計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)63

1、第八章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理1內(nèi)容簡(jiǎn)介 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指機(jī)器語(yǔ)言一級(jí)的程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性。本章詳細(xì)介紹流水線技術(shù)，包括先行控制技術(shù)、流水線原理、流水線性能分析、相關(guān)和相關(guān)的處理方法、超標(biāo)量處理機(jī)和超流水線處理機(jī)等。討論系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性問(wèn)題、單機(jī)和多機(jī)系統(tǒng)中并行處理的實(shí)現(xiàn)以及突破馮諾依曼型結(jié)構(gòu)的新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從而了解新一代計(jì)算機(jī)的發(fā)展動(dòng)向。 28-4 新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8-3 多處理機(jī)8-2 向量處理機(jī)8-1 流水線技術(shù)本章主要內(nèi)容3流水線技術(shù) 提高計(jì)算機(jī)的處理速度就要提高處理機(jī)指令執(zhí)行的速度，人們采取的辦法通常有三種：1提高處理機(jī)的工作主頻。2采用更好的算法和設(shè)計(jì)更好的

2、功能部件。3采用指令級(jí)并行技術(shù)。 3是目前和將來(lái)提高處理機(jī)指令執(zhí)行速度的一條主要途徑。48-1-1 先行控制技術(shù)1指令的重疊執(zhí)行方式 處理機(jī)在執(zhí)行多條指令時(shí)，有多種執(zhí)行控制方式：順序方式、重疊方式、先行控制方式、流水線控制方式等，我們先從最簡(jiǎn)單的來(lái)講。一條指令的執(zhí)行過(guò)程可以分為多個(gè)階段，通常，把條指令的執(zhí)行過(guò)程分為3個(gè)階段。 取指令 分析指令 執(zhí)行指令時(shí)間 t5 取指令階段：按照指令計(jì)數(shù)器的內(nèi)容訪問(wèn)主存儲(chǔ)器，取出一條指令送到指令寄存器。 分析指令階段：對(duì)指令的操作碼進(jìn)行譯碼后，按照給定的尋址方式和地址字段中的內(nèi)容形成操作數(shù)的地址，并用這個(gè)地址讀取操作數(shù)，操作數(shù)可能在主存儲(chǔ)器或寄存器中。 指令階

3、段：是指根據(jù)操作碼的要求，完成指令規(guī)定的功能，在此期間，要把運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)到寄存器或主存儲(chǔ)器中。 6指令的幾種執(zhí)行方式 7 假設(shè)取指令、分析指令和執(zhí)行指令的時(shí)間都相等，每段的時(shí)間都為t，執(zhí)行一條指令的時(shí)間為T(mén)1，則T1=t取指令+t分析指令+t執(zhí)行指令=3t， （1）順序執(zhí)行方式如圖82（a）所示，采用順序執(zhí)行方式執(zhí)行n條指令所用時(shí)間為：Tn=3tn=3nt （2）一次重疊執(zhí)行方式如圖82（b）圖所示。這是一種最簡(jiǎn)單的重疊方式，把執(zhí)行第k條指今與取第k十1條指令同時(shí)進(jìn)行。則執(zhí)行n條指令所用的時(shí)間為： Tn=3t+2t（n-1）=（1+2n）t （3）二次重疊執(zhí)行方式。如圖82（c）所示，我們?nèi)绻?/p>

4、取第k十1條指令提前到與分析第k條指令同時(shí)進(jìn)行，那么，分析第k十l條指令會(huì)與執(zhí)行第k條指令同時(shí)進(jìn)行，則執(zhí)行n條指令所用的時(shí)間為：T=3t+t（n-1）=（2+n）t8 采用一次重疊執(zhí)行方式，指令的執(zhí)行時(shí)間縮短了近二分之，而且各功能部件在并行工作，利用率明顯提高。 采用二次重疊執(zhí)行方式能夠?qū)⒅噶畹膱?zhí)行時(shí)間縮短近三分之二，進(jìn)步提高了指令的執(zhí)行速度。但是處理機(jī)中同時(shí)在取指令、分析和執(zhí)行指令，因此，要把順序執(zhí)行方式中的一個(gè)集中的指令控制器分解為三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制器來(lái)同時(shí)發(fā)出三種控制信號(hào)，它們是主存儲(chǔ)控制器，指令控制器，運(yùn)算控制器。另外，在指令分析或指令執(zhí)行過(guò)程中都要訪問(wèn)主存儲(chǔ)器取指令，存在解決訪問(wèn)主存

