計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第8章 具有現(xiàn)代特色的計(jì)算機(jī)

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

第『幸其哧現(xiàn)代清色的計(jì)算機(jī)

8?1脈動(dòng)陣列機(jī)

8.2數(shù)據(jù)流機(jī)

8.3歸約機(jī)

8.4智能機(jī)

8.5大規(guī)模并行處理機(jī)MPP與機(jī)群系統(tǒng)

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

8.1脈動(dòng)陣列機(jī)

8.1.1脈動(dòng)陣列結(jié)構(gòu)的原理

(0)傳統(tǒng)處理機(jī)。)脈動(dòng)處理器陣列結(jié)構(gòu)

圖8.1脈動(dòng)陣列結(jié)構(gòu)的基本原理

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

圖8.2是一個(gè)2X2的二維矩形脈動(dòng)陣列結(jié)構(gòu)。設(shè)陣列中

的各PE每步都能執(zhí)行Z—Z+XQ入，x出—x入，y出f入。在這個(gè)

兩維脈動(dòng)陣列上，如要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)2X2的矩陣4和B的乘，其中,

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

二維脈動(dòng)陣列結(jié)構(gòu)

每個(gè)PE的功能

，入

6一z9入

ZX_.ZE

fy田

圖8.22X2的二維矩形脈動(dòng)陣列結(jié)構(gòu)例

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

根據(jù)矩陣乘法規(guī)則有

+"12"21"1/12+。12b22

AB=

a21bli+。22b21a2Tbi2+a22b??

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

r------0------0

圖8.3在2X2=維矩形脈動(dòng)陣列上進(jìn)行兩個(gè)2X2矩陣相乘的過程

第3章具1現(xiàn)代特包的必算機(jī)

8.L2面向特定算法的脈動(dòng)陣列結(jié)構(gòu)

圖8.4脈動(dòng)陣列結(jié)構(gòu)的構(gòu)形舉例

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

例如，圖8.5給出了在一個(gè)脈動(dòng)式二維陣列結(jié)構(gòu)上進(jìn)行

二個(gè)3X3矩陣力、刀相乘的例子。每個(gè)處理單元PE內(nèi)含一個(gè)

乘法器和一個(gè)加法器，可完成一個(gè)內(nèi)積步運(yùn)算；每經(jīng)一拍可

把3個(gè)輸入端送來的信息沿3個(gè)不同方向，即由左向右的水

平方向、由下向上的垂直方向和由左下角到右上角的斜45°

方向，同時(shí)將結(jié)果傳送到對(duì)應(yīng)的3個(gè)輸出端，使優(yōu)—a,b，—b,

d—a，b+c?，F(xiàn)設(shè)矩陣4、B分別為

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

a\\an%341%配

A—6Z33?)B=

，

a32。334132%33

則

cnci3

C=A?B=

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

%

%。

0%

00

圖8.5脈動(dòng)式二維陣列流水舉例

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

脈動(dòng)陣列結(jié)構(gòu)有如下一些特點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)整，模塊化強(qiáng)

2）數(shù)據(jù)流和控制流的設(shè)計(jì)簡單規(guī)整

3）具有極高的計(jì)算并行性

4）脈動(dòng)陣列結(jié)構(gòu)的構(gòu)形與特定計(jì)算任務(wù)和算法密切相關(guān)

'第『章具嗡現(xiàn)代代包的計(jì)事機(jī)

8.1.3通用的脈動(dòng)陣列結(jié)構(gòu)

S）控制開關(guān)按二叉樹形陣列結(jié)

Q）控制開關(guān)按正方形陣列結(jié)構(gòu)互連構(gòu)互連（陰影處理單元為根）

圖8.6q編程脈動(dòng)陣列結(jié)構(gòu)

第3章具由現(xiàn)代特化的計(jì)算機(jī)

Q)WARP處理機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖8.7WARP處理機(jī)

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

8.2數(shù)據(jù)流機(jī)

8.2.1數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的概念

以計(jì)算一元二次方程以2+云+°=0的根作為例子。假定〃-

4ac>0,可以寫出如下的FORTRAN程序：

READ*,A,B,C

X1=2*A

D=SQRT(B*B-4*A*C)

