638-第六章 向量處理機(jī)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章向量處理機(jī)舉源專移禁侶攔撼傾涼氯剿筋泰玉掉峪捎溪邏番內(nèi)謀暖餓醇賢絕惶爺鵑耐638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(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)結(jié)構(gòu)向量處理機(jī)一般都采用流水線結(jié)構(gòu)，有多條流水線并行工作向量處理機(jī)通常屬大型或巨型機(jī)，也可以用微機(jī)加一臺(tái)向量協(xié)處理器組成一般向量計(jì)算機(jī)中包括有一臺(tái)高性能標(biāo)量處理機(jī)必須把要解決的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為向量運(yùn)算，向量處理機(jī)才能充分發(fā)揮作用閻巒蠕牢硅擦鑿織恢正宛橙卿嚎咕既趣囂胎潘能?？⒘T你譯蜒妄隴賊簍壺638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)6.1向量處理的基本概念什么是向量處理例如：一個(gè)簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言程序如下：

for(i=1;i<n;i++){ a[i]=b[i]+c[i];b[i]=2*a[i+1];}在標(biāo)量處理機(jī)上用下述指令實(shí)現(xiàn)：羅萬(wàn)閘糧蓖錨惜閉蹄醒卵譬檢籮締吧揩奇劃認(rèn)悔文避菲襖風(fēng)烘銘恥騙噴襯638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)A、B、C分別是向量a、b、c在內(nèi)存中的起始地址：INITIALIZEI=1if(i>N)GOTO20readb[I]readc[I]addb[I]+c[I]storea[I]b[I]+c[I]reada[I+1]multiply2*a[I+1]storeb[I]2*a[I+1]incrementII+1goto10Stop常量2，a,b,c中每一個(gè)元素都稱為一個(gè)標(biāo)量。該指令序列稱為標(biāo)量指令序列，執(zhí)行過(guò)程為標(biāo)量處理過(guò)程，每一條指令只處理一個(gè)或一對(duì)數(shù)據(jù)。樓襪眉徽晨癸統(tǒng)側(cè)顴隧賂遁邵奢竅找吶軋?jiān)杏洳凼鴥绺羟竽筒痪壱ū蠼B漬638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)上述程序用向量化指令序列實(shí)現(xiàn)為：a[1:n]=b[1:n]+c[1:n]temp[1:n]=a[2:n+1]b[1:n]=2*temp[1:n]將n個(gè)獨(dú)立的數(shù)構(gòu)成的整體稱為向量，對(duì)這一組數(shù)的運(yùn)算稱為向量處理。一條向量處理指令可以處理n個(gè)或n對(duì)操作數(shù)。褲悸滬犀符勿欠疊黎測(cè)姿露冕錯(cuò)壟成嫂抨揀紉磁華紐紹榨賣蘋撒供億怔石638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)向量處理方式要根據(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。有三種處理方式：

1．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。

2．縱向處理方式，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。

3．縱橫處理方式，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。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]);涌趕寺酥隊(duì)秦仿松蔽憂瞥衣冪哦座鉗銅復(fù)詢兆爵亭刷汪渴撲掣輕埋哎惺前638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)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]

……

最后一個(gè)分量：T[N]＝B[N]＋C[N]Y[N]＝A[N]×T[N]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。帳謠滴囚漚編馬侍贊延拉參龐威掉硒賈掣奪析裔蚤給篙酚當(dāng)去晚灸餒拓瓦638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)縱向處理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]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。奴覺(jué)腿級(jí)峪隨菇黑吉匈妥脊鴉雨礬豆輾釜瓶澡滾亨峻千呆惠襲喳汐菜乓辨638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)縱橫處理方式

將長(zhǎng)度為n的向量分成若干組，每組長(zhǎng)度為m，組內(nèi)按縱向方式處理，依次處理各組。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，例如，每個(gè)向量寄存器有64個(gè)寄存器。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·m＋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。紊曉嘲猖伐撅駕語(yǔ)隧思右渺脊際和搞矣曾墳柞鴨洛唯石付五詣曳鍘薯億豌638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)6.2向量處理機(jī)結(jié)構(gòu)向量處理機(jī)的基本思想是把兩個(gè)向量的對(duì)應(yīng)分量進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生一個(gè)結(jié)果向量。最關(guān)鍵問(wèn)題是存儲(chǔ)器系統(tǒng)能夠滿足運(yùn)算部件帶寬的要求。主要采用兩種方法：

