計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第6章

6.1向量數(shù)據(jù)表示方式6.2向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)6.3向量處理方式6.4向量處理機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)6.5向量處理機(jī)實(shí)例6.6向量處理機(jī)的性能評(píng)價(jià)6.7向量處理機(jī)的發(fā)展

第6章向量處理機(jī)

2/2/20231計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)具有向量數(shù)據(jù)表示和向量指令系統(tǒng)的處理機(jī)向量處理機(jī)是解決數(shù)值計(jì)算問(wèn)題的一種高性能計(jì)算機(jī)向量處理機(jī)屬大型或巨型機(jī)，也可以用微機(jī)加一臺(tái)向量協(xié)處理器組成向量處理機(jī)一般都采用流水線結(jié)構(gòu)，通常有有多條并行工作的流水線必須把要解決的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為向量運(yùn)算，才能發(fā)揮向量處理機(jī)的效率2/2/20232計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)6.１向量數(shù)據(jù)表示方式6.1.1從標(biāo)量到向量6.1.2等間距向量表示法6.1.3帶位移量的向量表示法6.1.4稀疏向量表示法2/2/20233計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)例6.1：一個(gè)簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言程序如下：

for(i=10;i<=1010;i++)

c[i]=a[i]+b[i+5];在向量處理機(jī)上,可以只用一條指令：

C(10:1010)=A(10:1010)+B(15:1015)

一條向量指令可處理Ｎ個(gè)或Ｎ對(duì)操作數(shù)在標(biāo)量處理機(jī)上用10多條指令，其中有8條指令要循環(huán)1000次。采用多寄存器結(jié)構(gòu)的兩地址指令編寫程序存儲(chǔ)器采用字節(jié)編址方式，字長(zhǎng)為32位6.1.1從標(biāo)量到向量2/2/20234計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)在一般標(biāo)量處理機(jī)中需要如下指令序列來(lái)實(shí)現(xiàn)（A、B、C分別是向量a、b、c在內(nèi)存中的起始地址）：START: LOAD R0, ST;讀循環(huán)初值10 LOAD R1, ED;讀循環(huán)終值1010 LOAD R2, L;讀內(nèi)存地址增量4 MOVE R3, R2 MUL R3, R0;計(jì)算向量偏移量,;初始值為40LOOP: LOAD R4,A(R3);讀A向量的一個(gè)元素2/2/20235計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)

LOAD R5,B(R3);讀B向量的一個(gè)元素ADD R4,R5;加一個(gè)元素STORE R4,C(R3);寫C向量的一個(gè)元素ADD R3,R2 ;改變向量偏移量INC R0 ;循環(huán)次數(shù)增1CMP R0,R1 ;循環(huán)是否結(jié)束BLE LOOP ;循環(huán)未結(jié)束轉(zhuǎn)LOOP, ;否則繼續(xù)HALT;停機(jī)ST:10 ;循環(huán)初值ED:1010 ;循環(huán)終值L:4 ;內(nèi)存地址增量2/2/20236計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)三個(gè)參數(shù)表示一個(gè)等間距向量：

向量起始地址：A 向量長(zhǎng)度：L 向量間距：f6.1.2等間距向量表示法2/2/20237計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)例如：我國(guó)研制的銀河向量機(jī)，有8個(gè)向量寄存器V0～V7，每個(gè)向量寄存器由64個(gè)64位的寄存器組成，存儲(chǔ)器字長(zhǎng)64位，采用字節(jié)編址方式，則連續(xù)向量的間距為f=8。向量指令采用三地址形式：例如：ViVjOPVk，向量長(zhǎng)度(VL)=50，則實(shí)際完成的運(yùn)算是： V3,00～V3,49與V5,00～V5,49分別相加，結(jié)果放在V1,00～V1,49中。2/2/20238計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)6.1.3帶位移量的向量表示法用三個(gè)參數(shù)表示一個(gè)向量：向量基地址：A向量長(zhǎng)度：L向量位移量：f向量有效長(zhǎng)度：L－f向量起始地址：A＋f優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)向量可以帶有位移，能夠通過(guò)控制向量實(shí)現(xiàn)可變?cè)隽?。能夠表示稀疏向量?/2/20239計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)帶位移量的向量表示法2/2/202310計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)2/2/202311計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)2/2/202312計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)6.1.4稀疏向量表示法定義：0元素很多，非0元素很少的向量稱為稀疏向量采用壓縮方法存儲(chǔ)稀疏向量可以節(jié)省存儲(chǔ)空間。可以還原之后進(jìn)行運(yùn)算，也可以用壓縮方法直接進(jìn)行運(yùn)算2/2/202313計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)2/2/202314計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)6.2向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)主要采用兩種方法：存儲(chǔ)器－存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

