Rechnerorganisation und Rechnerentwurf: die Hardware/Software-Schnittstelle - MIPS Edition
Gespeichert in:
| Vorheriger Titel: | Patterson, David A. Rechnerorganisation und Rechnerentwurf |
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| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin
De Gruyter Oldenbourg
[2024]
|
| Ausgabe: | 6., aktualisierte und erweiterte Auflage |
| Schriftenreihe: | De Gruyter Studium
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | https://www.degruyter.com/isbn/9783111352640 Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Copyright © 2021 Elsevier 6th edition |
| Beschreibung: | xviii, 846 Seiten Illustrationen, Diagramme 24 cm x 17 cm, 1159 g |
| ISBN: | 9783111352640 3111352641 |
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Inhaltsverzeichnis 1 Abstraktionen und Technologien 1.1 Einführung . . . 1.2 Sieben große Ideen in der Computerarchitektur. .1.3 Was sich hinter einem Programm verbirgt. 1.4 Unter der Haube . 1.5 Prozessorherstellung und Speichertechnologien. 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 Leistung. Die Hürde des Stromverbrauchs . Der Wechsel von Einzelprozessoren zu Multiprozessoren . Fallstudie: Benchmarking des Intel Core i7 . . Beschleunigung: Matrixmultiplikation in Python . . . Fallstricke und Trugschlüsse. Schlussbetrachtungen. . . . Historische Perspektiven und Literaturhinweise. Fragestellungen für das Selbststudium. Aufgaben. 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 1 9 12 16 25 30 42 45 49 51 53 56 58 59 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
xvi Inhaltsverzeichnis 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 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 4 Der Prozessor 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 197 Einführung. 197 Addition und Subtraktion . 197 Multiplikation. 202 Division. 209 Gleitkommaarithmetik . . . . 217 Parallelität und Computerarithmetik: Subwort-Parallelität . . . 246 Fallstudie: Streaming-SIMD und Vektorerweiterungen für x86 247 Beschleunigung: Sübwört-Parallelität . . . . 249 Fallstricke und Trugschlüsse . 251
Schlussbetrachtungen . 255 Historische Perspektiven und Literaturhinweise. 259 Fragestellungen für das Selbststudium . 259 Aufgaben . . . . . . . 262 271 Einführung . . . . . . . . . . 271 Konventionen für den Entwurf von Logikschaltungen . . . . . 276 Aufbau eines Datenpfades . 279 Eine einfache Implementierungsmethode. 288 Eine Mehrtaktimplementierung . . . . . . 300 Übersicht über die Technik des Pipelinings . . . .302 Pipelining von Datenpfad und Steuerwerk. 317 Datenkonflikte: Forwarding vs. Stalling . 335 Steuerkonflikte . 349 Ausnahmebehandlung . . 359 Parallelität auf Befehlsebene. 366 Fallstudie: Intel Core i7 6700 und ARM Cortex-A53 . 382 Beschleunigung: Parallelität auf Befehlsebene . 391 Fortgeschrittener Stoff: Einführung in den Schaltungsentwurf . 393 Fallstricke und Trugschlüsse. . 393 Schlussbetrachtungen . . . . . . 395 Historische Perspektiven und Literaturhinweise. 396 Fragestellungen für das
Selbststudium. .396 Aufgaben . 398
xvii 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 '5.1 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 0 Parallelität und Speicherhierarchien: Cache-Kohärenz . . 519 Parallelität und Speicherhierarchie: RAID . . 524 Fortgeschrittener Stoff: Cache-Controller . 524 Speicherhierarchien von ARM Cortex-A53 und Intel Core i7 . 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
Inhaltsverzeichnis xviii A Assembler, Binder und SPIM-Simulator 657 A.l Einführung. 657 A.2 Assembler . . . 664 A.3 Binder. 672 A.4 Laden . . . . 673 A.5 Speichernutzung . 674 A.6 Prozeduraufrufkonvention . A.7 Ausnahmen und Interrupts. A.8 Ein- und Ausgabe . . . . A.9 SPIM. A. 10 MIPS R2000 Assemblersprache. . A.ll Schlussbetrachtungen. . .,. . . A.12 Aufgaben . 676 686 690 693 697 732 733 В Grundlagen des Logikdesigns 737 B.l Einführung. . . . 737 B.2 Gatter, Wahrheitstabellen und logische Gleichungen. 738 B.3 Kombinatorische Logik . 742 B.4 Hardwarebeschreibungssprachen . . 754 B.5 Konstruktion einer einfachen Arithmetikeinheit.759 B.6 Schnellere Addition: Carry-Lookahead-Addierer.771 B.7 Taktsignale. . 781 B.8 Speicherelemente: Flip-Flops, Latches und Register . 784 B.9 Speicherelemente: SRAMs und DRAMs. 792 В. 10 Endliche Automaten
