【正文】 物的制作，電視節(jié)目的編輯和電影特技鏡頭的制作等。 98 演示系統(tǒng)配有音頻及視頻輸入設備以及相應的接口卡，此外還有簡易的多媒體演示節(jié)目制作軟件，還可能需要與網絡相連。 訓練 /教育系統(tǒng)一般在個人計算機上配以 CDROM，音頻接口卡及音響設備。這種系統(tǒng)不具備多媒體演示節(jié)目的制作能力，但可播 CDROM上的節(jié)目，可用于家庭教育及一般訓練。 家用多媒體播放系統(tǒng)通常配備 CDROM，并采用電視機輸出。這種系統(tǒng)不具備節(jié)目制作能力，除了作為正常電視機使用外，只能播放 CDROM上的節(jié)目、玩電子游戲等。 99 2. 應用實例 ——視頻會議系統(tǒng) 視頻會議系統(tǒng)是指具有空間距離的人們使用會議室終端設備，通過通信網絡和網絡管理部件，相互傳送實時的活動影像和聲音，進行協(xié)同工作的系統(tǒng)。處在此系統(tǒng)中的每一個人，參加以電視的方式舉行的會議，在同一塊“電子白板”上書寫和閱讀信息，共同修改計劃、圖紙等。 視頻會議系統(tǒng)的組成： (1) 會議室終端設備是視頻會議系統(tǒng)的關鍵設備，設置在各個會議室中一般由多媒體計算機、攝錄像設備和電子白板等組成。 100 (2) 網絡系統(tǒng)的作用是保證視頻會議系統(tǒng)各會議室的視頻、音頻信息可靠和高質量傳送到所有參加會議的會議室中。 (3) 通信控制器通常設置在網絡結點處，其作用是實現(xiàn)音頻、視頻、數據及信令的混合和切換，但不影響音頻和視頻等信息的質量。 101 、超級流水線處理器和超長指令字處理器 長期以來，計算機設計人員在提高單處理機并行操作方面做了大量工作， 20世紀 70年代的向量處理機、20世紀 80年代的 RISC 機反映了這方面的成就。但是還不能突破一個時鐘周期完成一條指令的框框。而本節(jié)要介紹的超級標量計算機和超長指令字計算機在一個周期內可流出多條指令。超級流水線以增加流水線級數的方法來縮短機器周期，圖 種處理機的指令流水線，其中 (a)為早期 RISC機的指令流水線，其余三種流水線分別介紹如下 (假設采用取指、譯碼、執(zhí)行、寫回四級流水線 )。 102 圖 四種處理機的指令流水線 103 1. 超級標量 (superscalar)處理機 在超級標量處理機中，配置了多個功能部件和指令譯碼電路，采取了多條流水線，還有多個寄存器端口和總線，因此可以同時執(zhí)行多個操作，以并行處理來提高機器速度。它可以同時從存儲器中取出幾條指令，并對這幾條指令進行譯碼，把能夠并行執(zhí)行的指令同時送入不同的功能部件。例如， Intel 80960A配置 3條流水線，分別執(zhí)行整數運算、轉移處理和訪存操作，能同時對四條指令進行譯碼，但最多將 3條能并行執(zhí)行的指令分別送入 3條流水線。 104 超級標量機的硬件是不能重新安排指令的前后次序的，但可以在編譯程序時采取優(yōu)化的辦法對指令的執(zhí)行次序進行精心安排，把能并行執(zhí)行的指令搭配起來。超級標量處理機能與同一系列的原有機器保持指令兼容。 1989年，在 Tandem 公司發(fā)表的 Cyclone 高可靠計算機系統(tǒng)中，開始采用超級標量技術。差不多同時，Intel 公司宣布了 i80960處理器， IBM 公司推出了Power PC處理器。 1992年 Sun和 TI(德州儀器 )公司推出 Super SPARC 芯片 (Viking)，以上這些芯片都是采用超級標量技術的。 105 TI的 SPARC系統(tǒng)由 CPU芯片 (TMS390Z50)和 cache 控制器芯片 (TMS390Z55)組成。圖 CPU芯片邏輯圖。在片上有 8個功能部件： 3個 ALU、移位器、加載 /存儲部件、轉移部件、浮點乘法器和浮點加法器。其中 3個 ALU安排在兩個層次上，第一層的兩個 ALU獨立操作，它們的結果可送到第二層的 ALU再進行運算，如果沒有數據相關或其他因素，在一個周期內可完成 3條指令功能。 106 圖 Super SPARC 邏輯框圖 107 2. 超級流水線 (super pipeline)處理機 超級流水線處理機的周期比其他機器短，在圖 (d)所示的流水線中，周期縮短到 1/3。