多個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊并行工作

處理機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問(wèn)速度要求很高寄存器－寄存器結(jié)構(gòu)

運(yùn)算通過(guò)向量寄存器進(jìn)行

需要大量高速寄存器對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)訪問(wèn)速度的要求降低2/2/202315計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)1.存儲(chǔ)器－存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)向量處理機(jī)中有多個(gè)高速流水線運(yùn)算部件，存儲(chǔ)器的訪問(wèn)速度是關(guān)鍵采用多個(gè)存儲(chǔ)體交叉和并行訪問(wèn)來(lái)提高存儲(chǔ)器速度例如：CRAY-1有64個(gè)存儲(chǔ)體，每個(gè)處理機(jī)訪問(wèn)4個(gè)存儲(chǔ)體

STAR-100采用32個(gè)存儲(chǔ)體交叉，每個(gè)存儲(chǔ)體并行讀出8個(gè)64位數(shù)據(jù)

我國(guó)研制的YH-1向量計(jì)算機(jī)有37個(gè)存儲(chǔ)體2/2/202316計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)操作數(shù)緩沖棧和寫結(jié)果緩沖棧主要用于解決訪問(wèn)存儲(chǔ)器沖突。雖然采用質(zhì)數(shù)個(gè)存儲(chǔ)體能消除訪問(wèn)存儲(chǔ)器的沖突，但是，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多次運(yùn)算之后，在存儲(chǔ)體中分布必然發(fā)生改變主要優(yōu)缺點(diǎn)：

硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低；速度相對(duì)較低操作數(shù)緩沖棧寫結(jié)果緩沖棧主存

儲(chǔ)器流水線運(yùn)算部件2/2/202317計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)2.寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)

把存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)中的緩沖棧改為向量寄存器

運(yùn)算部件需要的操作數(shù)從向量寄存器中讀取，運(yùn)算的中間結(jié)果也寫到向量寄存器中。

向量寄存器與標(biāo)量寄存器的主要差別是：

一個(gè)向量寄存器能夠保存一個(gè)向量，連續(xù)訪問(wèn)一個(gè)向量的各個(gè)分量。

需要有標(biāo)量寄存器和地址寄存器等。2/2/202318計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)采用寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)：

降低主存儲(chǔ)器的流量

例如：采用寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)的CRAY-1與采用存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的STAR-100比較，運(yùn)算速度高3倍多，而主存流量低2.5倍。2/2/202319計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)8個(gè)向量寄存器8×64×64主存

儲(chǔ)器8MB64個(gè)

個(gè)體12個(gè)流水線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算部件緩沖寄存器64×64標(biāo)量寄存器8×64緩沖寄存器64×24地址寄存器8×24指令緩沖寄存器256×16CRAY-1向量處理機(jī)結(jié)構(gòu)2/2/202320計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)有三種處理方式：橫向處理方式，又稱為水平處理方式，橫向加工方式等。向量計(jì)算是按行的方式從左至右橫向地進(jìn)行?？v向處理方式，又稱為垂直處理方式，縱向加工方式等。向量計(jì)算是按列的方式自上而下縱向地進(jìn)行?？v橫處理方式，又稱為分組處理方式，縱橫向加工方式等。橫向處理和縱向處理相結(jié)合的方式。6.3向量處理方式2/2/202321計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)要根據(jù)向量運(yùn)算的特點(diǎn)和向量處理機(jī)的類型選擇向量的處理方式。以一個(gè)簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言編寫的程序?yàn)槔?，說(shuō)明向量的三種處理方式的工作原理。

for(i=1；i<=n；i++)

y[i]=a[i]×(b[i]+c[i]);2/2/202322計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)1.橫向處理方式也稱為水平處理方式，橫向加工方式等

逐個(gè)分量進(jìn)行處理：假設(shè)中間結(jié)果為T(I)

計(jì)算第1個(gè)分量：

T(1)＝B(1)＋C(1)

Y(1)＝A(1)×T(1)

計(jì)算第2個(gè)分量：

T(2)＝B(2)＋C(2)

