第7章--新型計算機結構.ppt

1、2020年7月15日星期三,1,第1章 計算機系統(tǒng)的設計基礎 第2章 數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng) 第3章 輸入輸出系統(tǒng) 第4章 存貯系統(tǒng) 第5章 流水技術和向量處理 第6章 并行處理技術 第7章 新型計算機結構,2020年7月15日星期三,2,本章學習要求,了解幾種非傳統(tǒng)計算機結構的概念和工作原理 掌握數(shù)據(jù)流計算機的工作原理和結構特點 了解人工智能計算機的研制情況,2020年7月15日星期三,3,第7章 新型計算機結構,脈動陣列計算機 數(shù)據(jù)流計算機 歸約機 人工智能計算機,2020年7月15日星期三,4,7.1 脈動陣列計算機,脈動陣列結構是由一組相同的處理單元PE構成的陣列機。每個PE可完成少數(shù)基本

2、的算術邏輯運算操作 工作原理：陣列內所有處理單元的數(shù)據(jù)鎖存器都受同一個時鐘控制，運算時數(shù)據(jù)在陣列結構的各個處理單元間沿各自的方向同步向前推進，就像血液受心臟有節(jié)奏地搏動在各條血管中同步向前流動一樣,2020年7月15日星期三,5,脈動陣列機主要適用要求計算量很大的信號圖像的處理，以及某些特定計算類算法題目的求解，特別是需要對大量數(shù)據(jù)執(zhí)行重復計算的運算受限類問題的求解。,根據(jù)具體計算的問題不同，脈動陣列可以 有一維線形、二維矩形六邊形/二叉樹形 三角形等陣列互連構形。,2020年7月15日星期三,6,脈動式二維陣列流水機,2020年7月15日星期三,7,1i3,1j3,現(xiàn)有矩陣A、B如下，要在二

3、維脈動陣列機上求兩矩陣 的乘積C,其中,在圖中給出了在t1、t2 、t3 時刻送入數(shù)據(jù)，到t6 時，從 45 方向上將同時輸出 的值，t7 時輸出 的值，t8 時輸出 的值。 可以看出，總共只需用8拍就可以完成兩個33矩陣相乘，比單處理機上循環(huán)執(zhí)行所需的27拍，速度提高了兩倍多。,2020年7月15日星期三,8,a11 a12 a13 0 0 t1,0 a21 a22 a23 0 t2,0 0 a31 a32 a33 t3,0,0,0,0,0,t1 0 0 b31 b21 b11,t2 0 b32 b22 b12 0,t3 b33 b23 b13 0 0,2020年7月15日星期三,9,脈動陣

4、列計算機具有如下特點：,（1）結構簡單、規(guī)整，模塊化強，可擴充性好。非常 適合于超大規(guī)模集成電路的實現(xiàn)。,（2）PE間數(shù)據(jù)通信距離短、規(guī)則，使數(shù)據(jù)流和控制流 的設計、同步控制簡單規(guī)整。,（3）具有極高的計算并行性，可通過流水獲得很高的 運算效率和吞吐率。,（4）脈動陣列結構的構形與特定的計算任務和算法密 切相關，限制了其應用范圍。,脈動陣列機的發(fā)展目標：研制通用型脈動陣列機。,2020年7月15日星期三,10,7.2 數(shù)據(jù)流計算機,數(shù)據(jù)流計算機的基本工作原理 數(shù)據(jù)流程序圖和數(shù)據(jù)流語言 數(shù)據(jù)流計算機的基本結構 數(shù)據(jù)流計算機存在的主要問題,2020年7月15日星期三,11,7.2.1數(shù)據(jù)流計算機的

5、基本工作原理,數(shù)據(jù)驅動的數(shù)據(jù)流方式：只要一條或一組指令所要求的操作數(shù)全部準備就緒，就可立即激發(fā)相應的指令或指令組執(zhí)行。,特點：指令的執(zhí)行基本上是無序的，完全受數(shù)據(jù)流的驅動；沒有程序計數(shù)器PC，取而代之的是“數(shù)據(jù)令牌”。,“數(shù)據(jù)令牌”是一種表示某一操作數(shù)或參數(shù)已準備就緒的標志。,2020年7月15日星期三,12,7.2.2 數(shù)據(jù)流程序圖和數(shù)據(jù)流語言,數(shù)據(jù)流程序圖：是一種用來表示指令級的數(shù)據(jù)流程序的有向圖(directed graph)，它由多個結點(node)和一些連接它們的弧所組成。它說明了指令之間執(zhí)行順序的約束條件。 數(shù)據(jù)流程序圖中的結點除表示一般的算術邏輯操作外，還可表示常數(shù)產(chǎn)生、復制操作