執(zhí)行一個操作需要 3個周期，每個周期對一條指令進行譯碼。與超級標量計算機一樣，硬件不能調整指令的執(zhí)行順序，而由編譯程序解決優(yōu)化問題，因此這類機器可與同一系列的原有機器的指令系統(tǒng)保持兼容。超級流水線結構的 CPU很少。 108 3. 超長指令字 (VLIW)處理機 VLIW是一種單指令流多操作碼多數據的系統(tǒng)結構，由編譯程序在編譯時，把多個能并行執(zhí)行的操作組合在一起，成為一條有多個操作段的超長指令，由這條超長指令控制 VLIW機中多個互相獨立工作的功能部件，每個操作段控制一個功能部件，相當于同時執(zhí)行多條指令。 Cydra5計算機系統(tǒng)中的數值處理機采用了超長指令字。圖 碼指令格式。 109 圖 cydra 5計算機的操作碼指令格式 110 、陣列處理器和多處理器系統(tǒng) （一）向量處理機 :(P387) 在科學研究和工程設計中的很多應用領域，如空氣動力學、氣象學、天體物理學、原子物理和地震學等，需要對巨大的數組進行高精度計算，為此發(fā)展了向量處理機。向量數據是一個含有 N個元素的有序數組， N稱為“向量的長度”，向量中的每一個元素是一個標量，它可以是浮點數、定點數、邏輯值或字符。因此，向量處理機是一種具有向量數據表示，并設置相應的硬件能對向量的各個元素進行并行處理的處理機。 111 向量處理機有巨型計算機和向量協(xié)處理機兩種類型。巨型計算機能對巨大的數組進行浮點運算，同時它還是一種可以進行標量計算和一般數據處理的通用計算機。向量協(xié)處理機專門用于向量計算，它不是一臺獨立的計算機，需要聯(lián)到另外一臺通用計算機上。 112 1. 巨型計算機 為了進行向量計算，在 20世紀 60年代末、 20世紀 70年代初曾發(fā)展了兩種巨型機系統(tǒng) (流水線處理機和并行處理機 )，由于流水線處理機發(fā)展得快，因此現(xiàn)在的向量處理機即是指采用運算流水線的處理機，當它處理一個數組時，對向量中的每個元素執(zhí)行相同的操作，而且各元素間是互相無關的，因此流水線就能以每個時鐘送出一個結果的速度運行。為了存儲系統(tǒng)能及時提供元素，向量處理機配有一個大容量的、分成多個模塊交叉工作的主存儲器。圖系統(tǒng)的向量處理機。 113 圖 多存儲模塊組成 114 2. 向量協(xié)處理機 在主機上連接專門處理浮點和向量運算的數組處理機。在這種系統(tǒng)中，主機管理整個系統(tǒng)，控制全部輸入輸出操作。 數組處理機為了提高運算速度，除了采用高速器件以外，在系統(tǒng)硬件結構上還可采取下列并行工作的措施： (1) 流水線和多功能部件； (2) 多個存儲器； (3) 多個緩沖寄存器； (4) 并行的數據通路，設置有多套可同時工作的內部總線； 115 圖 。 圖 帶向量協(xié)處理器的計算機系統(tǒng) 116 （二）陣列處理機和多處理機系統(tǒng) 在本章前面幾節(jié)中講到的計算機系統(tǒng)均屬于 SISD系統(tǒng)。在有些系統(tǒng)中還采用了并行處理技術，提高了速度，但由于并行度并不高，所以提高的速度受到限制。 目前至少有以下幾種高度并行的計算機系統(tǒng)： (1) SIMD 并行處理機，又叫陣列處理機 (array processor)。在這種計算機系統(tǒng)中有多個處理單元(執(zhí)行部件 )，但只有一個控制部件，所有處理單元在同一時刻執(zhí)行同一條指令、處理不同的數據。 117 (2) MIMD 多處理機，由多臺處理機組成，每臺處理機可分別執(zhí)行各自的指令和數據。處理機之間的互連網絡通常用來在處理機同存儲器之間傳送信息。 (3) 數據流計算機。傳統(tǒng)的馮 諾依曼計算機在執(zhí)行程序時必須按程序指定的地址逐條從存儲器中取出指令并執(zhí)行之，這種方法稱為“控制流計算機法”。數據流計算機打破了必須按預先規(guī)定的序列執(zhí)行程序的框框，一個操作，只要它所需的操作數已到齊，且功能部件有空，即可執(zhí)行，而不管它次序的先后，這樣可盡量挖掘計算的并行性。 118 SIMD 并行處理機系統(tǒng) (陣列處理機系統(tǒng) ) 陣列處理機是以大量相同的處理單元按規(guī)則的幾何形狀排列成陣列而得名的，由在同一控制器 CU控制下的多個處理單元 PE組成。 