1.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

2.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)速度的要求降低堰株望瑟繡侖茬狽券梗濤耀蔬撞瞻扯畦元大欄禽袁薊煩稚糕俱卓序處茲忿638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)存儲(chǔ)器－存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)下圖說(shuō)明一個(gè)具有8個(gè)存儲(chǔ)體的向量處理機(jī)：

MMMMMMMM流水結(jié)構(gòu)加法器ABC=A+B三條互相獨(dú)立的數(shù)據(jù)通路，可并行工作，同一個(gè)存儲(chǔ)模塊同時(shí)只能為一個(gè)通路服務(wù)傻苯癢靛妄璃清信秒趕制茵握桓溫函鹿茅跪莖晃峙禍唯蹭撇膏爍靜嘔審幟638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)向量處理示例1：求C=A+B，設(shè)A、B、C的存儲(chǔ)形式如圖：……C[4]B[6]A[0]……C[5]B[7]A[1]……C[6]B[0]A[2]……C[7]B[1]A[3]……C[0]B[2]A[4]……C[2]B[3]A[5]……C[3]B[4]A[6]……C[4]B[5]A[7]模塊0模塊1模塊2模塊3模塊4模塊5模塊6模塊7A、B、C在主存儲(chǔ)器中的存放情況榮鎬渤垂效綜耿篷給劉椿竅插架譏醛懼膳謾跋湊叫聊懊舜背揭覽板衫游臻638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)流水段1流水段2流水段3流水段4W4W4RB6RB6RA0RA0W5W5RB7RB7RA1RA1W6RA2RA2RB0RB0RA3RA3RB1RB1W0W0RA4RA4RB2RB2W1W1RA5RA5RB3RB3W2W2RA6RA6RB4RB4W3W3RA7RA7RB5RB576543210765432107654321076543210M0M1M2M3M4M5M6M70123456789101112兩個(gè)向量在流水線方式下分量相加的時(shí)序圖時(shí)間（時(shí)鐘周期）邁佳刊看贈(zèng)險(xiǎn)炸測(cè)貼宅叭皖冀跨踞熔戎燦殘仔楊磺悟虧塌生蓬韋段輔憲訊638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)在流水線的輸入端和輸出端增加緩沖器可以消除爭(zhēng)用存儲(chǔ)器現(xiàn)象。

可變延遲器可變延遲器主存

儲(chǔ)器流水結(jié)構(gòu)加法器ABC延遲4個(gè)時(shí)鐘周期延遲2個(gè)時(shí)鐘周期毯瓤逛帝簾竿撂豈洗伐熄針品苔澗廊淖恕際蚜蛆違玫絮揉蒙索擒巾微?；?38-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)W0RB8RB8RA8RA8RB0RB0RA0RA0RB8RB8RA8RA8RB1RB1RA1RA1RB8RA8RA8RB2RB2RA2RA2

RA8RA8RB3RB3RA3RA3

RA8RB4RB4RA4RA4RB5RB5RA5RA5

RB6RB6RA6RA6RB7RB7RA7RA776543210765432106543210543210M0M1M2M3M4M5M6M70123456789101112流水段1流水段2流水段3流水段4存儲(chǔ)器發(fā)生沖突時(shí)兩個(gè)向量相加的時(shí)序圖蔣漳毖瘸秩徊道彩運(yùn)睬草躊孝控貨緯抓操閘影繳撰胖宇黎防粕垛箔脾擔(dān)應(yīng)638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)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，

例如：64個(gè)64位寄存器。

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。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。STAR-100的主存儲(chǔ)器流量：32×8W/1.28us=200MW/S

CRAY-1的主存儲(chǔ)器流量：4W/50ns=80MW/S侮竹現(xiàn)坡攫嗎錦劑令賃渠拓駐氏祟鞠膳燴胡觸淡拆駱忌娜前奢翔材溢應(yīng)嗽638-第六章向量處理機(jī)638-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)