Y(2)＝A(2)×T(2)

……

計(jì)算最后一個(gè)分量：

T(N)＝B(N)＋C(N)

Y(N)＝A(N)×T(N)2/2/202323計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)存在兩個(gè)問(wèn)題：

在計(jì)算向量的每個(gè)分量時(shí)，都發(fā)生寫讀數(shù)據(jù)相關(guān)。流水線效率低

如果采用多功能流水線，必須頻繁進(jìn)行流水線切換

橫向處理方式對(duì)向量處理機(jī)不適合

即使在標(biāo)量處理機(jī)中，也經(jīng)常通過(guò)編譯器進(jìn)行指令流調(diào)度。2/2/202324計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)2.縱向處理方式也稱為垂直處理方式，縱向加工方式等

T(1)=B(1)+C(1)

T(2)=B(2)+C(2)

……

T(n)=B(n)+C(n)

Y(1)=A(1)×T(1)

Y(2)=A(2)×T(2)

……

Y(N)=A(N)×T(N)2/2/202325計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)采用向量指令只需要2條：

VADD B，C，T

VMUL A，T，Y

這種處理方式適用于向量處理機(jī)

數(shù)據(jù)相關(guān)不影響流水線連續(xù)工作。不同的運(yùn)算操作只需要切換1次。這種處理方式適用于存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)2/2/202326計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)3.縱橫處理方式用于寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)的向量處理機(jī)中，向量寄存器的長(zhǎng)度是有限的。當(dāng)向量長(zhǎng)度N大于向量寄存器長(zhǎng)度n時(shí)，需要分組處理。分組方法：Ｎ＝Ｋ·ｎ＋ｒ其中：ｒ?yàn)橛鄶?shù),共分Ｋ＋１組。組內(nèi)采用縱向處理方式，組間采用橫向處理方式。因此，也稱為分組處理方式，縱橫向加工方式等。2/2/202327計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)運(yùn)算過(guò)程為：

第１組：

T(1,n)=B(1,n)+C(1,n)

Y(1,n)=A(1,n)×T(1,n)

第２組：

T(n+1,2n)=B(n+1,2n)＋C(n+1,2n)

Y(n+1,2n)=A(n+1,2n)×T(n+1,2n)

……

最后第k+1組：

T(kn+1,N)=B(kn+1,N)+C(kn+1,N)

Y(kn+1,N)=A(kn+1,N)+T(kn+1,N)2/2/202328計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)每組用兩條向量指令，每組發(fā)生相關(guān)兩次，其中組內(nèi)發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)一次，組間切換時(shí)發(fā)生相關(guān)一次。主要優(yōu)點(diǎn)：

減少訪問(wèn)主存儲(chǔ)器的次數(shù)

例如：中間變量T不寫入主存儲(chǔ)器2/2/202329計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)實(shí)際的應(yīng)用問(wèn)題中通常既有向量計(jì)算又有標(biāo)量計(jì)算，而且兩類計(jì)算有一定的比例

向量平衡點(diǎn)(vectorbalancepoint)：為了使向量硬件設(shè)備和標(biāo)量硬件設(shè)備的利用率相等，一個(gè)程序中向量代碼所占的百分比。

關(guān)鍵問(wèn)題是：希望向量硬件和標(biāo)量硬件都能夠充分利用，不要空閑。6.4向量處理機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

6.4.1向量與標(biāo)量性能的平衡2/2/202330計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)

例如：一個(gè)系統(tǒng)的向量運(yùn)算速度為90Mfolps，標(biāo)量運(yùn)算速度為10Mfolps。如果程序的90％是向量運(yùn)算，10％是標(biāo)量運(yùn)算。則向量平衡點(diǎn)為0.9。硬件利用率最高。向量處理機(jī)的向量平衡點(diǎn)必須與用戶程序的向量化程度相匹配。IBM向量計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想與上述方法不同，它維持較低的向量與標(biāo)量比例，定在3～5的范圍之間。這種做法能夠適應(yīng)通用應(yīng)用問(wèn)題對(duì)標(biāo)量和向量處理要求。2/2/202331計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)機(jī)器型號(hào)幾種超級(jí)計(jì)算機(jī)的向量性能和標(biāo)量性能FujitsuVP400CrayISCray2SCrayX-MPCrayY-MPHitachiS820NECSX2向量性能

