【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(shè)備以及相應(yīng)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(wǎng)絡(luò)相連。 訓(xùn)練 /教育系統(tǒng)一般在個人計算機(jī)上配以 CDROM，音頻接口卡及音響設(shè)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(xùn)練。 家用多媒體播放系統(tǒng)通常配備 CDROM，并采用電視機(jī)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(jī)使用外，只能播放 CDROM上的節(jié)目、玩電子游戲等。 99 2. 應(yīng)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(shè)備，通過通信網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)管理部件，相互傳送實時的活動影像和聲音，進(jìn)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(shè)備是視頻會議系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)置在各個會議室中一般由多媒體計算機(jī)、攝錄像設(shè)備和電子白板等組成。 100 (2) 網(wǎng)絡(luò)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(zhì)量傳送到所有參加會議的會議室中。 (3) 通信控制器通常設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點處，其作用是實現(xiàn)音頻、視頻、數(shù)據(jù)及信令的混合和切換，但不影響音頻和視頻等信息的質(zhì)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(jī)設(shè)計人員在提高單處理機(jī)并行操作方面做了大量工作， 20世紀(jì) 70年代的向量處理機(jī)、20世紀(jì) 80年代的 RISC 機(jī)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(biāo)量計算機(jī)和超長指令字計算機(jī)在一個周期內(nèi)可流出多條指令。超級流水線以增加流水線級數(shù)的方法來縮短機(jī)器周期，圖 種處理機(jī)的指令流水線，其中 (a)為早期 RISC機(jī)的指令流水線，其余三種流水線分別介紹如下 (假設(shè)采用取指、譯碼、執(zhí)行、寫回四級流水線 )。 102 圖 四種處理機(jī)的指令流水線 103 1. 超級標(biāo)量 (superscalar)處理機(jī) 在超級標(biāo)量處理機(jī)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(jī)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(jìn)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(shù)運算、轉(zhuǎn)移處理和訪存操作，能同時對四條指令進(jìn)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(biāo)量機(jī)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(jìn)行精心安排，把能并行執(zhí)行的指令搭配起來。超級標(biāo)量處理機(jī)能與同一系列的原有機(jī)器保持指令兼容。 1989年，在 Tandem 公司發(fā)表的 Cyclone 高可靠計算機(jī)系統(tǒng)中，開始采用超級標(biāo)量技術(shù)。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(biāo)量技術(shù)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(zhuǎn)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(jié)果可送到第二層的 ALU再進(jìn)行運算，如果沒有數(shù)據(jù)相關(guān)或其他因素，在一個周期內(nèi)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(jī) 超級流水線處理機(jī)的周期比其他機(jī)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(jìn)行譯碼。與超級標(biāo)量計算機(jī)一樣，硬件不能調(diào)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(jī)器可與同一系列的原有機(jī)器的指令系統(tǒng)保持兼容。超級流水線結(jié)構(gòu)的 CPU很少。 108 3. 超長指令字 (VLIW)處理機(jī) VLIW是一種單指令流多操作碼多數(shù)據(jù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(jī)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(dāng)于同時執(zhí)行多條指令。 Cydra5計算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)值處理機(jī)采用了超長指令字。圖 碼指令格式。 109 圖 cydra 5計算機(jī)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(jī) :(P387) 在科學(xué)研究和工程設(shè)計中的很多應(yīng)用領(lǐng)域，如空氣動力學(xué)、氣象學(xué)、天體物理學(xué)、原子物理和地震學(xué)等，需要對巨大的數(shù)組進(jìn)行高精度計算，為此發(fā)展了向量處理機(jī)。向量數(shù)據(jù)是一個含有 N個元素的有序數(shù)組， N稱為“向量的長度”，向量中的每一個元素是一個標(biāo)量，它可以是浮點數(shù)、定點數(shù)、邏輯值或字符。因此，向量處理機(jī)是一種具有向量數(shù)據(jù)表示，并設(shè)置相應(yīng)的硬件能對向量的各個元素進(jìn)行并行處理的處理機(jī)。 111 向量處理機(jī)有巨型計算機(jī)和向量協(xié)處理機(jī)兩種類型。巨型計算機(jī)能對巨大的數(shù)組進(jìn)行浮點運算，同時它還是一種可以進(jìn)行標(biāo)量計算和一般數(shù)據(jù)處理的通用計算機(jī)。