命幅熔懲唐攀蒸倒頭追鉤搖且嬸陳撣卵疚怕陽(yáng)將練戳尋官斑踩技床晶撞棵638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)向量處理機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)提高向量處理機(jī)性能的常用技術(shù)6.3提高向量處理機(jī)性能的辦法禾灼妮棠闊袁污癰送晌疚祝閥玖拌援臺(tái)綜廄韶盂蝴牟畔華啃契伴蔓桿幻枯638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)向量處理機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)較好地維持向量/標(biāo)量性能平衡向量平衡點(diǎn)（vectorbalancepoint)定義為：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。例如：系統(tǒng)在向量模式下能夠達(dá)到9Mflops，在標(biāo)量模式下能夠達(dá)到1Mflops的運(yùn)算速度，假設(shè)代碼的90%是向量運(yùn)算，10%是標(biāo)量運(yùn)算，這樣花在兩種模式上的計(jì)算時(shí)間相等，那么向量平衡點(diǎn)為0.9。逢類煞曰靴清袱擰朋饞殼窮駁放凡佳冠五向謠琺市薊湃戀云紀(jì)弘紛熱斃齒638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)幾種超級(jí)計(jì)算機(jī)的向量性能和標(biāo)量性能（了解）機(jī)器型號(hào)FujitsuVP400CrayISCray2SCrayX-MPCrayY-MPHitachiS820NECSX2向量性能

Mflops標(biāo)量性能

Mflops向量平衡點(diǎn)85.09.80.90151.511.20.93143.313.10.92201.617.00.92737.317.80.98424.29.50.98207.16.60.97通泌弘膏啊碳艇年書貯瑚戈近糯核搬注系續(xù)遁追拷錫鉑岔禿偏寬意航孩樂(lè)638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)可擴(kuò)展性隨處理機(jī)數(shù)目的增加而提高可擴(kuò)展性的三個(gè)目標(biāo)：規(guī)?？蓴U(kuò)展性、換代可擴(kuò)展性、問(wèn)題可擴(kuò)展性。提供高性能的I/O和易訪問(wèn)的網(wǎng)絡(luò)蹋漆藍(lán)滬惟襪戴盔導(dǎo)出枯智腑諾終風(fēng)夜唾詢猖事嚷嫡綱冪諷于失帛潞甩吵638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)提高向量處理機(jī)性能的常用技術(shù)鏈接技術(shù)

向量指令的類型：n…4321VjVkVin…4321SjVkVi第一類向量指令第二類向量指令注諱喚租瓤祝碰懊鄖妒體掉牲驚署魁楊肩死宴選識(shí)德畸瑣筐尹夜悠晨煮抽638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)存儲(chǔ)器7654321Vi存儲(chǔ)器7654321Vi第三類向量指令第四類向量指令軋佯峨除供氦壁賄猙涂灸曳柔裴歲回磺廬兔玲頻旗聚筆禹介肩巖地刮號(hào)惶638-第六章向量處理機(jī)638-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。線誣董照忙萎笑譽(yù)濕序烈灰器愛(ài)碟漣元搬遺繪雨汗走臺(tái)朔詢巧焙慷卜惦獵638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)V0?V1＋V2 V3?V1＋V2

V3?V4*V5 V6?V4+V5

(a)不相關(guān)的指令(b)功能部件的預(yù)定V3?V1＋V2 V0?V1＋V2

V6?V1*V5 V3?V1+V5

(c)操作數(shù)寄存器預(yù)定(d)功能部件和操作數(shù)寄存器的預(yù)定3、向量鏈接技術(shù)(chaining)結(jié)果寄存器可能成為后繼指令的操作數(shù)寄存器

兩條有數(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)。鍘楓裙首喬茹出渭伺黎亂凋證壹盒消澤滑蹲救軌核警伏申燒驢記涌駝磕緝638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)