Mflops標(biāo)量性能

Mflops向量平衡點(diǎn)85.09.80.90151.511.20.93143.313.10.92201.617.00.92737.317.80.98424.29.50.98207.16.60.972/2/202332計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)6.4.2向量鏈接技術(shù)向量指令的類型以CRAY-1向量處理機(jī)為例，有四類指令，兩種指令格式：

(1)向量與向量操作：ViVjOPVk

(2)向量與標(biāo)量操作：ViSjOPVk

(3)向量取：Vi存儲(chǔ)器

(4)向量存：存儲(chǔ)器Vi2/2/202333計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)一種向量處理機(jī)的指令格式2/2/202334計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)向量運(yùn)算中的相關(guān)和沖突向量運(yùn)算中的數(shù)據(jù)相關(guān)和功能部件沖突：

采用順序發(fā)射順序完成方式

(1)寫讀數(shù)據(jù)相關(guān)。

(2)讀讀數(shù)據(jù)相關(guān)，或向量寄存器沖突。

(3)運(yùn)算部件沖突。V0V1＋V2 V0V1＋V2

V3V4×V5 V3V0×V4

(a)不相關(guān)的指令 (b)寫讀數(shù)據(jù)相關(guān)2/2/202335計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)

V0V1＋V2 V0V1＋V2

V3V4＋V5 V3V1×V4

(c)功能部件沖突 (d)讀讀數(shù)據(jù)相關(guān)

向量鏈接技術(shù)(chaining)當(dāng)前一條指令的結(jié)果寄存器可以作為后繼指令的操作數(shù)寄存器時(shí)，多條有數(shù)據(jù)相關(guān)的向量指令并行執(zhí)行，這種技術(shù)稱為兩條流水線的鏈接技術(shù)。2/2/202336計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)例如：有如下3條向量指令：

1：V3A

2：V2V0＋V1

3：V4V2×V3第1、2條指令沒有數(shù)據(jù)相關(guān)和功能部件沖突，可以同時(shí)開始執(zhí)行。第3條指令與第1、2條指令均存在寫讀數(shù)據(jù)相關(guān)，可以鏈接執(zhí)行。2/2/202337計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)浮點(diǎn)加7123456MemV0V1V2V3V4123456123456浮點(diǎn)乘2/2/202338計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)三種執(zhí)行方式比較：(1)如果向量長(zhǎng)度為N，三條指令采用串行方法執(zhí)行的時(shí)間為：

[(1+6+1)+N-1]+[(1+6+1)+N-1]+[(1+7+1)+N-1]=3N+22拍(2)如果前兩條指令并行執(zhí)行，第三條指令串行執(zhí)行，則執(zhí)行時(shí)間為：

[(1+6+1)+N-1]+[(1+7+1)+N-1]=2N+15拍(3)如果采用鏈接技術(shù)，則執(zhí)行時(shí)間為：

(1+6+1)+(1+7+1)+(N-1)=17+N-1=N+16拍2/2/202339計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)實(shí)現(xiàn)鏈接的條件：(1)沒有向量寄存器沖突和運(yùn)算部件沖突。(2)只有第一個(gè)結(jié)果送入向量寄存器的那一個(gè)周期可以鏈接。(3)先行的兩條指令產(chǎn)生運(yùn)算結(jié)果的時(shí)間必須相等。(4)兩條向量指令的向量長(zhǎng)度必須相等。2/2/202340計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)6.4.3向量循環(huán)開采技術(shù)當(dāng)向量的長(zhǎng)度大于向量寄存器的長(zhǎng)度時(shí)，必須把長(zhǎng)向量分成長(zhǎng)度固定的段，采用循環(huán)結(jié)構(gòu)處理這個(gè)長(zhǎng)向量，這種技術(shù)稱為向量循環(huán)開采技術(shù)，也稱為向量分段開采技術(shù)。例6.2：A和B為長(zhǎng)度N的向量。 for(i=1;i<N;i++)a[i]=5*b(i)+c;當(dāng)向量長(zhǎng)度N為64或更小時(shí)，計(jì)算A數(shù)組的7條指令序列是：2/2/202341計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī) 1：S15.0 在標(biāo)量寄存器內(nèi)設(shè)置常數(shù) 2：S2C 將常數(shù)C裝入標(biāo)量寄存器 3：VLN 在VL寄存器內(nèi)設(shè)置向量長(zhǎng)度 4：VoB 將B向量讀入向量寄存器 5：V1S1

