[工學(xué)]15_陣列處理機(jī)(已修改)
2025-10-25 23:30 本頁面
【正文】 重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1 第十五講 并行處理機(jī) 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2 ?并行處理機(jī)的操作模型和特點(diǎn) ?并行處理機(jī)的基本結(jié)構(gòu) ?并行處理機(jī)的并行算法 重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3 SIMD并行處理機(jī)（陣列處理機(jī)） 并行處理機(jī)的基本構(gòu)成 ? 并行處理機(jī)是通過 重復(fù)設(shè)置 大量相同的處理單元 PE（ Processing Element），將它們 按一定的方式互連 ，在統(tǒng)一的控制部件 CU（ Control Unit）控制下，對(duì)各自分配來的不同數(shù)據(jù)并行地完成 同一條指令 所規(guī)定的操作。它依靠 操作一級(jí)的并行處理 來提高系統(tǒng)的速度。 ? 并行處理機(jī)的控制部件中進(jìn)行的是 單指令流 ，因此與高性能單處理機(jī)一樣，指令基本上是 串行執(zhí)行 ，最多加上使用指令重疊或流水線的方式工作。 ? 指令重疊是將指令分成兩類，把只適合串行處理的控制和標(biāo)量類指令留給控制部件自己執(zhí)行，而把適合于并行處理的向量類指令播送到所有處理單元，控制讓處于活躍的那些處理單元去并行執(zhí)行。因此這是一種標(biāo)量控制類指令和向量類指令的重疊執(zhí)行。 重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 4 并行處理機(jī)的操作模型和特點(diǎn) 一、并行處理機(jī)的基本結(jié)構(gòu) – 運(yùn)行方式： 用一條指令同時(shí)對(duì)許多運(yùn)算單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。 – 基本構(gòu)成： 控制器 CU、處理單元 PE、存儲(chǔ)器模塊、互連網(wǎng)絡(luò) IN – 控制單元： 執(zhí)行串行指令，并行指令廣播到各個(gè) PE； PE以同步方式執(zhí)行指令； – 互連網(wǎng)絡(luò)： 集中式控制。 – 陣列并行指令： 向量運(yùn)算，數(shù)據(jù)尋徑，屏蔽操作 重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 5 ? SIMD并行處理機(jī)的操作模型可用五元組表示： SIMD=(N， C， I， M， R) – N為機(jī)器的 處理單元數(shù) 。 – C為控制部件 CU直接執(zhí)行的指令集 ，即標(biāo)量指令和程序流控制指令。 – I為由 CU廣播至所有 PE進(jìn)行 并行執(zhí)行的指令集 ，包括：算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)尋徑、屏蔽以及其他由每個(gè) PE對(duì)它的數(shù)據(jù)所執(zhí)行的局部操作。 – M為屏蔽方案集 ，其中每種屏蔽將所有 PE劃分成允許操作和禁止操作兩種工作模式。 – R是數(shù)據(jù)尋徑功能集 ，說明互連網(wǎng)絡(luò)中 PE間通信所需要的各種設(shè)置模式。 重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 6 陣列處理機(jī)的特點(diǎn) 1. 陣列機(jī)是以單指令流多數(shù)據(jù)流方式工作的。 2. 利用資源重復(fù)（空間因素）而非時(shí)間重疊。 3. 陣列機(jī)是以 某一類算法為背景的專用計(jì)算機(jī) 。這是由于陣列機(jī)中通常都采用簡單、規(guī)整的互連網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)處理單元間的連接操作，從而限定了它所適用的求解算法類別。因此，對(duì)互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的研究就成為陣列機(jī)研究的重點(diǎn)之一。 4. 陣列機(jī)的研究必須與并行算法的研究密切結(jié)合，以使它的求解算法的適應(yīng)性更強(qiáng)一些，應(yīng)用面更廣一些。 5. 從處理單元來看，由于結(jié)構(gòu)都相同，因而可將陣列機(jī)看成是一個(gè)同構(gòu)型并行機(jī)。但它的控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)標(biāo)量處理機(jī)，而為了完成 I/O操作以及操作系統(tǒng)的管理，尚需一個(gè)前端機(jī)，因此 實(shí)際的陣列機(jī)系統(tǒng)是由上述三部分構(gòu)成的一個(gè)異構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng) 重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 7 陣列處理機(jī)的 基本思想： ① 可以通過各種途徑把它們轉(zhuǎn)化成為 對(duì)數(shù)組或向量 的處理，利用多個(gè)處理單元對(duì)向量或數(shù)組所包含的 各個(gè)分量同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算 , 從而易于獲得很高的處理速度。 ② 專用，應(yīng)用算法相關(guān) ③ 適合于規(guī)則數(shù)據(jù)運(yùn)算，不適合于條件分支程序 陣列處理機(jī) 發(fā)展緩慢的原因 ① 指令廣播瓶頸 ② 數(shù)據(jù)歸約相關(guān)性 ③ 存儲(chǔ)器速度難以提高 重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 8 并行處理機(jī)分類 并行處理機(jī)根據(jù)存貯器采用的組成方式不同分成兩種基本構(gòu)成。 分布式存儲(chǔ)器的陣列機(jī) 共享存儲(chǔ)器的陣列機(jī) 互連網(wǎng)絡(luò) PE LM … LM PE CU 前端機(jī) LM PE … SM SM SM 互連網(wǎng)絡(luò) PE CU 前端機(jī) PE PE … 重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 9 （ 1）分布存貯的并行處理機(jī) ? 各個(gè)處理單元設(shè)有局部存貯器存放分布式數(shù)據(jù)，只能被本處理單元直接訪問。 此種局部存貯器
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