5、儲(chǔ)器的沖突問(wèn)題。 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)非常復(fù)雜，我們前面假設(shè)的情況是一種理想狀態(tài)，在實(shí)際當(dāng)中，各種指令難以做到“分析”與“執(zhí)行”時(shí)間始終相等，所以二次重疊執(zhí)行方式是種理想的指令執(zhí)行方式。92先行控制技術(shù) 要解決二次重疊執(zhí)行方式中存在的訪問(wèn)主存儲(chǔ)器的沖突問(wèn)題，方法有三種：第一，把主存儲(chǔ)器分成兩個(gè)獨(dú)立編址的存儲(chǔ)器，一個(gè)專(zhuān)門(mén)存放指令，稱(chēng)為指令存儲(chǔ)器，另一個(gè)專(zhuān)門(mén)存放操作數(shù)，稱(chēng)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。兩個(gè)存儲(chǔ)器同時(shí)獨(dú)立訪問(wèn)，解決了取指令和讀操作數(shù)的沖突。第二，指令和數(shù)據(jù)仍然混合存放在同一個(gè)主存作儲(chǔ)器內(nèi)，采用低位交叉存取方式。第三，解決訪問(wèn)存儲(chǔ)器沖突的根本辦法是處理機(jī)結(jié)構(gòu)作較大的改變，采用先行控制技術(shù)。 10 先行

6、控制的基本思想是使分析部件和執(zhí)行部件能分別連續(xù)不斷地分析和執(zhí)行指令，這種技術(shù)實(shí)際上是預(yù)處理技術(shù)和緩沖技術(shù)的結(jié)合，即通過(guò)對(duì)指令流和數(shù)據(jù)流的預(yù)處理和緩沖，能夠盡量使指令分析器和指令執(zhí)行部件獨(dú)立地工作，并始終處于忙碌狀態(tài)。這樣，就能夠使取指令、分析指令和執(zhí)行指令重疊起來(lái)執(zhí)行。使指令分析器和執(zhí)行部件能盡量地連續(xù)工作。而且，在采用了緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)之后，運(yùn)算器能夠?qū)Ｐ母蓴?shù)據(jù)的運(yùn)算、從而大幅度提高指令的執(zhí)行速度。在正常情況下，處理機(jī)中同時(shí)有三條指令在執(zhí)行。 先行控制技術(shù)最早在IBM公司研制的機(jī)器中采用。目前，先行控制技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中被普遍采用的一項(xiàng)重要技術(shù)，許多處理機(jī)中都已經(jīng)采用了這種技術(shù)，包括

7、超流水線處理機(jī)和超標(biāo)量處理機(jī)等。118-1-2 流水線 流水處理技術(shù)是在重疊、先行控制方式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它基于重疊的原理，但卻是在更高程度上的重疊。 流水線方式是把一個(gè)重復(fù)的過(guò)程分解為若干個(gè)子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程可以與其他子過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。由于這種工作方式與工廠中生產(chǎn)流水線十分相似，因此，把它稱(chēng)為流水線工作方式。 121流水線工作原理 根據(jù)上面的重疊技術(shù)和先行控制技術(shù),進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用就是標(biāo)量流水技術(shù)。假如把一條指令的解釋過(guò)程進(jìn)一步細(xì)分成取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、寫(xiě)回寄存器五個(gè)子過(guò)程，并用五個(gè)獨(dú)立的功能部件分別處理每個(gè)子過(guò)程。那么就像工廠中的流水線，五個(gè)子部件可以同時(shí)對(duì)不同的五條指令中的相對(duì)應(yīng)的子