D=D/X1

X2=-B/X1

X1=X2+D

X2=X2-D

PRINT*,XI,X2

END

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

輸出xl.x2

圖8.8求一元二次方程根的程序中的數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

a

圖8.9上/二次方程根的數(shù)據(jù)流程序圖

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

8.2.2數(shù)據(jù)流程序圖和語言

L數(shù)據(jù)流程序圖

圖8.10計(jì)算十號(hào)*佃d）的數(shù)據(jù)流程序圖

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

圖8.11數(shù)據(jù)流程序圖的執(zhí)行過程

Q)常數(shù)產(chǎn)生結(jié)點(diǎn)S)復(fù)制操作結(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)連接

控制連接

(c)連接操作結(jié)點(diǎn)

圖8.12常用非控制類操作結(jié)點(diǎn)及其激發(fā)規(guī)則

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

（C）開關(guān)門控結(jié)點(diǎn)W）歸并門控結(jié)點(diǎn)

圖8.13常用控制類操作結(jié)點(diǎn)及其激發(fā)規(guī)則

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

圖8.14具有條件分支結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流程序圖例

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

圖8.15縣有循環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流程序圖例

第3章具］覘代特包的制算機(jī)

圖8.16計(jì)算z=m+b)*(a/)的活動(dòng)模片表示法

圖8.17圖8.14數(shù)據(jù)流程序圖等效的活動(dòng)模片表示

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

2.數(shù)據(jù)流語言

單賦值語言是指在程序中，每個(gè)變量均只賦值一次，即

同一變量名在不同賦值語句的左部最多只出現(xiàn)一次。因此，

實(shí)際上并沒有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的變量的概念，只是一種值名。

例如，一個(gè)程序允許出現(xiàn)如下語句序列：

C=A+B

C=C*D

F=(C-D)/E

,第g)￡哧現(xiàn)代特邑的固用機(jī)

則所使用的語言就不是單賦值語言。若這時(shí)只允許把

程序?qū)懗?/p>

C=A+B

C1=C*D

F=(C1-D)/E

其所用的語言就體現(xiàn)出單賦值的規(guī)則和要求了。單賦值語言

的語義清楚，程序中的并行性易于被編譯程序所開發(fā)。

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

下面以這個(gè)語言列舉其單賦值語言具備的基本特點(diǎn)。

(1)遵循單賦值規(guī)則。

⑵有豐富的數(shù)據(jù)類型。

⑶具有很強(qiáng)的類型性。

(4)具有模塊化結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)思想。

(5)沒有全局存貯器和狀態(tài)的概念。

(6)程序不規(guī)定語句的執(zhí)行順序。

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

8.2.3數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)

L靜態(tài)數(shù)據(jù)流機(jī)

圖8.18靜態(tài)數(shù)據(jù)流機(jī)的結(jié)構(gòu)

處理部件PS

第1

短

令

牌

分配網(wǎng)絡(luò)

DN

存貯部

圖8.19MIT靜態(tài)數(shù)據(jù)流機(jī)主體結(jié)構(gòu)

第3章具哧帆代特

圖

8

?

20

271

8

的

仲

裁

網(wǎng)

絡(luò)

示

意

圖

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

2.動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流機(jī)

存貯部件

（存放指令單元）

匹配的令牌組

匹配部件

r處理部件:

L（多個(gè)處理器）,

圖8.21動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

00

PE。

11

PE1NXN

■開關(guān)

.網(wǎng)絡(luò)

AH

圖8.22MIT動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流機(jī)結(jié)構(gòu)

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

目的地

圖8.23MIT動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流機(jī)典型指令的格式

第9章其市現(xiàn)代特包的計(jì)算機(jī)

自開關(guān)網(wǎng)絡(luò)

去開關(guān)網(wǎng)絡(luò)

圖8.24MIT動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流機(jī)每個(gè)PE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

第歹章其市現(xiàn)代特包的計(jì)算機(jī)

自宿主機(jī)輸入輸出至宿主機(jī)

