計算機系統(tǒng)結構41PPT學習教案

1、會計學1 計算機系統(tǒng)結構計算機系統(tǒng)結構41 2 第1頁/共44頁 3 第2頁/共44頁 4 nn 算叫做向量處理向量處理。相應指令叫向向 量指令量指令。 第3頁/共44頁 5 考察向量計算表達式： C(I)A(I5)B(I)I10，11，12，1000 (1)使用FORTRAN語言，循環(huán)部分為： DO40I10，1000 40C(I)A(I5)B(I) 一般機器上可用下列指令序列實現(xiàn) I=10 100LOADA(I+5) LOADB(I) ADDC(I),A(I),B(I) INCREMENTII+1 IFI=1000,GOTO100 STOP 第4頁/共44頁 6 (2)在具有向量數據表示的

2、機器中可用如下指令實現(xiàn) C(10 1000) A(105 10005)B(10 1000) 向量指令的基本格式 參加運算的每個向量都需指明其基地址、位移量和向量長度。 第5頁/共44頁 7 分析分析向量向量計算計算 Y=a X+ Z 用向量處理機處理用向量處理機處理 LD F0 a ; a裝入裝入F0 LV V1 M(X) ；X裝入裝入V1 MULV V2 , F0 ,V1 ； V2 =a X LV V3 , M(Y) ；Y裝入裝入V3 ADDV V4 , V3, V2 ; 向量加向量加 SV M(Y) , V4 ；存；存 V4 第6頁/共44頁 8 基本思想是把兩個向量的對應分量進行計算，產

3、生一 個結果向量?；灸Ｊ奖硎緸橄铝行问?C=A+B 按向量運算中各計算相繼的次序，歸結為3種方法種方法： (1)橫向處理橫向處理：計算按行的方式行的方式從左至右橫向進行，逐 個求向量中的每個分量。 (2)縱向處理縱向處理：計算按列的方式列的方式自上而下縱向地進行。 (3)縱橫處理：縱橫處理：又稱分組處理，上述兩種方法的結合， 即組內采用縱向處理，組間采用橫向處理。 第7頁/共44頁 9 (1)橫向處理：按以下表達式計算每個分量： d1a1（b1c1） d2a2（b2c2） : dNaN（bNcN） 采用流水方式計算時，每個向量加、乘運算中 都會發(fā)生數據相關。 計算一個分量要進行2次乘法和加法

4、功能的轉移。 共出現(xiàn)N次數據相關、2N次功能轉換。 橫向處理：不適合于向量流水處理 缺點 DA(BC) 第8頁/共44頁 10 用向量指令，相當于： KBC DKA DA(BC) 縱向處理：適合于向量流水線處理機， 第9頁/共44頁 11 當向量長度N超過向量寄存器限度時，需分組處理。 縱橫方法適合于寄存器-寄存器工作的向量處理機。 第10頁/共44頁 12 第11頁/共44頁 13 存儲器存儲器-存儲器結構存儲器結構框框圖：向量中對應分量的能并發(fā) 訪問，計算結果能并行地保存。 需要的帶寬是一般存儲器的3倍：一個時鐘周期內讀 出兩個操作數并寫回一個結果。 第12頁/共44頁 14 為滿足運算器

5、帶寬的要求，存儲器可采用多個存儲 器模塊組成的結構方式。如圖4.1(b)。 運算器與主存間有3條相互獨立的數據通路，數據 通路可并行工作，但一個存儲器模塊在同一時刻只 能為一個數據通路服務。 第13頁/共44頁 15 例如， A、B所對應的分量若在 同一個存儲器模塊，就不能同時 讀取，計算的中間結果也不能存 放在正“忙”的存儲器模塊中。 第14頁/共44頁 16 時鐘周期0，有兩個存儲模塊同時工作； 時鐘周期1、2、3、4，5，各有4個存儲模塊同時工作； 時鐘周期6（7）時，有5或6個存儲模塊同時工作。 實際中，數據存放并非理想，如RAi和RBi存放Mi中。 如何實現(xiàn)無沖突訪問? 第15頁/共