8、過(guò)程進(jìn)行操作。 在流水技術(shù)中有如下一些特點(diǎn)：（1）一條流水線由多個(gè)流水段組成。（2）每個(gè)流水段有專(zhuān)門(mén)的功能部件對(duì)指令進(jìn)行某種加工。（3）各流水段所需時(shí)間是一樣的。（4）在理想情況下，在流水線上，每隔t時(shí)間將會(huì)有一個(gè)結(jié)果流出流水線。13 描述流水線常用的方法是用“時(shí)空?qǐng)D”。在時(shí)空?qǐng)D中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，也就是輸入到流水線中的各個(gè)任務(wù)在流水線中所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。當(dāng)流水線中的各個(gè)功能部件的執(zhí)行時(shí)間都相等時(shí)、橫坐標(biāo)被分割成相等長(zhǎng)度的時(shí)間段，縱坐標(biāo)表示空間，即流水線的各個(gè)子過(guò)程。在時(shí)空?qǐng)D中，流水線的一個(gè)子過(guò)程通常稱(chēng)為“功能段”。前面的例子用時(shí)空?qǐng)D描述如圖8-3所示。 142流水線的分類(lèi) 從不同的角度，按照不同

9、的觀點(diǎn)可以把流水線分成多種不同的種類(lèi)。從名稱(chēng)上能反映這種流水線在某一方面的特點(diǎn)或性能。 （1）按流水線結(jié)構(gòu)分類(lèi) 如圖8-4（a）所示，按照流水線的各個(gè)功能段之間是否有反饋信號(hào),可以把流水線分為線性與非線性流水線兩類(lèi)。 線性流水線中，輸入數(shù)據(jù)從流水線的一端進(jìn)入，另一端輸出，各功能段逐個(gè)串接起來(lái)。如圖8-4（a）所示，這種方式下，數(shù)據(jù)在流水線中的各個(gè)功能段僅僅流過(guò)一次。所以通常一條線性流水線只能完成種固定的功能。 非線性流水線中，除有串行連接通路外，還有反饋回路，在流水過(guò)程中，某些功能段要重復(fù)使用。如圖8-4（b）所示，功能段S2的輸出又被反饋回送給S2的輸入端。因?yàn)椋δ芏蜸2可能要被多次調(diào)用，

10、所以這時(shí)流水線中數(shù)據(jù)由輸入端到輸出端不再是經(jīng)過(guò)原來(lái)的三個(gè)時(shí)鐘周期，還要加上反饋回路多次調(diào)用的執(zhí)行周期。15 非線性流水線中，除有串行連接通路外，還有反饋回路，在流水過(guò)程中，某些功能段要重復(fù)使用。如圖8-4（b）所示，功能段S2的輸出又被反饋回送給S2的輸入端。因?yàn)?，功能段S2可能要被多次調(diào)用，所以這時(shí)流水線中數(shù)據(jù)由輸入端到輸出端不再是經(jīng)過(guò)原來(lái)的三個(gè)時(shí)鐘周期，還要加上反饋回路多次調(diào)用的執(zhí)行周期。 圖84 線性與非線性流水線 16 在非線性流水線中，只用圖8-4（b）這樣一種連接圖不能表示出一個(gè)任務(wù)在非線性流水線中的實(shí)際流動(dòng)的過(guò)程，還要用一張“預(yù)約表”，兩者共同來(lái)表示流水線的工作情況。在預(yù)約表中可

11、以很清楚地表示出反饋回路的使用次數(shù)。如圖8-5所示，它表示圖8-4（b）中S2在反饋回路僅重復(fù)使用次的預(yù)約表，圖中用“”表示功能段在相應(yīng)的這一段時(shí)間內(nèi)有效，即任務(wù)經(jīng)過(guò)了這一個(gè)功能段。條非線性流水線可以對(duì)應(yīng)有很多張預(yù)約表，一張預(yù)約表表示非線性流水線的一種工作方式。圖85 非線性流水線預(yù)約表 173流水線的性能 衡量流水線性能的主要指標(biāo)有吞吐率、加速比和效率。（1）流水線吞吐率 最大吞吐率指流水線達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，單位時(shí)間內(nèi)處理的任務(wù)總數(shù)。實(shí)際吞吐率是指單位時(shí)間內(nèi)能處理的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量，它總是小于最大吞吐率。因?yàn)榱魉€有“裝入時(shí)間”和“排空時(shí)間”，以及其他因素也會(huì)影響流水線的連續(xù)流動(dòng)。（2）