圖8.25Manchester數(shù)據(jù)流機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

8.2.4數(shù)據(jù)流機(jī)器存在的問題

(1)數(shù)據(jù)流機(jī)主要目的是為了提高操作級(jí)并行的開發(fā)水平,

但如果題目本身數(shù)據(jù)相關(guān)性很強(qiáng)，內(nèi)含并行性成分不多時(shí)，就

會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)流機(jī)的效率反而不如傳統(tǒng)的VonNeumann型機(jī)器的

高。

(2)在數(shù)據(jù)流機(jī)器中為了給數(shù)據(jù)建立標(biāo)記并識(shí)別和處理該

標(biāo)記，需要花費(fèi)較多的輔助開銷和較大的存貯空間(可能比

Neumann型的要大出2至3倍)。

(3)數(shù)據(jù)流機(jī)不保存數(shù)組。

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

(4)數(shù)據(jù)流語言的變量代表數(shù)值而不是存貯單元位置，

使程序員無法控制存貯分配。為了能有效地回收不用的存貯

單元，就增大了編譯程序設(shè)計(jì)的難度。

(5)專門適合于數(shù)據(jù)流機(jī)用的互連網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)較困難，

而且，對(duì)數(shù)據(jù)流機(jī)的輸入/輸出尚待完善。

(6)數(shù)據(jù)流機(jī)沒有程序計(jì)數(shù)器，給診斷和維護(hù)帶來困難。

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

8.3歸約機(jī)

從函數(shù)程序設(shè)計(jì)的角度看，一個(gè)程序就是一個(gè)函數(shù)的表達(dá)

式。通過定義一組“程序形成算符"(ProgramForming

Operators),可以用簡單函數(shù)(即簡單程序)構(gòu)成任意復(fù)雜的程序,

也就是，構(gòu)成任意復(fù)雜函數(shù)的表達(dá)式。反過來，如果給出了一

個(gè)屬函數(shù)表達(dá)式集合中的復(fù)雜函數(shù)的表達(dá)式，利用提供的函數(shù)

集合中的子函數(shù)經(jīng)過有限次歸約代換之后，總可以得到所希望

的結(jié)果，即由常量構(gòu)成的目標(biāo)。函數(shù)表達(dá)式指的是函數(shù)之間的

映射。從語法上講是按規(guī)定的語法規(guī)則構(gòu)成的符號(hào)串，從語義

上講是多個(gè)運(yùn)算符的組合。

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

函數(shù)集合中包括了所有的原函數(shù)和復(fù)合函數(shù)。原函數(shù)

（PrimitiveFunction）指的是，由一個(gè)目標(biāo)變換為另一個(gè)目標(biāo)

的基本映射，是歸約機(jī)建成時(shí)安裝上的函數(shù)。它們可以包

括有：從一個(gè)元素序列中選出某一個(gè)元素的函數(shù)，力口、減、

乘、除等算術(shù)函數(shù)，交叉置換函數(shù)，比較、測試函數(shù)，

附加序列函數(shù)，加1/減1函數(shù)，等等。復(fù)合函數(shù)指的是利

用一組“程序形成算符”由已有的函數(shù)（程序）構(gòu)成復(fù)雜的函

數(shù)（程序）。使用的“程序形成算符”一般有組合、構(gòu)造、

條件、插入、作用于全體等多種。

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

k從歸約的角度來理解，函數(shù)是一種特殊的表達(dá)式，即為有

局部變量的表達(dá)式。例如，經(jīng)DEF力切=x+z定義后，使表達(dá)式

x+z變成了函數(shù)，其中x為局部變量，z為全局變量。函數(shù)也可以

理解成是定義了一種子表達(dá)式的替換規(guī)則。例如，已定義了/函

數(shù)后，對(duì)表達(dá)式5*/(3)求值時(shí)，火3)就可以用3+z代換，從573)

