststudium. 259 3.13 Aufgaben.262 4 Der Prozessor 271 4.1 Einführung. 271 4.2 Konventionen für den Entwurf von Logikschaltungen. 276 4.3 Aufbau eines Datenpfades . 279 4.4 Eine einfache Implementierungsmethode. 288 4.5 Eine Mehrtaktimplementierung. 300 4.6 Übersicht über die Technik des Pipelinings.302 4.7 Pipelining von Datenpfad und Steuerwerk. 317 4.8 Datenkonflikte: Forwarding vs. Stalling. 335 4.9 Steuerkonflikte. 349 4.10 Ausnahmebehandlung. 359 4.11 Parallelität auf Befehlsebene. 366 4.12 Fallstudie: Intel Core І7 6700 und ARM Cortex-A53
. 382 4.13 Beschleunigung: Parallelität auf Befehlsebene. 391 4.14 Fortgeschrittener Stoff: Einführung in den Schaltungsentwurf . 393 4.15 Fallstricke und Trugschlüsse. 393 4.16 Schlussbetrachtungen.395 4.17 Historische Perspektiven und Literaturhinweise. 396 4.18 Fragestellungen für das Selbststudium. 396 4.19 Aufgaben.398
xix Inhaltsverzeichnis 5 Groß und schnell: Ausnutzung der Speicherhierarchie 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 6 Parallele Prozessoren: Vom Client zur Cloud 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16 6.17 6.18 417 Einführung. 417 Speichertechnologien. 422 Grundlagen des Cachings. 429 Cache-Leistung messen und verbessern. 444 Zuverlässige Speicherhierarchie. 465 Virtuelle Maschinen. 471 Virtueller Speicher. 476 Allgemeines Schema der Speicherhierarchien. 506 Steuerung eines einfachen Caches. 514 Parallelität und Speicherhierarchien: Cache-Kohärenz. 519 Parallelität und Speicherhierarchie: RAID. 524 Fortgeschrittener Stoff: Cache-Controller . 524 Speicherhierarchien von ARM Cortex-A53 und Intel Core І7 . 524 Beschleunigung: Cache-Blocking . 529 Fallstricke und Trugschlüsse. 530
Schlussbetrachtungen. 537 Historische Perspektive und Literaturhinweise. 538 Fragestellungen für das Selbststudium. 538 Aufgaben. 543 563 Einführung. 563 Warum es schwierig ist, parallele Programme zu entwickeln . 565 SISD, MIMD, SIMD, SPMD und Vektor. 571 Hardwareseitiges Multithreading. 579 Multiprozessoren mit gemeinsam genutztem Speicher. 583 Grafikprozessoren (GPUs) - Einführung. 587 Domänenspezifische Architekturen. 595 Cluster und Warehouse Scale Computer. 599 Einführung in Multiprozessor-Netztopologien. 605 Kommunikation mit der Außenwelt: Cluster. 609 Multiprozessor-Benchmarks und Performanzmodelle. 609 Google TPUv3 und NVIDIA Volta. 620 Beschleunigung: Multiple Prozessoren. 630 Fallstricke und Trugschlüsse. 633 Schlussbetrachtungen. 636 Historische Perspektive und Literaturhinweise. 639 Fragestellungen für
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