12、加速比：不使用流水線所用的時(shí)間與使用流水線所用的時(shí)間之比稱(chēng)為流水線的加速比，即采用流水方式后的工作速度與順序串行方式的工作速度之比。（3）流水線效率：指流水線中各功能部件的利用率。184數(shù)據(jù)相關(guān)與控制相關(guān) 由于流水線中同時(shí)要處理多條指令，所以各種各樣的沖突幾率就會(huì)很大，比如在執(zhí)行一條指令的過(guò)程中，如果用到的指令、操作數(shù)、變址偏移量等正好是前面指令的執(zhí)行結(jié)果，則必須等待前面的指令執(zhí)行完成，并把結(jié)果寫(xiě)到主存或通用寄存器中之后，本條指令才能開(kāi)始執(zhí)行；當(dāng)后繼指令的操作數(shù)剛好是前一指令的運(yùn)算結(jié)果的情況下，也會(huì)發(fā)生不協(xié)調(diào)的情況等等，類(lèi)似這些沖突我們稱(chēng)之為相關(guān)。 在流水線中相關(guān)分為兩大類(lèi)，類(lèi)是數(shù)據(jù)相關(guān)，另一

13、類(lèi)是控制相關(guān)。流水線技術(shù)必須較好的解決解這些相關(guān)問(wèn)題。19（1）數(shù)據(jù)相關(guān) 在采用先行控制方式的處理機(jī)中，數(shù)據(jù)相關(guān)有四種情況：它們是指令相關(guān)、主存操作數(shù)相關(guān)、通用寄存器相關(guān)和變址相關(guān)等。解決數(shù)據(jù)相關(guān)的方法有兩種： 一種方法是推后分析法，即在遇到數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí)，就停頓后繼指令的執(zhí)行，直到前面指令的結(jié)果已經(jīng)生成后再繼續(xù)。另一種方法是設(shè)置專(zhuān)用路，即旁路技術(shù)，:就是使用專(zhuān)門(mén)設(shè)置的通路將產(chǎn)生的結(jié)果直接送往需要它的地方而不是通過(guò)寄存器再訪問(wèn)，這樣就可使流水線不發(fā)生停頓。 在按序流動(dòng)的流水線中，只可能出現(xiàn)主操作數(shù)相關(guān)。可通過(guò)定向傳送的方法解決。在非按序流動(dòng)的流水線中，則各種相關(guān)都可能發(fā)生。在RISC機(jī)流水線中，還

14、存在一種裝入延遲。解決這種裝入延遲的辦法是采用硬件聯(lián)鎖或重排指令的優(yōu)化編譯方法。20（2）控制相關(guān) 控制相關(guān)是指由條件分支指令、轉(zhuǎn)子程序指令、中斷等引起的相關(guān)。例如：在執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令，前一條指令還沒(méi)有生成條件碼，當(dāng)轉(zhuǎn)移發(fā)生時(shí)，將使流水線的流動(dòng)受到破壞。為了減少因轉(zhuǎn)移引起的流水線性能損失，可采用下述方法： 一種是同數(shù)據(jù)相關(guān)的推后法。另一種是猜測(cè)法。盡早判別轉(zhuǎn)移是否發(fā)生，盡早生成轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址，加快和提前形成條件碼。推后法實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單，但是由于等待而降低了流水線效率，其他解決相關(guān)的方法在控制上要復(fù)雜一些。218-1-3 超標(biāo)量處理機(jī)與超流水線處理機(jī) 一般的流水線處理機(jī)只有一條指令流水線，一個(gè)多功能

15、的操作部件，每個(gè)時(shí)鐘周期“取指令”和“分析”完成一條指令。另一種流水線處理機(jī)雖然也只有一條指令流水線，每個(gè)時(shí)鐘周期“取指令”和“分析”完成一條指令，但是有多個(gè)獨(dú)立的操作部件，可以同時(shí)并行工作，例如，定點(diǎn)算術(shù)邏輯部件、浮點(diǎn)加減法部件、乘除法部件、取數(shù)存數(shù)部件等。這種處理機(jī)通常稱(chēng)為多操作部件處理機(jī)。22（1）超標(biāo)量處理機(jī) 超標(biāo)量處理機(jī)：一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能夠同時(shí)發(fā)射多條指令的處理機(jī)稱(chēng)為超標(biāo)量處理機(jī)。超標(biāo)量處理機(jī)最基本的要求是必須有兩套或兩條以上完整的指令執(zhí)行部件，它是利用硬件資源重復(fù)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間的并行操作。主要特點(diǎn)是：有多個(gè)性能不同的處理部件，將可并行執(zhí)行的指令送往不同的執(zhí)行部件，形成多條流水線并行處理