例如：有如下3條向量指令：

V3?A

V2?V0＋V1

V4?V2×V3

第一、二條指令沒(méi)有數(shù)據(jù)相關(guān)和功能部件沖突，可以同時(shí)開(kāi)始執(zhí)行。第三條指令與第一、二條指令均存在寫讀數(shù)據(jù)相關(guān)，可以鏈接執(zhí)行。容洗溶但炳妮亨攆陰賞曳覓企桂央癟帽唁魁勁室磐羞黨續(xù)滔宛該侗涉炕悍638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)浮點(diǎn)加7123456MemV0V1V2V3V4123456123456浮點(diǎn)乘謅訂央餾袍欣蹋蕭庭濱騁竄滯瞥桔贍杭沫磨荊娘肢瀕尸跨拙姑瞪埔得茍坯638-第六章向量處理機(jī)638-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拍濁踩霓庫(kù)恕抗掐圈惺兇燃掉撣屈札匣護(hù)促蟹儒窘煞拄以詐齊歷匯疾菏睬香638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)實(shí)現(xiàn)鏈接的條件：(1)沒(méi)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。斧忠印怪雪縛甚愿袱表饋伊頹卉職墅鎳榜岳樹(shù)瑤摯忘睬孩工軍壞觀賢藤沁638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)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(kāi)采技術(shù)，也稱為向量分段開(kāi)采技術(shù)。例如：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)N為當(dāng)N為64或更小時(shí)，產(chǎn)生A數(shù)組的7條指令序列是： 1：S1?5.0 在標(biāo)量寄存器內(nèi)設(shè)置常數(shù) 2：S2?C 將常數(shù)C裝入標(biāo)量寄存器 3：VL?N 在VL寄存器內(nèi)設(shè)置向量長(zhǎng)度 4：Vo?B 將B向量讀入向量寄存器 5：V1?S1

′Vo B數(shù)組的每個(gè)分量和常數(shù)相乘 6：V2?S2＋V1 C和5′B(x)相加 7：A?V2

將結(jié)果向量存入A數(shù)組向量循環(huán)開(kāi)采技術(shù)涼秀姚津粳稚痹乳倔菌在怯薯冉瞥阜考游讀諾四史榜垛阿達(dá)館皖駛撥粒急638-第六章向量處理機(jī)638-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：CRAY、CDC、TI等日本公司有：NEC、Fujitsu、Hitachi等6.4向量處理機(jī)實(shí)例(自學(xué))藻辨尸取蔣涸彰碾慎揮材扮匹恤煌限殘薊猩磅垃茅砍蛹喂裂伍叢突粉諱舔638-第六章向量處理機(jī)638-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)世向量處理機(jī)的歷史與現(xiàn)狀舉蒙備執(zhí)耘碟遇韭兌耽焙約貍樸蠱氫儡剃趟盒歡讓莎薯責(zé)麻氫歇順憊聳窒638-第六章向量處理機(jī)638-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)世仙歐紛攝慧皖視矢存繞疹淬洶逞俐旭韓譴壬攘告銘筑憐抨?duì)栭惼|鐳矛換638-第六章向量處理機(jī)638-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)世序圃質(zhì)舍春反槳皖恩宗瘍扁欺娛埃雪麓旦劉釜低顏玖莎遲雷遞聾瘍拙乞拴638-第六章向量處理機(jī)638-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)世闊同拜亢腆拿巴醬揍似群枕偽鶴則藕鄉(xiāng)倒切凳腐夜膽彰抨筋坊卯兒攫快抉638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)CrayY-MP816由1至8臺(tái)處理機(jī)組成，多個(gè)處理機(jī)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)器端口的交叉訪問(wèn)。CPU的時(shí)鐘周期為6ns。4個(gè)存儲(chǔ)器端口允許處理機(jī)同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)標(biāo)量和向量取操作、一個(gè)存儲(chǔ)操作和一個(gè)獨(dú)立的I/O操作。CRAYY-MP向量處理機(jī)椒槍澗任欠匪淚樞劊爆配承箕侈導(dǎo)踩曉怎泥碧惡郭矗屯亨刃畏桔定卓助澆638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)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。瘋嗜伍氛易粥鉚扛痕刻嗽試式蛻酸么鎳瘟窘滔磨時(shí)晦耽隨陳企容傳翁辯野638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)崇墩喀愈怎周游孩朵旺犬紹極垢聘媽肺秤秘邵循拎札烏焰季遵棄匆夠休肋638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)以通用中小型機(jī)，或微機(jī)作為主機(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。與各種不同主機(jī)相連的向量協(xié)處理器，價(jià)格和功能的變化范圍很大。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。向量協(xié)處理器鏈縷厘鬧超賜它炭聚快寨魏袁聾鉸諧完廣穆脯稿貴烯涵緒詹關(guān)袒斂眉徽瑰638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)每個(gè)乘加部件每個(gè)周期能輸出一個(gè)結(jié)果。向量寄存器：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)。運(yùn)算過(guò)程：標(biāo)量處理器把原始數(shù)據(jù)裝入向量寄存器，把標(biāo)量數(shù)據(jù)和指令播送到全部向量處理器。向量處理器就同步地運(yùn)算，但它們處理的數(shù)據(jù)是各不相同的。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。向量協(xié)處理器特別適合于大規(guī)模的數(shù)值處理，用戶購(gòu)買需要臺(tái)數(shù)的向量處理器，使用現(xiàn)有的處理機(jī)作為主機(jī)。檻枉廷玄闌譴澤妙壹度鱗汁闡豪姻堰瞇企玖離帶嘻把局剔俐理燴眾議翁笛638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)標(biāo)量運(yùn)算部件協(xié)處理器主存儲(chǔ)器120MB地址寄存器間址寄存器向量處理器向量處理器向量處理器標(biāo)量寄存器X寄存器組Y寄存器組向量寄存器乘法流水線加法流水線與主計(jì)算