6、、判定操作和控制操作等。,2020年7月15日星期三,13,數(shù)據(jù)流程序圖中常用的結點,（1）算邏運算結點：,算術運算結點：加、減、乘、除、加l、減1等 布爾運算結點：與、或、異或、非等,2020年7月15日星期三,14,（2）常數(shù)結點：,常數(shù)結點的功能是用來產(chǎn)生一個常數(shù)。 常數(shù)產(chǎn)生結點沒有輸入端，只有一條輸出線。,激發(fā)后,2,數(shù)據(jù)令牌,一般表示,數(shù)據(jù)復制,控制復制,（3）復制結點：,數(shù)據(jù)復制結點：圖中圓點和箭頭用實心表示。 控制量（布爾量）復制結點：圖中的圓點和箭頭用空心表示。,2020年7月15日星期三,15,（4）控制操作結點 ：,T門控結點,F門控結點,T門控：僅當布爾控制端為真、且輸入

7、端有數(shù)據(jù)令牌時 才能激發(fā)，然后在輸出端產(chǎn)生數(shù)據(jù)令牌而輸入端的數(shù)據(jù) 令牌消失。,F門控：僅當布爾控制端為假、且輸入端有數(shù)據(jù)令牌時 才能激發(fā)，然后在輸出端產(chǎn)生數(shù)據(jù)令牌而輸入端的數(shù)據(jù) 令牌消失。,2020年7月15日星期三,16,開關門控結點,歸并門控結點,2020年7月15日星期三,17,（5）條件判斷結點 ：,判斷輸入數(shù)據(jù)(通常是單個或兩個)是否滿足某種條件， 如輸入數(shù)據(jù)是否小于、等于、大于0，兩個輸入數(shù)據(jù)的 大小比較等。當滿足條件時，將在輸出端產(chǎn)生T的控制 令牌，否則便產(chǎn)生F的控制令牌。,利用上述常用結點，可以畫出一些程序結構的數(shù)據(jù)流 程圖。,2020年7月15日星期三,18,Z,Z=X+Y

8、X0 Z=X-Y X0,數(shù)據(jù)流程序圖舉例,問題：圖中有多少個結點？ 出現(xiàn)了多少種結點？,復制,判斷,開關,控制復制,算術運算,歸并,2020年7月15日星期三,19,數(shù)據(jù)流語言,數(shù)據(jù)流語言的結構類似于命令式程序設計語言，但又要能方便地被編譯成數(shù)據(jù)流程圖。 數(shù)據(jù)流語言大都是單賦值語言。單賦值的含義是指，在程序中每個變量只能賦值一次，即同一變量在賦值語句的左部只允許出現(xiàn)一次，不允許對同一變量進行多次賦值。 常用的數(shù)據(jù)流語言有美國的ID和VAL，法國的LAU以及英國曼徹斯特大學的SISAL語言等。,2020年7月15日星期三,20,數(shù)據(jù)流語言舉例,對于點積操作，用ID語言則可寫成如下的過程： pro

9、cedure inner_product(a,b,n) initial S0 for i from 1 to n do new SS+(ai *bi) return S,2020年7月15日星期三,21,7.2.3數(shù)據(jù)流計算機的基本結構,依據(jù)處理數(shù)據(jù)令牌的不同，數(shù)據(jù)流機可分成靜態(tài)和動態(tài)兩大類。 靜態(tài)數(shù)據(jù)流機的數(shù)據(jù)令牌不帶任何標號，在任何一條弧上只允許存在一個數(shù)據(jù)令牌。 動態(tài)數(shù)據(jù)流機的數(shù)據(jù)令牌帶有標號。這樣就可使數(shù)據(jù)流程序圖中的任一條弧上同時存在帶有不同標號(或稱顏色)的數(shù)據(jù)令牌。,2020年7月15日星期三,22,靜態(tài)數(shù)據(jù)流計算機,2020年7月15日星期三,23,動態(tài)數(shù)據(jù)流計算機,由于任一條

10、弧上同時存在帶有不同標號(或稱顏色)的 數(shù)據(jù)令牌只要對令牌標號進行符合比較就可加以識別。 為此，需要有一個稱為匹配部件的硬件機構將標號附 加到數(shù)據(jù)令牌上，并完成標號的匹配工作。,2020年7月15日星期三,24,7.2.4數(shù)據(jù)流機存在的主要問題,1指令級的數(shù)據(jù)驅動導致每條指令的執(zhí)行有較大的時間開銷，因為在運行時需要對每一個和每一次操作進行數(shù)據(jù)相關分析。,2由于數(shù)據(jù)流程序的操作包代碼長度較長， 將占用較多的存儲空間。,3當機器規(guī)模變大時，接到轉接網(wǎng)絡上的流 水環(huán)數(shù)將增加，從而使轉接網(wǎng)絡變成系統(tǒng)性能 的新瓶頸口。,2020年7月15日星期三,25,7.3 歸 約 機,歸約機和數(shù)據(jù)流機一樣，都是基于

11、數(shù)據(jù)流的計算模型，只是其采用的驅動方式不同。 數(shù)據(jù)流機是采用數(shù)據(jù)驅動，執(zhí)行的操作序列取決于輸入數(shù)據(jù)的可用性； 歸約機則是需求驅動，執(zhí)行的操作序列取決于對數(shù)據(jù)的需求，對數(shù)據(jù)的需求又來源于函數(shù)式程序設計語言對表達式的歸約(Reduction)。,2020年7月15日星期三,26,7.3.1函數(shù)式程序設計語言,函數(shù)式語言是由所有函數(shù)表達式的集合、所有目標(也是表達式)的集合及所有由函數(shù)表達式到目標的函數(shù)集合三部分組成。函數(shù)是其基本成分，是從一批目標到另一批目標的映射。從函數(shù)程序設計的角度看，一個程序就是一個函數(shù)的表達式。通過定義一組“程序形成算符”(ProgramForming Operators)

12、，可以用簡單函數(shù)(即簡單程序)構成任意復雜的程序，也就是構成任意復雜函數(shù)的表達式。,2020年7月15日星期三,27,以表達式z=(y-1)(y+x)為例，可以理解成z=f(u)，而 f(u)等價于g(v) h(w)，其中g(V)=y-1，h(w)=y+x， 也就是說，函數(shù)z=f(u)的求解可歸約成求兩個子函數(shù) g(v)和h(w)的積，而g(v)和h(w)又可以分別繼續(xù)向下 歸約。,針對函數(shù)程序設計語言的特點和問題來設計支持函數(shù) 式程序運行的新計算機，這就是歸約機。,2020年7月15日星期三,28,7.3.2面向函數(shù)式語言的歸約機,歸約機按其歸約模型可分為串歸約(String Reducti

13、on)機和圖歸約(Graph Reduction)機兩類。兩者的區(qū)分主要是對函數(shù)表達式所使用的存儲方式不同，前者以字符串形式存儲而后者則以圖的形式存儲。,2020年7月15日星期三,29,z：,串歸約:,z,圖歸約:,以表達式z=(y-1)(y+x)為例，假定x和y分別賦以2和5。,28,4,7,5,5,2,2020年7月15日星期三,30,串歸約特點：是一種不斷地在定義表達式集合中去查 找和復制的過程，而且對每次函數(shù)作用都要重復執(zhí)行， 因而時間和空間的輔助開銷都比較大。,圖歸約方式與串歸約方式主要的不同在于，定義表達式 時設置了Z1、Z2等指針。這樣，下一層作用的返回 結果將直接取代上一層作

14、用的自變量，省去了歸約時的 復制開銷；同時，實現(xiàn)了自變量返回值的共享，不用對 同一函數(shù)作用重復執(zhí)行，就可以直接引用此函數(shù)求值的 結果。,歸約方式體現(xiàn)了按需求驅動的思想，根據(jù)對函數(shù)求值的 需求來激活相應指令。,2020年7月15日星期三,31,7.4 人工智能計算機,人工智能計算特征 AI計算機的分類 AI計算機的研究進展 RWC研究計劃,2020年7月15日星期三,32,7.4.1人工智能計算特征,1AI計算的主要對象是符號而不是數(shù)值 2AI計算是非確定計算 3AI計算是動態(tài)進行的 4具有并行和分布處理的巨大潛力 5知識管理問題,2020年7月15日星期三,33,AI處理的基本要點:有關知識的

15、獲取、表示和智慧地 加以使用(知識處理)。,知識的獲取:AI系統(tǒng)應能從視覺、聲音和書寫等各種 信息源獲取信息。由于這些信息的來源往往是不完整、 不精確甚至是相互矛盾的，因此必須對它們進行止確 的識別和理解。,知識的表示：主要是對有關對象、關系、目標、動作 以及處理過程的信息加以編碼，形成數(shù)據(jù)結構和編寫 成過程。,知識的處理：主要用于問題求解、邏輯演繹和情報檢 索等。,2020年7月15日星期三,34,7.4.2 AI機的分類,1基于語言的AI計算機 2基于知識的AI計算機 3連接式(Connectionist)AI計算機 4帶智能接口的AI計算機,2020年7月15日星期三,35,7.4.3 AI計算機的研究進展,日本五代機的研究計劃分三個階段進行 ： 第一階段為3年，主要是對并行推理機的基本結構、并行推理機制以及知識庫機結構等進行研究和模擬試驗。 第二階段用了4年時間，側重研究并行推理機PIM(Parallel inference machine)以及知識庫子系統(tǒng)的管理軟件系統(tǒng) 。 最后階段的3年，主要是構成一個智能信息處理系統(tǒng)，它以VLSI技術實現(xiàn)的知識庫機和并行推理機為硬件核心，并配以基本核心軟件和應用軟件。,2020年7月15日星期三,36,7.4.4 RWC研究計劃,所謂真實世界計算機(RWCR