16、。 由于超標(biāo)量處理機(jī)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能夠發(fā)射多條指令，因此，它對(duì)指令序列的要求與單流水線的標(biāo)量處理機(jī)不同。在單流水線的標(biāo)量處理機(jī)中，只有連續(xù)出現(xiàn)相同操作的指令序列時(shí)，流水線才能不“斷流”，功能部件的效率才能得到充分發(fā)揮。（2）超流水線處理機(jī) 超流水線處理機(jī)的工作方式與超標(biāo)量處理機(jī)不同，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能夠分時(shí)發(fā)射多條指令的處理機(jī)稱(chēng)為超流水處理機(jī)。它只需要增加少量硬件，通過(guò)各部分硬件的充分重疊工作來(lái)提高處理機(jī)性能。而超流水線處理機(jī)采用的是時(shí)間并行性。 為了進(jìn)一步提高處理機(jī)的指令級(jí)并行度、可以把超標(biāo)量技術(shù)與超流水線技術(shù)結(jié)合在一起，這就是超標(biāo)量超流水線處理機(jī)。238-2-1 向量流水的基本概念1向量

17、數(shù)據(jù) 向量數(shù)據(jù)是一組不相關(guān)數(shù)據(jù)的集合，向量元素之間的次序是固定的，而且所有的數(shù)據(jù)元素具有相同的結(jié)構(gòu)，如數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等屬性相同。所謂不相關(guān)即對(duì)向量中任意一個(gè)數(shù)據(jù)元素的操作，結(jié)果不影響到其他向量元素。比如有一個(gè)數(shù)組，我們要使數(shù)組中的每一個(gè)元素Ai都乘以一個(gè)數(shù)b，它們的結(jié)果互不影響，各自獨(dú)立。向量數(shù)據(jù)的參數(shù)有：起始地址：即第一個(gè)向量元素存放的地址。向量長(zhǎng)度：即向量元素的數(shù)量。向量間距：即相鄰兩個(gè)向量元素之間的距離。242向量流水的主要特點(diǎn) 因?yàn)橐粋€(gè)向量數(shù)據(jù)中，包含有N個(gè)數(shù)據(jù)元素，對(duì)這個(gè)向量數(shù)據(jù)處理一次，就是處理了N次數(shù)據(jù)，所以，一條向量指令就相當(dāng)于多個(gè)標(biāo)量數(shù)據(jù)的循環(huán)，而且向量指令所要訪問(wèn)的向量

18、元素均相鄰，可以依次訪問(wèn)它們，比一串標(biāo)量指令操作快，并且消除了標(biāo)量數(shù)據(jù)中由循環(huán)引起的控制相關(guān)。 向量流水線由于無(wú)數(shù)據(jù)相關(guān)、無(wú)程序轉(zhuǎn)移，流水線可以充滿(mǎn)，從而獲得較高的吞吐率和流水線效率。由于取一次指令便可以完成很長(zhǎng)的向量運(yùn)算，所以要求向量計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)能提供給運(yùn)算器連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)流，以及接收來(lái)自運(yùn)算器的連續(xù)不斷的運(yùn)算結(jié)果，這是設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的困難之處。258-2-2 向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能 1向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所面臨的主要問(wèn)題是，如何設(shè)計(jì)出一個(gè)能滿(mǎn)足運(yùn)算器帶寬要求的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。目前向量計(jì)算機(jī)采用兩種方法：（1）利用幾個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器完成對(duì)相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問(wèn)。從而達(dá)到所要求的存

