Questo libro ha l’obiettivo di studiare l’architettura degli elaboratori secondo un approccio integrato e strutturato tenendo sempre presente la doppia valenza, metodologica e tecnologica, e quindi applicando i risultati sia della ricerca scientifica sia dell’evoluzione tecnologica. Ogni argomento viene trattato cercando di sviluppare metodologie le più formali possibile e modelli di costo. Al tempo stesso, l’argomento viene studiato facendo riferimento alle tecnologie disponibili e a quelle previste nel breve-medio termine, eventualmente discutendo possibili evoluzioni nel lungo termine. L’architettura degli elaboratori ha avuto, negli anni, una fortissima evoluzione tecnologica, talvolta associata a vere e proprie rivoluzioni. Spesso questo è legato all’evoluzione delle tecnologie hardware integrate, che hanno reso fattibili nuovi concetti e nuovi modelli di sistema e di applicazioni (“technology push”). Al tempo stesso, le esigenze di nuovi settori applicativi, tanto in termini di funzionalità quanto di prestazioni, hanno stimolato la ricerca di tecnologie sempre più avanzate e “cost effective” (“technology pull”). Inoltre, assolutamente fondamentale per comprendere e dominare l’insieme di concetti e tecnologie afferenti all’architettura degli elaboratori è l’adozione di un approccio che studi in modo organico e uniforme gli aspetti “hardware” e gli aspetti “software” e le loro interrelazioni. Da questo insieme di considerazioni nasce l’esigenza di un testo di architettura che sia caratterizzato da un approccio il più possibile formale, strutturato e integrato allo studio dei sistemi e delle loro tecnologie. Il testo è suddiviso in quattro parti: 1. Fondamenti e Strutturazione Firmware: concetti di base e tecniche per sviluppare l’impostazione teorica e la conoscenza tecnologica di aspetti come unità di elaborazione, memorie, parallelismo, ciclo di clock, comunicazioni, prestazioni quantitative, metodologie orientate all’ottimizzazione del rapporto prestazioni/costo; 2. Macchina Assembler e Processi: concetti e tecniche sulla rappresentazione ed esecuzione di processi, sull’uso e indirizzamento della memoria, sui concetti legati agli spazi d’indirizzamento, sulla cooperazione tra processi e loro supporto; 3. Architettura Base di Elaboratori General-purpose: concetti e tecniche sulla rappresentazione ed esecuzione di programmi, sulle prestazioni ottenibili e oggettivamente dimostrabili, sull’uso ottimale dei supporti di memorizzazione e gerarchie di memoria, sul significato e sulla reale implementazione dei trasferimenti d’ingresso-uscita; 4. Architetture Parallele: principali concetti di strutturazione e valutazione delle computazioni parallele e delle principali architetture con parallelismo a livello d’istruzioni, scalari e superscalari, multithreading, multiprocessor e distribuite. Oltre che utilizzabile da professionisti e ricercatori, il testo contiene materiale per più corsi sull’architettura dei sistemi di elaborazione, e può essere utilizzato in modo del tutto modulare selezionando facilmente specifici capitoli o parti di essi. La trattazione fa ampio uso di esempi ed esercizi svolti. Le propedeuticità necessarie sono quelle di una preparazione di base nei settori della matematica, della programmazione e algoritmi a livello universitario degli insegnamenti iniziali di un corso di laurea in Informatica o Ingegneria Informatica. Rispetto alla prima edizione sono sviluppati a fondo i temi delle gerarchie di memoria, architetture ILP scalari e superscalari, in-order vs out-of-order, VLIW, multithreading, multicore, cache coherence.

Architettura degli Elaboratori

VANNESCHI, MARCO
2013

Abstract

Questo libro ha l’obiettivo di studiare l’architettura degli elaboratori secondo un approccio integrato e strutturato tenendo sempre presente la doppia valenza, metodologica e tecnologica, e quindi applicando i risultati sia della ricerca scientifica sia dell’evoluzione tecnologica. Ogni argomento viene trattato cercando di sviluppare metodologie le più formali possibile e modelli di costo. Al tempo stesso, l’argomento viene studiato facendo riferimento alle tecnologie disponibili e a quelle previste nel breve-medio termine, eventualmente discutendo possibili evoluzioni nel lungo termine. L’architettura degli elaboratori ha avuto, negli anni, una fortissima evoluzione tecnologica, talvolta associata a vere e proprie rivoluzioni. Spesso questo è legato all’evoluzione delle tecnologie hardware integrate, che hanno reso fattibili nuovi concetti e nuovi modelli di sistema e di applicazioni (“technology push”). Al tempo stesso, le esigenze di nuovi settori applicativi, tanto in termini di funzionalità quanto di prestazioni, hanno stimolato la ricerca di tecnologie sempre più avanzate e “cost effective” (“technology pull”). Inoltre, assolutamente fondamentale per comprendere e dominare l’insieme di concetti e tecnologie afferenti all’architettura degli elaboratori è l’adozione di un approccio che studi in modo organico e uniforme gli aspetti “hardware” e gli aspetti “software” e le loro interrelazioni. Da questo insieme di considerazioni nasce l’esigenza di un testo di architettura che sia caratterizzato da un approccio il più possibile formale, strutturato e integrato allo studio dei sistemi e delle loro tecnologie. Il testo è suddiviso in quattro parti: 1. Fondamenti e Strutturazione Firmware: concetti di base e tecniche per sviluppare l’impostazione teorica e la conoscenza tecnologica di aspetti come unità di elaborazione, memorie, parallelismo, ciclo di clock, comunicazioni, prestazioni quantitative, metodologie orientate all’ottimizzazione del rapporto prestazioni/costo; 2. Macchina Assembler e Processi: concetti e tecniche sulla rappresentazione ed esecuzione di processi, sull’uso e indirizzamento della memoria, sui concetti legati agli spazi d’indirizzamento, sulla cooperazione tra processi e loro supporto; 3. Architettura Base di Elaboratori General-purpose: concetti e tecniche sulla rappresentazione ed esecuzione di programmi, sulle prestazioni ottenibili e oggettivamente dimostrabili, sull’uso ottimale dei supporti di memorizzazione e gerarchie di memoria, sul significato e sulla reale implementazione dei trasferimenti d’ingresso-uscita; 4. Architetture Parallele: principali concetti di strutturazione e valutazione delle computazioni parallele e delle principali architetture con parallelismo a livello d’istruzioni, scalari e superscalari, multithreading, multiprocessor e distribuite. Oltre che utilizzabile da professionisti e ricercatori, il testo contiene materiale per più corsi sull’architettura dei sistemi di elaborazione, e può essere utilizzato in modo del tutto modulare selezionando facilmente specifici capitoli o parti di essi. La trattazione fa ampio uso di esempi ed esercizi svolti. Le propedeuticità necessarie sono quelle di una preparazione di base nei settori della matematica, della programmazione e algoritmi a livello universitario degli insegnamenti iniziali di un corso di laurea in Informatica o Ingegneria Informatica. Rispetto alla prima edizione sono sviluppati a fondo i temi delle gerarchie di memoria, architetture ILP scalari e superscalari, in-order vs out-of-order, VLIW, multithreading, multicore, cache coherence.
Vanneschi, Marco
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