轉(zhuǎn)換成5*(3+z)。

由目標(biāo)、函數(shù)、函數(shù)表達(dá)式、定義(DEF)和作用算符就可以

構(gòu)成函數(shù)程序。這里，定義(Definition)''DEF〃就是指的從原有函

數(shù)定義一個(gè)新的函數(shù)。采用的作用算符一般是用冒號(hào)(：)，例如,

函數(shù)/作用于目標(biāo)x,可以表示成九%o

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

以表達(dá)式z=(y-l)*8+x)為例，可以理解成z=〃“)，而力〃)等

價(jià)于g(v)*%W),其中g(shù)B>=y-l；A($v)=^+x,也就是說，函數(shù)

z=/例)的求解可歸約成求兩個(gè)子函數(shù)g(v)和〃W)的積。g①和

又可以分別繼續(xù)向下歸約。

,第3章具嗡現(xiàn)代特包的計(jì)事機(jī)

有如下主要的優(yōu)點(diǎn)：

(1)程序的每一行語句可以表達(dá)出更多有關(guān)算法的信息。

(2)沒有狀態(tài)和存貯單元的概念，函數(shù)自變量的值隨函數(shù)

的應(yīng)用動(dòng)態(tài)獲得，因此不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)過程的變量受到另一過

程影響的副作用，即被應(yīng)用的函數(shù)改變不了函數(shù)定義時(shí)的約

束關(guān)系。

(3)沒有賦值語句，不會(huì)出現(xiàn)像命令式語言里的賦值語句

x=x+l那樣一種與數(shù)學(xué)里的變量不相符和違反數(shù)學(xué)中“相

等性”演繹推理規(guī)則的現(xiàn)象；同時(shí)，沒有使用GOTO類控制

語句。

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

(4)指令執(zhí)行的順序只受操作數(shù)的需求所制約，只要沒有

數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的函數(shù)，原則上都可以在不同處理器上并行處

理，所以程序中的并行性較易檢測和開發(fā)。

(5)程序具有單一的遞歸結(jié)構(gòu)，即函數(shù)又是由函數(shù)構(gòu)成。

一個(gè)函數(shù)程序的功能只與組成該函數(shù)程序的各函數(shù)成分有關(guān)。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是目標(biāo)的組成部分，不是程序的組成部分，因此同

一個(gè)函數(shù)程序可以處理結(jié)構(gòu)、大小不同的目標(biāo)，增強(qiáng)了程序

的通用性。

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

8.3.2面向函數(shù)程序設(shè)計(jì)的歸約機(jī)

1.歸約機(jī)的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)歸約機(jī)應(yīng)當(dāng)面向函數(shù)式語言，或以函數(shù)式語言為機(jī)器

語言的非Neumann型機(jī)器。

(2)具有大容量的物理存貯器并采用有虛存容量很大的虛

擬存貯器系統(tǒng)，具備高效的動(dòng)態(tài)存貯分配和管理的軟硬件支

持，滿足歸約機(jī)對(duì)動(dòng)態(tài)存貯分配及所需存貯空間較大的要求。

(3)處理部分應(yīng)當(dāng)是一種含有多個(gè)處理器或多個(gè)處理機(jī)并

行的結(jié)構(gòu)形式，以發(fā)揮函數(shù)式程序并行處理的特長。

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

(4)采用適合于函數(shù)式程序運(yùn)行的多處理器(機(jī))互連的機(jī)

構(gòu)。盡管過去介紹過的各種機(jī)間互連結(jié)構(gòu)原則上都是可用的,

但最好采用樹型方式的互連結(jié)構(gòu)或多層次復(fù)合的互連結(jié)構(gòu)形

式。

(5)為了減少進(jìn)程調(diào)度及進(jìn)程間通信的開銷，盡可能把運(yùn)