VoB數(shù)組的每個(gè)分量乘常數(shù) 6：V2S2＋V1C和5B(x)相加 7：AV2

將結(jié)果向量存入A數(shù)組當(dāng)N超過(guò)64時(shí)，要采用向量循環(huán)開采技術(shù)。

在進(jìn)入循環(huán)前，把N除以64，確定循環(huán)次數(shù)。 如果有余數(shù)，則在第一次循環(huán)中首先計(jì)算。2/2/202342計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)第4條到第7條指令組成循環(huán)1：S15.0 在標(biāo)量寄存器內(nèi)設(shè)置常數(shù) 2：S2C 將常數(shù)C裝入標(biāo)量寄存器 3：VLN 在VL寄存器內(nèi)設(shè)置向量長(zhǎng)度

for(i=0;i>=N/64;i++){

4：VoB 將B向量讀入向量寄存器

5：V1S1

VoB數(shù)組的每個(gè)分量乘常數(shù)

6：V2S2＋V1C和5B(x)相加

7：AV2

將結(jié)果向量存入A數(shù)組

}2/2/202343計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)6.4.4向量遞歸技術(shù)向量指令一般為3地址，但遞歸運(yùn)算用兩地址。用遞歸向量技術(shù)求和：V0V0+V1C0和C1分別是與向量寄存器V0和V1相關(guān)的分量計(jì)數(shù)器。初始時(shí)，計(jì)數(shù)器C0和C1都置成0，V00中的初始值也置成0。浮點(diǎn)加法流水線的延遲時(shí)間為8個(gè)周期。假定向量長(zhǎng)度為64，只作一個(gè)向量循環(huán)。在開始的8個(gè)周期，計(jì)數(shù)器C0一直為0，在此之后，每個(gè)周期期加1。C1每個(gè)周期加1。2/2/202344計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)V00=V00+V10=0+V10V01=V00+V11=0+V11……V07=V00+V17=0+V17V08=V00+V18=V10+V18……V015=V07+V115=V17+V115

V016=V08+V116=V10+V18+V116……V056=V048+V156=V10+V18+V116+V124+V132+V140+V148+V156 ……V063=V055+V163=V17+V115+V123+V131+V139+V147+V155+V163經(jīng)過(guò)8次運(yùn)算,得到8個(gè)結(jié)果,分別是8個(gè)數(shù)的和第1次加法第2次加法第8次加法2/2/202345計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)6.5向量處理機(jī)實(shí)例 6.5.1典型向量處理機(jī) 6.5.2CRAYY-MP向量處理機(jī) 6.5.3向量協(xié)處理器2/2/202346計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)向量處理機(jī)主要出自美國(guó)和日本。美國(guó)著名的向量計(jì)算機(jī)公司有：CRAYCDCTI等日本公司有：NECFujitsuHitachi等6.5.1典型的向量處理機(jī)2/2/202347計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)機(jī)器型號(hào)美國(guó)和日本制造的向量處理機(jī)CrayIS配置特點(diǎn)有10條流水線的

單處理機(jī)，12.5

ns，COS/CF7

2.1第一臺(tái)基于ECL

的超級(jí)計(jì)算機(jī)，

1976年問(wèn)世典型向量處理機(jī)Cray2S/4-256256M字存儲(chǔ)器

的4臺(tái)處理機(jī)，

4.lns,COS或

UNIX/CF773.016K字的本地存

儲(chǔ)器，移植了

UNIXV，

1985問(wèn)世2/2/202348計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)機(jī)器型號(hào)CrayX-MP416配置特點(diǎn)16M字存儲(chǔ)器的

4臺(tái)處理機(jī)，128

M字SSD,8.5ns,

COSCF775.0使用共享寄存器

組用于IPC，

1983年問(wèn)世CrayY-MP832128M字存儲(chǔ)器的

8臺(tái)處理機(jī),6ns,

CF775.0X－MP的改進(jìn)

型，1988年問(wèn)世每臺(tái)處理機(jī)2條

向量流水線,16

臺(tái)處理機(jī),4.2ns,

Unicos/CF775.0Cray

Y-MP

C-90最大的Cray機(jī)器1991年問(wèn)世2/2/202349計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)機(jī)器型號(hào)CDCCyber205配置特點(diǎn)有4條流水線的