PE是不帶指令控制部件的運算單元。在 CU控制下，各 PE對各自的數據并行地執(zhí)行同一條指令所規(guī)定的操作。陣列處理機的指令也是順序執(zhí)行的，指令分成兩類：一類是通常的標量指令，由 CU執(zhí)行；另一類是并行處理指令， CU把它同時傳送到所有的處理單元，那些處于“活動”狀態(tài)的處理單元并行地執(zhí)行指令，至于哪些處理機處于“活動”狀態(tài)可事先指定，也可由本條指令規(guī)定。 119 在 PE之間設置互連網絡 ICN，規(guī)定了各 PE之間的連接方式，是傳送數據的通路。系統(tǒng)中還設置有一個管理機 SC，完成系統(tǒng)控制以及 I/O操作。 根據存儲器的不同組成形式，有分布存儲器與共享存儲器兩種陣列處理機結構，分別如圖 (a)和圖(b)所示。 120 圖 陣列處理機結構 121 多處理機系統(tǒng) 1. 多指令流多數據流 (MIMD)系統(tǒng)的結構 在這種系統(tǒng)中有多臺處理機共享主存儲器。除此以外，有一些 (或全部 )處理機可以設有單獨使用的局部存儲器。 圖 ， P0～ PN是處理器 (每個處理器包含 CU與 PE)，通過互連網絡共享主存儲器。 這種系統(tǒng)的優(yōu)點是：由于共享主存，所以系統(tǒng)資源的管理和使用比較方便，是順序計算機的擴充，缺點是受互連網絡傳輸率的影響，系統(tǒng)中處理機數目較少。 122 圖 多處理機結構框圖 123 具有局部存儲器的多處理機系統(tǒng)便于擴充，每個處理機模塊相對獨立。由于有了局部存儲器，因此減少了主存訪問的沖突。缺點是編程困難。為了進一步減少訪問主存次數，可在處理機與存儲器之間設置 cache。圖 cache 的多處理機系統(tǒng)。但有了 cache 以后，又要產生系統(tǒng)中多個 cache 之間以及 cache 同主存儲器中的數據一致性問題。解決 cache 的一致性問題是研究多處理機技術中的一個重要問題。 124 圖 具有局部存儲器和 cache 的多處理機系統(tǒng) 125 在圖 臺計算機 (稱為 HOST)作為系統(tǒng)管理之用，其機構如圖 。 圖 具有主機 (HOST)的多處理機系統(tǒng) 126 圖 /無局部存儲器條件下，處理機數與系統(tǒng)性能的關系。 圖 處理機數和機器速度的關系 127 大規(guī)模并行處理機 (MPP)和對稱多處理機 (SMP)是 20世紀 80年代中期發(fā)展起來的新機種。 MPP機是指由成百成千乃至上萬個微處理器所組成的大規(guī)模并行處理系統(tǒng)，可以采用當前市場上出售的微處理器而不必為之專門設計，因此可獲得很高的性能價格比。 MPP的結構如圖 。 對稱多處理機 SMP與 MMP的最主要差別反映在存儲空間的安排上。 SMP有一個統(tǒng)一的共享主存空間，而 MPP的微處理器有各自的局部存儲器。 128 圖 MPP結構 129 圖 (SMP)結構。 圖 SMP結構 130 2. 多處理機的互連結構 (1) 總線結構 單總線結構把所有功能部件連接到總線上，為解決總線太忙的問題，可擴充為雙總線結構或多總線結構。 (2) 交叉開關 交叉開關 (crossbar switch)或看作是多總線結構增加總線數量的極端情況，它使每個存儲器模塊都有一套總線同 p個處理機和 n個輸入輸出通道相連如圖。 131 圖 交叉開關 132 (3) 多端口存儲器結構 每個存儲器模塊有多個端口，每個處理機和輸入輸出模塊都分別接到一個端口上，因而它們都可以獨立地直接訪問存儲器。在每個存儲模塊中有邏輯電路將各端口來的訪存要求進行排隊，各端口的優(yōu)先次序一般是固定的。圖 構圖。相應端口連在一起負責處理一個處理機或一個 I/O通道的訪存請求。 133 圖 四端口存儲器系統(tǒng)結構圖 134 3. 容錯計算機 容錯計算機是高可靠性計算機，當其硬件在一定范圍內發(fā)生固定性故障或偶然性差錯時，該系統(tǒng)能自動采取一些措施，保證計算機繼續(xù)運行。要使計算機具有這種能力，基本的方法是采用冗余技術，即在計算機內設置一些在正常運行時并不一定必須的設備或部件，讓兩個或兩個以