行進(jìn)程的結(jié)點(diǎn)機(jī)安排成緊靠該進(jìn)程所需用的數(shù)據(jù)，并使運(yùn)行

時(shí)需相互通信的進(jìn)程所占用的處理機(jī)也靠近。此外還應(yīng)盡可

能使各個(gè)處理機(jī)的負(fù)荷平衡。

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

根據(jù)機(jī)器內(nèi)部對(duì)函數(shù)表達(dá)式所采用的存貯方式不同，將

歸約方式又分成了串歸約(StringReduction)和圖歸約(Graph

Reduction)兩類。為說明這兩種歸約方式的區(qū)別，仍以表達(dá)式

z=(y-l)*(y+x)為例。假定x和y分別賦以2和5。

串歸約方式是當(dāng)提出求函數(shù)2功)的請(qǐng)求后，立即轉(zhuǎn)化成

執(zhí)行由操作符*和兩個(gè)子函數(shù)g與h的作用所組成的“指令”。

g和h的作用又引起“指令”(啖1)和(+yx)的執(zhí)行。于是，從

存貯單元中分別取出y和x的值，算出廣1和y+x的結(jié)果，然后將

返回值再各自取代g和〃，最后求(*4,7),得結(jié)果28。

第3章其］覘代特包的計(jì)算機(jī)

S）圖歸約

圖8.26串歸約和圖歸約

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

2.串歸約機(jī)

串歸約機(jī)可看成是一種特殊的符號(hào)串處理機(jī)，函數(shù)定

義、表達(dá)式和目標(biāo)都以字符串的形式存貯于機(jī)器中。函數(shù)

式語言源程序可以不經(jīng)翻譯，直接在串歸約機(jī)上進(jìn)行處理O

前面已經(jīng)說過串歸約機(jī)一個(gè)主要問題是不能共享子表達(dá)式,

多次應(yīng)用就得多次復(fù)制和求值運(yùn)算，所以時(shí)間和空間的輔

助開銷相對(duì)都比較大。

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

圖8.27表達(dá)式在細(xì)胞歸約機(jī)中的存貯形式

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

LHLHLHLHLI—ILHLHLL陣列

圖8.28FFP機(jī)的結(jié)構(gòu)

第3章具］現(xiàn)代特包的必算機(jī)

圖8.29FP程序在FFP子樹上由（0到⑷的執(zhí)行過程舉例

第3章具］覘代特包的必等機(jī)

3.圖歸約機(jī)

圖8.30Guzman并行LISP機(jī)的結(jié)構(gòu)

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

8.4智能機(jī)

8.4.1智能信息處理與智能機(jī)

具有智能的計(jì)算機(jī)主要應(yīng)當(dāng)是一個(gè)知識(shí)信息處理系統(tǒng)。

在這樣的系統(tǒng)中，必須解決好有關(guān)知識(shí)的獲取、知識(shí)的表

示、知識(shí)的存貯、知識(shí)的處理和知識(shí)的應(yīng)用等諸方面的問

題，使計(jì)算機(jī)能更好地模擬人類大腦的思維活動(dòng)，提高學(xué)

習(xí)、推理、判斷和問題求解的能力。

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

.4.2智能機(jī)的結(jié)構(gòu)及所用的機(jī)器語言

L智能機(jī)的結(jié)構(gòu)

機(jī)器翻譯系統(tǒng)智能輔助設(shè)計(jì)

語音圖像識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)

專家系統(tǒng)智能辦公自動(dòng)化系統(tǒng)

圖

知識(shí)程序設(shè)計(jì)語言和處理自然語言、語音、圖像的語言)

8

軟智能程序31

智

件\知識(shí)庫設(shè)計(jì)軟件問題求解智能接

管理軟件及推理軟件口軟件能

機(jī)

的

述

系統(tǒng)描語

結(jié)

核心語言(PROLOG)

構(gòu)

框

知識(shí)庫機(jī),_______推

智能機(jī)

關(guān)系代數(shù)1知識(shí)處PROLOG處理機(jī)圖

接口功

硬關(guān)系數(shù)據(jù)庫機(jī)1理機(jī)理數(shù)據(jù)流機(jī)能

分

布

件

絡(luò)

網(wǎng)

統(tǒng)

系

第3章具哧帆代特包的必算機(jī)

2.邏輯程序設(shè)計(jì)語言

邏輯程序設(shè)計(jì)語言的典型代表是PROLOG語言。它是

1972年法國馬賽的A.Colmerauer首先開發(fā)的，是以」階謂詞

演算為基礎(chǔ)的交互式語言。謂詞邏輯(Predicate