19、儲(chǔ)器帶寬，即存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。（2）構(gòu)造一個(gè)具有所要求帶寬的高速中間存儲(chǔ)器，并能實(shí)現(xiàn)該高速中間存儲(chǔ)器與主存儲(chǔ)器之間的快速數(shù)據(jù)交換，即寄存器寄存器結(jié)構(gòu)。26 存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的向量處理機(jī)的工作特點(diǎn)，是向量操作的源向量都取自?xún)?nèi)存，且操作生成的結(jié)果向量也存放到內(nèi)存中；而寄存器寄存器結(jié)構(gòu)的向量處理機(jī)，則都取自或存放到向量寄存器中。 在向量機(jī)中，為了加快向量操作，采用多個(gè)獨(dú)立的功能部件，并使它們并行工作。因?yàn)檫@些部件都是獨(dú)立的，所以只要符合下面的條件，它們就可以并行工作：(1)不存在向量寄存器使用沖突：向量寄存器使用沖突就是指多條并行工作的向量指令中的源向量或結(jié)果向量使用相同的向量寄存器。 (2)不存

20、在功能部件使用沖突：功能部件沖突是指多條向量指令都要使用同一個(gè)功能部件，如兩條向量指令都是加法運(yùn)算時(shí)，浮點(diǎn)加的功能部件就無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足，而發(fā)生沖突。 278-3 多處理機(jī)系統(tǒng)1多處理機(jī)系統(tǒng)的組成多處理機(jī)系統(tǒng)的組成有以下幾部分：(1)兩個(gè)或兩個(gè)以上功能大致相同的處理器；(2)由所有處理器共享的一個(gè)公共主存和I/O通道、控制器和外設(shè)；(3)在處理器和程序之間實(shí)現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、程序段、數(shù)組和數(shù)組元素等各級(jí)的全面并行。必須有統(tǒng)一控制的操作系統(tǒng)。282多處理機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn) 多處理機(jī)系統(tǒng)屬于多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）結(jié)構(gòu)，與屬于單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）計(jì)算機(jī)有很大的不同，流水線機(jī)、并行處理機(jī)都屬于SIMD

21、計(jì)算機(jī)，多處理機(jī)實(shí)現(xiàn)的是任務(wù)作業(yè)一級(jí)的并行，SIMD計(jì)算機(jī)只能實(shí)現(xiàn)指令間的并行操作。所謂任務(wù)級(jí)是指比較獨(dú)立的程序段，也就是同時(shí)并行執(zhí)行多段程序。在結(jié)構(gòu)上多處理機(jī)系統(tǒng)中的每個(gè)處理機(jī)都需要有各自的控制部件，以執(zhí)行各自的程序，并用復(fù)雜的互連網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各個(gè)處理機(jī)間的通信；在算法上也不局限于某種算法，而是充分利用通用算法的各種并行性；在系統(tǒng)軟件上要解決多處理機(jī)的資源的管理與進(jìn)程調(diào)度等多種問(wèn)題。因而，多處理機(jī)具有較強(qiáng)的通用性，適用于向量、標(biāo)量、各種數(shù)據(jù)的不同處理，也適用于多種算法，結(jié)構(gòu)靈活，可以實(shí)現(xiàn)多種機(jī)間連接，圖8-8是一種多處理機(jī)結(jié)構(gòu)。 298-3-2多處理機(jī)結(jié)構(gòu) 多處理機(jī)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上分為兩類(lèi)：緊耦合系

22、統(tǒng)和松耦合系統(tǒng)。（1）松耦合系統(tǒng) 松耦合系統(tǒng)也稱(chēng)為間接耦合系統(tǒng)，通常通過(guò)通道或通信線路實(shí)現(xiàn)機(jī)間聯(lián)系，通過(guò)消息傳遞方式來(lái)實(shí)現(xiàn)處理機(jī)間的相互通信，信息傳送的速度較慢，而且每個(gè)處理機(jī)是一個(gè)獨(dú)立性較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)模塊。308-3-2多處理機(jī)結(jié)構(gòu)（2）緊耦合系統(tǒng) 緊耦合系統(tǒng)也稱(chēng)為直接耦合系統(tǒng)，目前大多數(shù)多處理機(jī)系統(tǒng)都屬于緊耦合系統(tǒng)。緊耦合是通過(guò)共享主存實(shí)現(xiàn)處理機(jī)間的互相通信，主存儲(chǔ)器對(duì)所有的處理機(jī)有一個(gè)統(tǒng)一的地址編址。系統(tǒng)中的各臺(tái)處理機(jī)既可以共同執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，也可以同時(shí)執(zhí)行幾個(gè)程序。各處理機(jī)通過(guò)一個(gè)公共的硬件資源連接在一起，處理機(jī)間的相互聯(lián)系比較緊密。按所用處理機(jī)類(lèi)型是否相同及對(duì)稱(chēng)，又可分為同構(gòu)或異構(gòu)及對(duì)稱(chēng)