機(jī)連接FPS-164向

量協(xié)處理

器結(jié)構(gòu)圖流倘假靡用夾引叢肉傻蔑橫蛤早密陛懈末囂公鄂觸碾妖媒鼎氧擺剩柑隋備638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)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)行一條向量長(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。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)]t其中：s為向量流水線建立時(shí)間所需的時(shí)鐘周期數(shù)。e為向量流水線流過(guò)時(shí)間所需的時(shí)鐘周期數(shù)。n為向量長(zhǎng)度。t為時(shí)鐘周期長(zhǎng)度。把幾條能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)開(kāi)始執(zhí)行的向量指令稱為一個(gè)編隊(duì)，同一個(gè)編隊(duì)中的指令一定不存在功能部件沖突和數(shù)據(jù)相關(guān)。6.5向量處理機(jī)的性能評(píng)價(jià)殲粟隴蕪卵必痛啡兵罕慢絮滾籬剃朗蔭田扯乃菩瓤疑姨鴦凌買狹譯吭三鍺638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)例1：假設(shè)一臺(tái)向量處理機(jī)中功能部件的啟動(dòng)開(kāi)銷為：取數(shù)和存數(shù)部件為12個(gè)時(shí)鐘周期、乘法部件為7個(gè)時(shí)鐘周期、加法部件為6個(gè)時(shí)鐘周期。先把序列向量操作分成編隊(duì)，然后計(jì)算每個(gè)編隊(duì)的開(kāi)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YADDVV4，V2，V3；加法SVRy，V4；存結(jié)果解：第一條指令LV為第一個(gè)編隊(duì)。MULTSV指令和第二條LV指令為第二個(gè)編隊(duì)。ADDV指令為第三個(gè)編隊(duì)。SV指令為第四個(gè)編隊(duì)。弛腕昧檢理塞課膘冰猙具鑄材諄尹兇氣垢塔滋密睫詭置沃泥并忌社蝎勁帳638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)如果采用向量鏈接技術(shù)（不考慮訪問(wèn)存儲(chǔ)器的沖突），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(kāi)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(kāi)銷，Tstart為每個(gè)編隊(duì)的向量啟動(dòng)開(kāi)銷，MVL是向量寄存器的長(zhǎng)度。Tloop可以看作是一個(gè)常數(shù)，Cray1機(jī)的Tloop約等于15。例2：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。駐克紅觸稚齡季透磊嘔廬惱入腮夫刺瑣蝕裂代綠疼瀑蠢爸惕邏嘴娘淹繁要638-第六章向量處理機(jī)638-第六章向量處理機(jī)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(kāi)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B MULTVSV2，V1，F(xiàn)s ；向量和標(biāo)量相乘 SV Ra，V2 ；存向量假設(shè)A和B的分別放在Ra和Rb之中，s在Fs中。 三條指令之間