【计算机】计算机体系结构第6章.pptVIP

计算机系统结构 第一章 基本概念 第五章 标量处理机 第二章 指令系统 第六章 向量处理机 第三章 存储系统 第九章 多处理机 第四章 输入输出系统 第六章 向量处理机 6.1 向量处理机的基本概念 6.2 向量处理机的结构 6.3 向量处理机的存取模式和数据结构 6.4 提高向量处理机性能的方法 6.5 向量处理机实例 6.6 向量处理机的性能评价 6.7 向量处理机的发展 6.1 向量数据表示方式 向量处理机是解决数值计算问题的一种高性能计算机结构 向量处理机一般都采用流水线结构，有多条流水线并行工作 向量处理机通常属大型或巨型机，也可以用微机加一台向量协处理器组成 一般向量计算机中包括有一台高性能标量处理机 必须把要解决的问题转化为向量运算，向量处理机才能充分发挥作用 6.1.1 什么是向量处理 我们把N个互相独立的数叫做“向量”，对这样一组数的运算叫做“向量处理”。 6.1.2 向量处理方式 在大型数组的处理中常常包含向量计算，按照数组中各计算相继的次序，我们可以把向量处理方法分为三种类型： 1.横向处理方式 向量计算是按行的方式从左至右横向地进行。 2.纵向处理方式 向量计算是按列的方式从上而下纵向地进行。 3.纵横处理方式 横向处理和纵向处理相结合的方式。 6.2 向量处理机结构 向量处理机的最关键问题是存储器系统能够满足运算部件带宽的要求。 主要采用两种方法： 1. 存储器－存储器结构 多个独立的存储器模块并行工作处理机结构简单，对存储系统的访问速度要求很高 2. 寄存器－寄存器结构 运算通过向量寄存器进行需要大量高速寄存器，对存储系统访问速度的要求降低 6.2.1 存储器－存储器结构 向量处理机中有多个高速流水线运算部件，存储器的访问速度是关键 采用多个存储体交叉和并行访问来提高存 储器速度，例如： CRAY-1有64个存储体，每个处理机访问4个存储体STAR-100采用32个存储体交叉，每个存储体并行读出8个64位数据 我国研制的YH-1向量计算机有37个存储体 操作数缓冲栈和写结果缓冲栈主要用于解 决访问存储器冲突虽然采用质数个存储体能消除访问存储器的冲突，但是，数据经过多次运算之后，在存储体中分布必然发生改变 主要优缺点： 硬件结构简单, 造价低；速度相对较低 6.2.2 寄存器-寄存器结构 把存储器-存储器结构中的缓冲栈改为向量寄存器，运算部件需要的操作数从向量寄存器中读取，运算的中间结果也写到向量寄存器中。 向量寄存器与标量寄存器的主要差别是： 一个向量寄存器能够保存一个向量，例如：64个64位寄存器。连续访问一个向量的各个分量。需要有标量寄存器和地址寄存器等。 采用寄存器-寄存器结构的主要优点：降低主存储器的流量。 例如：采用寄存器-寄存器结构的CRAY-1与采用存储器-存储器结构的STAR-100比较，运算速度高3倍多，而主存流量低2.5倍。 STAR-100的主存储器流量： 32×8W/1.28us=200MW/S CRAY-1的主存储器流量： 4W/50ns=80MW/S 6.3 向量处理方式 要根据向量运算的特点和向量处理机的类型选择向量的处理方式。 有三种处理方式： 1．横向处理方式，又称为水平处理方式，横向加工方式等。向量计算是按行的方式从左至右横向地进行。 2．纵向处理方式，又称为垂直处理方式，纵向加工方式等。向量计算是按列的方式自上而下纵向地进行。 3．纵横处理方式，又称为分组处理方式，纵横向加工方式等。横向处理和纵向处理相结合的方式。 6.3.1 横向处理方式 也称为水平处理方式，横向加工方式等逐个分量进行处理：假设中间结果为T(I) 计算第1个分量： T(1)＝B(1)＋C(1) Y(1) ＝A(1)×T(1) 计算第2个分量： T(2)＝B(2)＋C(2) Y(2) ＝A(2)×T(2) …… 计算最后一个分量：T(N) ＝B(N)＋C(N) Y(N)＝A(N)×T(N) 存在两个问题： 在计算向量的每个分量时，都发生写读数据相关。流水线效率低 如果采用多功能流水线，必须频繁进行流水线切换 横向处理方式对向量处理机不适合 即使在标量处理机中，也经常通过编译器进行指令流调度。 6.3.2 纵向处理方式 也称为垂直处理方式，纵向加工方式等 T(1) = B(1) + C(1) T(2) = B(2) + C(2) …… T(n) = B(n) + C(n) Y(1) = A(1)×T(1) Y(2) = A(2)×T(2) …… Y(N) = A(N)