6、44頁 17 在運算流水線的輸入端和輸出端分別增加一個可變延遲緩沖 器。即可實現(xiàn)無沖突訪問。 假設向量A的輸入延遲兩個時鐘周期，輸出延遲4個時鐘周期 。所有向量都從模塊M0開始規(guī)則存放，分析向量計算的時空的時空 圖圖 第16頁/共44頁 18 1）假設一個存取周期等于兩個時鐘周期 2）A的輸入延遲兩個時鐘周期 3）輸出延遲4個時鐘周期 第17頁/共44頁 19 水線內部加緩沖器以消除內部沖突 的思想是一致的。 第18頁/共44頁 20 第19頁/共44頁 21 組成及標量和向量操作： 流水部件由向量部件、浮點部件、標量部件和和地 址運算部件組成。共12個。 指令緩沖器：由256個16位寄存器組

7、成，存放預取 指令。主要程序段可留在其中。內循環(huán)指令可全部放 在其中，不必到主存去反復取指令。大大減少取指次 數。 第20頁/共44頁 22 CRAY-1向量處理機簡介 第21頁/共44頁 23 第22頁/共44頁 24 n- 存儲系統(tǒng)結構設計思想是一致的。 即使操作數離處理器盡可能近， 使處理器處于忙碌狀態(tài)。 第23頁/共44頁 25 存儲器層次結構 隨著處理器速度、存儲器容量和級數增加，存儲器效率？ 計算機系統(tǒng)的高功耗、低效率及存儲頸問題突出 第24頁/共44頁 26 第25頁/共44頁 27 12個功能部件都是獨立的，只要滿足一定約束條件，可并行工作。 約束條件為：1.無向量寄存器使用沖

8、突；2.無功能部件使用沖突。 第26頁/共44頁 28 第27頁/共44頁 29 第28頁/共44頁 30 寫后讀的數據相關性寫后讀的數據相關性，加快向量指 令序列執(zhí)行速度。 n鏈接技術鏈接技術是流水線定向技術的發(fā)展。 第29頁/共44頁 31 MULV VV2，V3 ； V V2V3 1、2條指令可并行執(zhí)行：無寄存器和功能部件沖 突。 第3條指令與前兩條指令均能鏈接。 1、2條指令執(zhí)行時間和寄存器長度必須相同 第30頁/共44頁 32 處理機自動檢測每一條向量指令是否與前一條指令形成鏈接。 若滿足鏈接條件，便啟動本指令工作而形成鏈接。 數據進（出）每個功能部件，包括存器，需1個時鐘周期。 L

9、VV3，M(A)；V3A ADDVV2，V0，V1；V2V0V1 MULVV，V2，V3；VV2V3 第31頁/共44頁 33 如 鏈接條件問題 LVV3，M(A)；V3A ADDVV2，V0，V1；V2V0V1 MULVV，V2，V3；VV2V3 第32頁/共44頁 34 假定，一個程序段有以下三個向量操作：假定，一個程序段有以下三個向量操作： V3 A V2 V0 + + V1 V4 V2 * * V3 +1 +1 +1+1 +1 數據進出每個功能部件，需1個時鐘周期 向量在加法部件的執(zhí)行時間為(1+6+1)+N-1 鏈接后執(zhí)行時間增加? (1+7+1) 第33頁/共44頁 35 第34頁/共44頁 36 度計算出循環(huán)的次數。 第35頁/共44頁 37 第36頁/共44頁 38 前三種技術措施都是在單處理機結構的向量計算機上實現(xiàn)的。 為了有效地提高向量處理性能，新型向量機可采用多處理 機體系結構。 下圖是CRAYX-MP的結構框圖，它由4個CPU組成。CPU的 結構同CRAY-1向量處理機相似。 第37頁/共44頁 39 到發(fā)揮。 第38頁/共44頁 40