23、或非對(duì)稱(chēng)的形式。常見(jiàn)組合是同構(gòu)對(duì)稱(chēng)式和異構(gòu)非對(duì)稱(chēng)式多機(jī)系統(tǒng)。318-4-1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新概念 各種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按照計(jì)算機(jī)內(nèi)部的控制機(jī)制可分為控制驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、需求驅(qū)動(dòng)和模式匹配四種類(lèi)型。 1.控制驅(qū)動(dòng)這是傳統(tǒng)的馮諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用的控制方式，計(jì)算機(jī)中有一個(gè)程序計(jì)數(shù)器PC，每執(zhí)行一條指令，程序計(jì)數(shù)器就自動(dòng)加“1”，指向下一條指令的地址單元，可見(jiàn)程序的執(zhí)行是在程序計(jì)數(shù)器的控制下進(jìn)行的，當(dāng)它指向某條指令時(shí)，才驅(qū)動(dòng)該條指令的執(zhí)行。我們把這種方式稱(chēng)為控制驅(qū)動(dòng)。322數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng) 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制方式，與上面的控制驅(qū)動(dòng)方式不同，它的指令不是在控制下順序執(zhí)行的，當(dāng)且僅當(dāng)指令所需要的數(shù)據(jù)可用時(shí)，指令就可執(zhí)行，

24、即任何指令只要它所需要的操作數(shù)全部齊備且可用時(shí)，這些指令就可以同時(shí)執(zhí)行，不需要程序計(jì)數(shù)器?？梢?jiàn)指令的執(zhí)行不受其他控制條件的約束。這種方式中，不使用變量，不存在數(shù)據(jù)共享等。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的原理形成了兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：指令的執(zhí)行是無(wú)序的，完全受數(shù)據(jù)流的驅(qū)動(dòng)，與指令在程序中出現(xiàn)的先后順序無(wú)關(guān)。直接支持函數(shù)語(yǔ)言，有利于開(kāi)發(fā)程序中各級(jí)的并行性，而且有利于改善軟件環(huán)境，縮短軟件的研制時(shí)間。333需求驅(qū)動(dòng)在需求驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，需要執(zhí)行哪一條指令時(shí)，該指令就被驅(qū)動(dòng)執(zhí)行，我們舉例說(shuō)明，例如：求X=（Y+Z）/（1-Y），用函數(shù)的形式可以表示成，求X=f（u）,f (u )=h (v )+ g (w)，h(v)=Y+z，g(

25、w)=1-y，需求驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行過(guò)程是這樣的：求X，就必須求f（u），求f (u )就必須求h (v )和 g (w)。4模式匹配驅(qū)動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)控制方式是，給定模式匹配符號(hào)串，搜索與該對(duì)象相匹配的對(duì)象，一旦匹配就驅(qū)動(dòng)執(zhí)行該指令。348-4-2新概念系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī) 1數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)（1）驅(qū)動(dòng)原理 在數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中有兩種驅(qū)動(dòng)方式，種是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式。只要某一個(gè)操作所要求的輸入數(shù)據(jù)全部到齊而且可用時(shí)。該操作就可以立即執(zhí)行，另一種是需求驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。只有當(dāng)某一個(gè)函數(shù)需要某個(gè)自變量時(shí)才驅(qū)動(dòng)對(duì)該自變量的求值操作，在數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)沒(méi)有變量的概念，在指令之間直接傳送數(shù)據(jù)，有純函數(shù)的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)流運(yùn)算具有異步性