單處理機(jī),20ns,

虛擬OS/FTN200存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，

1982年問(wèn)世ETA10E單處理機(jī),

10.5ns,ETAV/FTN200Cyber205的后

繼型號(hào)，

1985年問(wèn)世每臺(tái)處理機(jī)4組

流水線,4臺(tái)處理

機(jī),2.9ns,F77SX,

22GflopsNECSX-X/441991年問(wèn)世2/2/202350計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)機(jī)器型號(hào)FujitsuVP2600/10配置特點(diǎn)5條流水線的單

處理機(jī)和雙標(biāo)量

處理機(jī),3.2ns,

MSP.EX

/F77EX/VP使用可重構(gòu)微

向量寄存器和

屏蔽，

1991年問(wèn)世512MB存儲(chǔ)器，

18條流水線的單

處理機(jī)，4ns，

FORT77/HAP

V23-OCHitachi820/8064個(gè)通道，最大

傳輸速率

288MB/S，

1988年問(wèn)世2/2/202351計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)6.5.2CRAYY-MP向量處理機(jī)由1至8個(gè)處理機(jī)組成，共享中央存儲(chǔ)器、I/O子系統(tǒng)、處理機(jī)通信子系統(tǒng)和實(shí)時(shí)鐘。中央存儲(chǔ)器由256個(gè)交叉訪問(wèn)的存儲(chǔ)體組成。每個(gè)處理機(jī)對(duì)4個(gè)存儲(chǔ)器端口交叉訪問(wèn)。CPU的時(shí)鐘周期為6ns。每個(gè)CPU由14個(gè)功能部件組成，分為向量、標(biāo)量、地址和控制四個(gè)子系統(tǒng)。使用了大量地址寄存器、標(biāo)量寄存器、向量寄存器、中間寄存器和臨時(shí)寄存器?？梢詫?shí)現(xiàn)功能流水線靈活的鏈接。I/O子系統(tǒng)支持三類通道，傳輸速率分別為6兆字節(jié)/秒，100兆字節(jié)/秒和1G字節(jié)/秒。2/2/202352計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)536.5.3向量協(xié)處理器以中小型機(jī)或微機(jī)作主機(jī)，向量處理部件作為外圍設(shè)備，加速向量的處理速度。向量協(xié)處理器是為中小型用戶設(shè)計(jì)的，解決科學(xué)計(jì)算中大量向量處理任務(wù)的一種裝置。FPS-164是最典型的向量協(xié)處理器，美國(guó)浮點(diǎn)系統(tǒng)公司生產(chǎn)。每個(gè)向量處理器有兩個(gè)乘加部件，兩組向量寄存器，兩組標(biāo)量寄存器。向量寄存器有2組4個(gè)２Ｋ個(gè)操作數(shù)，每個(gè)操作數(shù)４個(gè)字節(jié)。各向量處理器同步地運(yùn)算，但它們處理的數(shù)據(jù)各不相同。向量操作可以和標(biāo)量處理器中的標(biāo)量操作同時(shí)進(jìn)行2/2/202354計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)

FPS-164向量協(xié)處理器的結(jié)構(gòu)

2/2/202355計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)6.6向量處理機(jī)的性能評(píng)價(jià)衡量向量處理機(jī)性能的主要指標(biāo)有：

向量指令處理時(shí)間Tvp、最大性能R、半性能向量長(zhǎng)度n1/2等。1.向量指令處理時(shí)間Tvp執(zhí)行一條長(zhǎng)度為n的向量指令的時(shí)間Tvp表示為：

Tvp＝Ts

+Tvf

+(n-1)Tc 其中：Ts為向量流水線的建立時(shí)間。 Tvf為向量流水線的流過(guò)時(shí)間。Tc為流水線“瓶頸”段的執(zhí)行時(shí)間。2/2/202356計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)如果每段執(zhí)行時(shí)間都等于一個(gè)時(shí)鐘周期，則有：