. 802 B. ll Verfahren der Takterzeugung . . 807 B. 12 Field Programmable Devices (FPD). . . 812 B. 13 Schlussbetrachtungen . 814 B. 14 Aufgaben. 814 Fachbegriffe Deutsch - Englisch Englisch - Deutsch. Deutsch - Englisch . 825 825 828 Stichwortverzeichnis 831 |
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Inhaltsverzeichnis 1 Abstraktionen und Technologien 1.1 Einführung . . . 1.2 Sieben große Ideen in der Computerarchitektur. .1.3 Was sich hinter einem Programm verbirgt. 1.4 Unter der Haube . 1.5 Prozessorherstellung und Speichertechnologien. 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 Leistung. Die Hürde des Stromverbrauchs . Der Wechsel von Einzelprozessoren zu Multiprozessoren . Fallstudie: Benchmarking des Intel Core i7 . . Beschleunigung: Matrixmultiplikation in Python . . . Fallstricke und Trugschlüsse. Schlussbetrachtungen. . . . Historische Perspektiven und Literaturhinweise. Fragestellungen für das Selbststudium. Aufgaben. 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 1 9 12 16 25 30 42 45 49 51 53 56 58 59 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
xvi Inhaltsverzeichnis 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 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 4 Der Prozessor 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 197 Einführung. 197 Addition und Subtraktion . 197 Multiplikation. 202 Division. 209 Gleitkommaarithmetik . . . . 217 Parallelität und Computerarithmetik: Subwort-Parallelität . . . 246 Fallstudie: Streaming-SIMD und Vektorerweiterungen für x86 247 Beschleunigung: Sübwört-Parallelität . . . . 249 Fallstricke und Trugschlüsse . 251
Schlussbetrachtungen . 255 Historische Perspektiven und Literaturhinweise. 259 Fragestellungen für das Selbststudium . 259 Aufgaben . . . . . . . 262 271 Einführung . . . . . . . . . . 271 Konventionen für den Entwurf von Logikschaltungen . . . . . 276 Aufbau eines Datenpfades . 279 Eine einfache Implementierungsmethode. 288 Eine Mehrtaktimplementierung . . . . . . 300 Übersicht über die Technik des Pipelinings . . . .302 Pipelining von Datenpfad und Steuerwerk. 317 Datenkonflikte: Forwarding vs. Stalling . 335 Steuerkonflikte . 349 Ausnahmebehandlung . . 359 Parallelität auf Befehlsebene. 366 Fallstudie: Intel Core i7 6700 und ARM Cortex-A53 . 382 Beschleunigung: Parallelität auf Befehlsebene . 391 Fortgeschrittener Stoff: Einführung in den Schaltungsentwurf . 393 Fallstricke und Trugschlüsse. . 393 Schlussbetrachtungen . . . . . . 395 Historische Perspektiven und Literaturhinweise. 396 Fragestellungen für das
Selbststudium. .396 Aufgaben . 398
xvii 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 '5.1 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 0 Parallelität und Speicherhierarchien: Cache-Kohärenz . . 519 Parallelität und Speicherhierarchie: RAID . . 524 Fortgeschrittener Stoff: Cache-Controller . 524 Speicherhierarchien von ARM Cortex-A53 und Intel Core i7 . 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
Inhaltsverzeichnis xviii A Assembler, Binder und SPIM-Simulator 657 A.l Einführung. 657 A.2 Assembler . . . 664 A.3 Binder. 672 A.4 Laden . . . . 673 A.5 Speichernutzung . 674 A.6 Prozeduraufrufkonvention . A.7 Ausnahmen und Interrupts. A.8 Ein- und Ausgabe . . . . A.9 SPIM. A. 10 MIPS R2000 Assemblersprache. . A.ll Schlussbetrachtungen. . .,. . . A.12 Aufgaben . 676 686 690 693 697 732 733 В Grundlagen des Logikdesigns 737 B.l Einführung. . . . 737 B.2 Gatter, Wahrheitstabellen und logische Gleichungen. 738 B.3 Kombinatorische Logik . 742 B.4 Hardwarebeschreibungssprachen . . 754 B.5 Konstruktion einer einfachen Arithmetikeinheit.759 B.6 Schnellere Addition: Carry-Lookahead-Addierer.771 B.7 Taktsignale. . 781 B.8 Speicherelemente: Flip-Flops, Latches und Register . 784 B.9 Speicherelemente: SRAMs und DRAMs. 792 В. 10 Endliche Automaten
. 802 B. ll Verfahren der Takterzeugung . . 807 B. 12 Field Programmable Devices (FPD). . . 812 B. 13 Schlussbetrachtungen . 814 B. 14 Aufgaben. 814 Fachbegriffe Deutsch - Englisch Englisch - Deutsch. Deutsch - Englisch . 825 825 828 Stichwortverzeichnis 831 |
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