Rechnerarchitektur

Das Buch gibt einen umfassenden Überblick über die Hardware- und Software-Konzepte, auf denen moderne Rechnersysteme beruhen, von den Arbeitsplatzrechnern bis zu den Supercomputern und den zukünftigen massiv-parallelen Rechnern. Im Anschluß an die Betrachtung der Architektur sequentieller Rechner, ihrer Prozessoren und ihrer Speicherhierarchien werden die Grundlagen für die Parallelarbeit dargelegt. Zunächst werden die Prinzipien der Parallelarbeit im Prozessor behandelt, was zu den VLIW-Maschinen und den superskalaren Prozessoren führt, und die damit verbundenen Compilerprobleme erörtert. Ein Kapitel ist den SIMD-Architekturen in Form der Vektormaschinen oder der Anordnungen gleichartiger Rechnerelemente gewidmet. Ein eigenes Kapitel stellt ausführlich und mit Beispielen die Prinzipien der Datenstruktur-Architekturen und der Sprach-Architekturen dar. Datenstruktur-Architekturen sind dahingehend optimiert, datenparallele Anwendungen mit komplexen Datenstrukturtypen möglichst effizient zu bearbeiten. Sprach-Architekturen dienen der Unterstützung von Sprachen wie Lisp und Prolog. Datenflußarchitekturen werden in einem eigenen Kapitel ausführlich behandelt. Die letzten drei Kapitel sind den Parallelrechnern gewidmet: Aus den Programmiermodellen für massiv-parallele Architekturen werden die verschiedenen Architekturformen abgeleitet. Die Eigenschaften der einzelnen Architekturformen, die zentrale Frage der Kommunikationslatenz und die spezifischen Softwarefragen werden gründlich behandelt. Das Buch zeichnet sich durch eine sehr systematische Darstellung aus sowie auch dadurch, daß nicht nur auf die Hardware-Architekturen eingegangen wird, sondern ebenso sehr auf die relevanten Fragen der Systemsoftware und Programmierung.

1 Einleitung.- 1.1 Was ist Rechnerarchitektur?.- 1.2 Zum Stand der Technik der Hardwarekomponenten.- 1.3 Motivation für innovative Rechnerarchitekturen.- 1.4 Das Schichtenmodell eines Rechnersystems.- 1.5 Die Konstituenten einer Rechnerarchitektur.- 1.6 Taxonomie von Rechnerarchitekturen.- Literatur zu Kapitel 1.- 2 Sequentielle Rechner.- 2.1 Die Struktur der von-Neumann-Maschine.- 2.2 Das Operationsprinzip der von-Neumann-Maschine.- 2.3 Berechnung und Ablaufkontrolle in der von-Neumann-Maschine.- 2.4 Nicht-von-Neumann-Architekturen.- 2.5 Programmstrukturen sequentieller Rechner.- 2.6 Konkurrente Prozesse.- 2.7 Grundlagen der Speicherorganisation im von-Neumann-Rechner.- Literatur zu Kapitel 2.- 3 Grundzüge der Prozessor-Architekturen.- 3.1 Die minimale von-Neumann-Maschine.- 3.2 Mehrregister-Maschinen.- 3.3 Mikroprogrammierte CISC-Prozessoren.- 3.4 Anwendung des Pipeline-Prinzips im Prozessor.- 3.5 RISC-Prozessoren.- 3.6 Bus-Systeme.- Literatur zu Kapitel 3.- 4 Speicherorganisation und Speicherverwaltung.- 4.1 Speicherhierarchie.- 4.2 Seitenadressierung.- 4.3 Cache-Speicher.