Tvp＝[s+e+(n-1)] 其中：s為向量流水線建立所需的時(shí)鐘周期數(shù)。 e為向量流水線流過(guò)所需的時(shí)鐘周期數(shù)。 n為向量長(zhǎng)度。為時(shí)鐘周期長(zhǎng)度。通常把幾條能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)開始執(zhí)行的向量指令稱為一個(gè)編隊(duì)(Chime)。同一個(gè)編隊(duì)中的指令不存在功能部件沖突和數(shù)據(jù)相關(guān)。2/2/202357計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)例6.3：假設(shè)一臺(tái)向量處理機(jī)中功能部件的啟動(dòng)開銷為：取數(shù)和存數(shù)部件12個(gè)時(shí)鐘周期、乘法部件7個(gè)時(shí)鐘周期、加法部件6個(gè)時(shí)鐘周期。先把下列向量操作分成編隊(duì)，然后計(jì)算每個(gè)編隊(duì)的開始時(shí)間、獲得第一個(gè)結(jié)果元素的時(shí)間和獲得最后一個(gè)結(jié)果元素的時(shí)間。LVV1，Rx；取向量xMULTSVV2，F(xiàn)0，V1；向量和標(biāo)量相乘 LVV3，Ry；取向量Y ADDVV4，V2，V3；加法 SVRy，V4；存結(jié)果2/2/202358計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)解：第一條指令LV為第1個(gè)編隊(duì)。 MULTSV指令和第2條LV指令為第2個(gè)編隊(duì)。 ADDV指令為第3個(gè)編隊(duì)。 SV指令為第4個(gè)編隊(duì)。 如果向量長(zhǎng)度為n，則每個(gè)編隊(duì)的開始時(shí)間、獲得第一個(gè)結(jié)果元素和最后一個(gè)結(jié)果元素時(shí)間如下表所示：2/2/202359計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)如果有3個(gè)訪問(wèn)存儲(chǔ)器部件，并且不考慮控制的復(fù)雜性，采用向量鏈接技術(shù)，只需要：12+7+6+12+n–1＝36+n個(gè)周期。如果考慮向量長(zhǎng)度大于向量寄存器長(zhǎng)度時(shí)，則需要分段開采。 向量長(zhǎng)度為n的一組向量操作的整個(gè)執(zhí)行時(shí)間為： 其中：Tloop為執(zhí)行標(biāo)量代碼的開銷， Tstart為每個(gè)編隊(duì)的向量啟動(dòng)開銷，MVL是向量寄存器的長(zhǎng)度， Tloop是一個(gè)常數(shù)，在Cray1中機(jī)為15。2/2/202360計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)例6.5：在一臺(tái)向量處理機(jī)上實(shí)現(xiàn)A＝B×s操作，其中A和B是長(zhǎng)度為200的向量，s是一個(gè)標(biāo)量。向量寄存器長(zhǎng)度為64。各功能部件的啟動(dòng)時(shí)間與上例相同。求總的執(zhí)行時(shí)間。解：因?yàn)橄蛄块L(zhǎng)度超過(guò)了向量寄存器的長(zhǎng)度，所以要采取分段開采方法。每次循環(huán)主要由下面三條向量指令組成：LV V1，Rb ;取向量BMULTVSV2，V1，F(xiàn)s;向量和標(biāo)量相乘SV Ra，V2 ;存向量 假設(shè)A和B分別放在Ra和Rb之中，s放在Fs中2/2/202361計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)三條指令之間存在有寫讀數(shù)據(jù)相關(guān)，因此必須把它們分成3個(gè)編隊(duì)，Tchime=3。

T200＝4×(15+Tstart)+200×3＝60＋（4×Tstart）+600 ＝660＋（4×Tstart） 其中：Tstart=12+7+12=31，因此，T200＝660+4×31＝784每個(gè)結(jié)果元素的平均執(zhí)行時(shí)間為：768/200＝3.9個(gè)周期。2/2/202362計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)例6.6：在某臺(tái)向量處理機(jī)上的執(zhí)行代碼由如下5條指令組成： 1：LVV1，Rx ;取向量x 2：MULTSVV2，F(xiàn)0，V1 ;向量和標(biāo)量相乘 3：LVV3，Ry ;取向量Y 4：ADDVV4，V2，V3 ;加法 5：SVRy，V4 ;存結(jié)果 主要參數(shù)與上例相同，求總的執(zhí)行時(shí)間。2/2/202363計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)解：指令1、2，指令3、4和指令5分成三個(gè)編隊(duì)，前兩個(gè)編隊(duì)中兩條指令采用向鏈接技術(shù)執(zhí)行。 Tchime=3，Tloop=15，Tstart=12+7+12+6+12=49，MVL=64。2/2/202364計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)2.最大性能RR表示當(dāng)向量長(zhǎng)度為無(wú)窮大時(shí)的向量流水線的最大性能。常在評(píng)價(jià)峰值性能時(shí)使用。 其中：n為向量長(zhǎng)度； Tn為一組向量操作的整