26、、并行性、函數(shù)性和局部性的特點(diǎn)。35 需求驅(qū)動(dòng)方式與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式相比可以減少許多不必要的操作，有助于提高處理機(jī)的工作效率。但需求驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)更為困難，目前的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)一般采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式。（2）數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)模型 在數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中，信息項(xiàng)以操作包和數(shù)據(jù)“令牌”形式出現(xiàn)。操作包由操作碼、操作數(shù)和其后繼指令所在地組成。令牌實(shí)質(zhì)是一種表示某一操作數(shù)或參數(shù)已準(zhǔn)備就緒的標(biāo)志數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流機(jī)根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)令牌處理方式的不同，可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類(lèi)結(jié)構(gòu)。362面向函數(shù)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的歸約機(jī) 歸約機(jī)和數(shù)據(jù)流機(jī)一樣，都是基于數(shù)據(jù)流的計(jì)算模型，但其驅(qū)動(dòng)方式是采用需求驅(qū)動(dòng)。在這種模型中，某條指令的執(zhí)行，僅當(dāng)其他指令需要

27、用它時(shí)才會(huì)進(jìn)行。 歸約機(jī)是一種面向函數(shù)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)，指令的執(zhí)行順序取決于這些指令產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù)的需求，而這種需求又源于函數(shù)式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言對(duì)表達(dá)式的歸約。 歸約機(jī)按其歸約模型可分為串歸約機(jī)和圖歸約機(jī)兩類(lèi)。兩者的主要區(qū)別是對(duì)函數(shù)表達(dá)式所使用的存儲(chǔ)方式不同，前者以字符串形式存儲(chǔ)而后者以圖的形式存儲(chǔ)。 373人工智能計(jì)算機(jī) 隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，計(jì)算機(jī)在人工智能AI領(lǐng)域中的發(fā)展極為迫切。智能機(jī)是一個(gè)知識(shí)信息處理系統(tǒng)，必須解決好有關(guān)知識(shí)的獲取、表示、存儲(chǔ)、處理和應(yīng)用等諸方面的問(wèn)題，使計(jì)算機(jī)能更好地模擬人類(lèi)大腦的思維活動(dòng)。這一領(lǐng)域中的處理有著其特殊性，主要表現(xiàn)在：（1）AI主要的處理的對(duì)象是

28、符號(hào)，不是數(shù)值。這是因?yàn)槿藗冊(cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中遇到的問(wèn)題大多數(shù)是非數(shù)值問(wèn)題。（2）AI系統(tǒng)由于能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)和知識(shí)的采集、存儲(chǔ)、查詢(xún)、刪除和修改等功能，能夠有效維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)的致性及完整性，所以數(shù)據(jù)具有動(dòng)態(tài)的不確定性。（3）AI系統(tǒng)由于大量的知識(shí)存儲(chǔ)，所以存在知識(shí)管理問(wèn)題等。38 目前，人工智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為三類(lèi)：它們分別是基于語(yǔ)言的智能機(jī)、基于知識(shí)的智能機(jī)和智能化的I/O接口。它們都具有非常龐大的數(shù)據(jù)和知識(shí)的存儲(chǔ)器，并能夠采集、使用、存儲(chǔ)和處理大量的數(shù)據(jù)和各種各樣的人類(lèi)知識(shí)。AI的關(guān)鍵技術(shù)是如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的處理和傳送，即高速數(shù)據(jù)處理技術(shù)。39 習(xí) 題8.1什么是先行控制？8.2什么是流水線的

29、吞吐率？最大、實(shí)際吞吐率？加速比？效率？8.3什么是數(shù)據(jù)相關(guān)沖突、控制轉(zhuǎn)移沖突？如何解決？8.4流水線中處理的數(shù)據(jù)分哪兩種？特點(diǎn)是什么？8.5多處理機(jī)操作系統(tǒng)的組成有什么？8.6計(jì)算機(jī)按控制機(jī)制可分為哪幾類(lèi)？各類(lèi)有何特點(diǎn)？傳統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)、歸約機(jī)結(jié)構(gòu)各屬于什么驅(qū)動(dòng)？8.7靜態(tài)數(shù)據(jù)流機(jī)有何特點(diǎn)？動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流機(jī)有何特點(diǎn)？8.8什么是歸約機(jī)？可分為哪兩類(lèi)？它們是如何區(qū)分的？8.9人工智能機(jī)有哪些特征？8.10AI計(jì)算機(jī)可分為哪幾類(lèi)？40NbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*

30、u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQf

31、NcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y

32、)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnV

33、kSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5

34、D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#o

35、XlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdL

36、aI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*

37、t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTi

38、QeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B

39、0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x-x*t$qYnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qY

40、nVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnW