计算机系统结构41PPT学习教案

1、会计学1 计算机系统结构计算机系统结构41 2 第1页/共44页 3 第2页/共44页 4 nn 算叫做向量处理向量处理。相应指令叫向向 量指令量指令。 第3页/共44页 5 考察向量计算表达式： C(I)A(I5)B(I)I10，11，12，1000 (1)使用FORTRAN语言，循环部分为： DO40I10，1000 40C(I)A(I5)B(I) 一般机器上可用下列指令序列实现 I=10 100LOADA(I+5) LOADB(I) ADDC(I),A(I),B(I) INCREMENTII+1 IFI=1000,GOTO100 STOP 第4页/共44页 6 (2)在具有向量数据表示的

2、机器中可用如下指令实现 C(10 1000) A(105 10005)B(10 1000) 向量指令的基本格式 参加运算的每个向量都需指明其基地址、位移量和向量长度。 第5页/共44页 7 分析分析向量向量计算计算 Y=a X+ Z 用向量处理机处理用向量处理机处理 LD F0 a ; a装入装入F0 LV V1 M(X) ；X装入装入V1 MULV V2 , F0 ,V1 ； V2 =a X LV V3 , M(Y) ；Y装入装入V3 ADDV V4 , V3, V2 ; 向量加向量加 SV M(Y) , V4 ；存；存 V4 第6页/共44页 8 基本思想是把两个向量的对应分量进行计算，产

3、生一 个结果向量。基本模式表示为下列形式 C=A+B 按向量运算中各计算相继的次序，归结为3种方法种方法： (1)横向处理横向处理：计算按行的方式行的方式从左至右横向进行，逐 个求向量中的每个分量。 (2)纵向处理纵向处理：计算按列的方式列的方式自上而下纵向地进行。 (3)纵横处理：纵横处理：又称分组处理，上述两种方法的结合， 即组内采用纵向处理，组间采用横向处理。 第7页/共44页 9 (1)横向处理：按以下表达式计算每个分量： d1a1（b1c1） d2a2（b2c2） : dNaN（bNcN） 采用流水方式计算时，每个向量加、乘运算中 都会发生数据相关。 计算一个分量要进行2次乘法和加法

4、功能的转移。 共出现N次数据相关、2N次功能转换。 横向处理：不适合于向量流水处理 缺点 DA(BC) 第8页/共44页 10 用向量指令，相当于： KBC DKA DA(BC) 纵向处理：适合于向量流水线处理机， 第9页/共44页 11 当向量长度N超过向量寄存器限度时，需分组处理。 纵横方法适合于寄存器-寄存器工作的向量处理机。 第10页/共44页 12 第11页/共44页 13 存储器存储器-存储器结构存储器结构框框图：向量中对应分量的能并发 访问，计算结果能并行地保存。 需要的带宽是一般存储器的3倍：一个时钟周期内读 出两个操作数并写回一个结果。 第12页/共44页 14 为满足运算器

5、带宽的要求，存储器可采用多个存储 器模块组成的结构方式。如图4.1(b)。 运算器与主存间有3条相互独立的数据通路，数据 通路可并行工作，但一个存储器模块在同一时刻只 能为一个数据通路服务。 第13页/共44页 15 例如， A、B所对应的分量若在 同一个存储器模块，就不能同时 读取，计算的中间结果也不能存 放在正“忙”的存储器模块中。 第14页/共44页 16 时钟周期0，有两个存储模块同时工作； 时钟周期1、2、3、4，5，各有4个存储模块同时工作； 时钟周期6（7）时，有5或6个存储模块同时工作。 实际中，数据存放并非理想，如RAi和RBi存放Mi中。 如何实现无冲突访问? 第15页/共

6、44页 17 在运算流水线的输入端和输出端分别增加一个可变延迟缓冲 器。即可实现无冲突访问。 假设向量A的输入延迟两个时钟周期，输出延迟4个时钟周期 。所有向量都从模块M0开始规则存放，分析向量计算的时空的时空 图图 第16页/共44页 18 1）假设一个存取周期等于两个时钟周期 2）A的输入延迟两个时钟周期 3）输出延迟4个时钟周期 第17页/共44页 19 水线内部加缓冲器以消除内部冲突 的思想是一致的。 第18页/共44页 20 第19页/共44页 21 组成及标量和向量操作： 流水部件由向量部件、浮点部件、标量部件和和地 址运算部件组成。共12个。 指令缓冲器：由256个16位寄存器组

7、成，存放预取 指令。主要程序段可留在其中。内循环指令可全部放 在其中，不必到主存去反复取指令。大大减少取指次 数。 第20页/共44页 22 CRAY-1向量处理机简介 第21页/共44页 23 第22页/共44页 24 n- 存储系统结构设计思想是一致的。 即使操作数离处理器尽可能近， 使处理器处于忙碌状态。 第23页/共44页 25 存储器层次结构 随着处理器速度、存储器容量和级数增加，存储器效率？ 计算机系统的高功耗、低效率及存储颈问题突出 第24页/共44页 26 第25页/共44页 27 12个功能部件都是独立的，只要满足一定约束条件，可并行工作。 约束条件为：1.无向量寄存器使用冲

8、突；2.无功能部件使用冲突。 第26页/共44页 28 第27页/共44页 29 第28页/共44页 30 写后读的数据相关性写后读的数据相关性，加快向量指 令序列执行速度。 n链接技术链接技术是流水线定向技术的发展。 第29页/共44页 31 MULV VV2，V3 ； V V2V3 1、2条指令可并行执行：无寄存器和功能部件冲 突。 第3条指令与前两条指令均能链接。 1、2条指令执行时间和寄存器长度必须相同 第30页/共44页 32 处理机自动检测每一条向量指令是否与前一条指令形成链接。 若满足链接条件，便启动本指令工作而形成链接。 数据进（出）每个功能部件，包括存器，需1个时钟周期。 L

9、VV3，M(A)；V3A ADDVV2，V0，V1；V2V0V1 MULVV，V2，V3；VV2V3 第31页/共44页 33 如 链接条件问题 LVV3，M(A)；V3A ADDVV2，V0，V1；V2V0V1 MULVV，V2，V3；VV2V3 第32页/共44页 34 假定，一个程序段有以下三个向量操作：假定，一个程序段有以下三个向量操作： V3 A V2 V0 + + V1 V4 V2 * * V3 +1 +1 +1+1 +1 数据进出每个功能部件，需1个时钟周期 向量在加法部件的执行时间为(1+6+1)+N-1 链接后执行时间增加? (1+7+1) 第33页/共44页 35 第34页/共44页 36 度计算出循环的次数。 第35页/共44页 37 第36页/共44页 38 前三种技术措施都是在单处理机结构的向量计算机上实现的。 为了有效地提高向量处理性能，新型向量机可采用多处理 机体系结构。 下图是CRAYX-MP的结构框图，它由4个CPU组成。CPU的 结构同CRAY-1向量处理机相似。 第37页/共44页 39 到发挥。 第38页/共44页 40