- 4.4 Hauptspeicher.- 4.5 Speichersegmentierung.- 4.6 Virtueller Speicher.- 4.7 Einfacher Objektschutz.- 4.8 Absoluter Objektschutz: Capability-Adressierung.- Literatur zu Kapitel 4.- 5 Konzepte der Parallelarbeit.- 5.1 Parallelität und Datenabhängigkeit.- 5.2 Die Ebenen der Parallelarbeit.- 5.3 Die Anweisungsebene.- 5.4 Erkennen von Parallelität auf der Anweisungsebene.- 5.5 Die Prozeßebene.- 5.6 Nutzung der Anweisungs-Parallelität.- 5.7 Synchronisation von Parallelarbeit.- 5.8 Datenstrukturen und Parallelarbeit.- Literatur zu Kapitel 5.- 6 Superskalare Prozessoren und VLWI-Maschinen.- 6.1 Übersicht.- 6.2 Der erste superskalare Prozessor: CDC6600.- 6.3 Moderne superskalareMikroprozessoren.- 6.4 Das Problem des Multiport-Registerfiles.- 6.5 Das Compilerproblem.- 6.6 Die VLWI-Maschine.- Literatur zu Kapitel 6.- 7 SIMD-Architekturen.- 7.1 Vektormaschinen und Anordnungen von Rechenelementen.- 7.2 Das Operationsprinzip der Vektormaschinen.- 7.3 Leistungskenngrößen der Vektormaschine.- 7.4 Speicherverschränkung.- 7.5 Frühe Vektormaschinen: STAR-100, CYBER 203, CRAY-1.- 7.6 Moderne Multiprozessor-Vektormaschinen: CRAY-X MP.- 7.7 Die Programmierung von Vektormaschinen.- 7.8 Konzepte der ILLIACIV als Beispiel eines RE-Arrays.- 7.9 Die Connection Machine CM2.- Literatur zu Kapitel 7.- 8 Typenkennung, Datenstruktur-Architekturen, Sprach-Architekturen.- 8.1 Architekturen mit Typenkennung.- 8.2 Aufbau von Datenstrukturtypen, DRAMA-Prinzip.- 8.3 Datenstruktur-Architekturen.- 8.4 Sprach-Architekturen.- 8.5 Assoziative Rechner.- Literatur zu Kapitel 8.- 9 Datenfluß-Architekturen.- 9.1 Übersicht.- 9.2 Grandlagen der Datenflußarchitekturen.- 9.3 Statische Datenflußarchitekturen.- 9.4 Dynamische Datenflußarchitekturen.- 9.5 Verfeinerungen der dynamischen Datenflußarchitektur.- 9.6 Hybride Datenflußarchitekturen,.- 9.7 Reduktionsmaschinen.- Literatur zu Kapitel 9.- 10 Grundlagen der MIMD-Architekturen.- 10.1 Allgemeine Gesichtspunkte.- 10.2 Verbindungsnetz-Topologien.- 10.3 Verhaltensparameter von Verbindungsnetzen.- 10.4 Übersicht über die behandelten MIMD-Architekturen.- Literatur zu Kapitel 10.- 11 Systeme mit gemeinsamem Speicher.- 11.1 Schleifen-Parallelisierung.- 11.2 Speicherkopplung mit vielen Kontrollfäden.- 11.3 MIMD-Architekturen mit verteiltem gemeinsamem Speicher.- 11.4 Vielfadige Architekturen mit verteiltem Speicher.- Literatur zu Kapitel 11.- 12 MIMD-Architekturen mit verteiltem Speicher.- 12.1 Die großen Herausforderungen.-12.2 Die Knotenarchitektur.- 12.3 Verbindungsnetze für massiv-parallele Rechner.- 12.4 Synchrone oder asynchrone Kommunikation?.- 12.5 Das parallele Knoten-Betriebssystem.- 12.6 Der virtuelle gemeinsame Speicher (VGS).- 12.7 Die Programmierung nachrichtenorientierter Systeme.- 12.8 Ausblick: Neue Programmiermodelle für massiv-parallele Systeme.- Literatur zu Kapitel 12.- Sach-und Namensverzeichnis.