向量協(xié)處理機(jī)專門用于向量計算，它不是一臺獨立的計算機(jī)，需要聯(lián)到另外一臺通用計算機(jī)上。 112 1. 巨型計算機(jī) 為了進(jìn)行向量計算，在 20世紀(jì) 60年代末、 20世紀(jì) 70年代初曾發(fā)展了兩種巨型機(jī)系統(tǒng) (流水線處理機(jī)和并行處理機(jī) )，由于流水線處理機(jī)發(fā)展得快，因此現(xiàn)在的向量處理機(jī)即是指采用運算流水線的處理機(jī)，當(dāng)它處理一個數(shù)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(guān)的，因此流水線就能以每個時鐘送出一個結(jié)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(jī)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(jī)。 113 圖 多存儲模塊組成 114 2. 向量協(xié)處理機(jī) 在主機(jī)上連接專門處理浮點和向量運算的數(shù)組處理機(jī)。在這種系統(tǒng)中，主機(jī)管理整個系統(tǒng)，控制全部輸入輸出操作。 數(shù)組處理機(jī)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)通路，設(shè)置有多套可同時工作的內(nèi)部總線； 115 圖 。 圖 帶向量協(xié)處理器的計算機(jī)系統(tǒng) 116 （二）陣列處理機(jī)和多處理機(jī)系統(tǒng) 在本章前面幾節(jié)中講到的計算機(jī)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(shù)，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(jī)系統(tǒng)： (1) SIMD 并行處理機(jī)，又叫陣列處理機(jī) (array processor)。在這種計算機(jī)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(shù)據(jù)。 117 (2) MIMD 多處理機(jī)，由多臺處理機(jī)組成，每臺處理機(jī)可分別執(zhí)行各自的指令和數(shù)據(jù)。處理機(jī)之間的互連網(wǎng)絡(luò)通常用來在處理機(jī)同存儲器之間傳送信息。 (3) 數(shù)據(jù)流計算機(jī)。傳統(tǒng)的馮 諾依曼計算機(jī)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(jī)法”。數(shù)據(jù)流計算機(jī)打破了必須按預(yù)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(shù)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(jī)系統(tǒng) (陣列處理機(jī)系統(tǒng) ) 陣列處理機(jī)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(shù)據(jù)并行地執(zhí)行同一條指令所規(guī)定的操作。陣列處理機(jī)的指令也是順序執(zhí)行的，指令分成兩類：一類是通常的標(biāo)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(jī)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(shè)置互連網(wǎng)絡(luò) ICN，規(guī)定了各 PE之間的連接方式，是傳送數(shù)據(jù)的通路。系統(tǒng)中還設(shè)置有一個管理機(jī) SC，完成系統(tǒng)控制以及 I/O操作。 根據(jù)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(jī)結(jié)構(gòu)，分別如圖 (a)和圖(b)所示。 120 圖 陣列處理機(jī)結(jié)構(gòu) 121 多處理機(jī)系統(tǒng) 1. 多指令流多數(shù)據(jù)流 (MIMD)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 在這種系統(tǒng)中有多臺處理機(jī)共享主存儲器。除此以外，有一些 (或全部 )處理機(jī)可以設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(jī)的擴(kuò)充，缺點是受互連網(wǎng)絡(luò)傳輸率的影響，系統(tǒng)中處理機(jī)數(shù)目較少。 122 圖 多處理機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 123 具有局部存儲器的多處理機(jī)系統(tǒng)便于擴(kuò)充，每個處理機(jī)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(jìn)一步減少訪問主存次數(shù)，可在處理機(jī)與存儲器之間設(shè)置 cache。圖 cache 的多處理機(jī)系統(tǒng)。但有了 cache 以后，又要產(chǎn)生系統(tǒng)中多個 cache 之間以及 cache 同主存儲器中的數(shù)據(jù)一致性問題。解決 cache 的一致性問題是研究多處理機(jī)技術(shù)中的一個重要問題。 124 圖 具有局部存儲器和 cache 的多處理機(jī)系統(tǒng) 125 在圖 臺計算機(jī) (稱為 HOST)作為系統(tǒng)管理之用，其機(jī)構(gòu)如圖 。 圖 具有主機(jī) (HOST)的多處理機(jī)系統(tǒng) 126 圖 /無局部存儲器條件下，處理機(jī)數(shù)與系統(tǒng)性能的關(guān)系。 圖 處理機(jī)數(shù)和機(jī)器速度的關(guān)系 127 大規(guī)模并行處理機(jī) (MPP)和對稱多處理機(jī) (SMP)是 20世紀(jì) 80年代中期發(fā)展起來的新機(jī)種。 MPP機(jī)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(dāng)前市場上出售的微處理器而不必為之專門設(shè)計，因此可獲得很高的性能價格比。 MPP的結(jié)構(gòu)如圖 。 對稱多處理機(jī) 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(jié)構(gòu) 129 圖 (SMP)結(jié)構(gòu)。 圖 SMP結(jié)構(gòu) 130 2. 多處理機(jī)的互連結(jié)構(gòu) (1) 總線結(jié)構(gòu) 單總線結(jié)構(gòu)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(kuò)充為雙總線結(jié)構(gòu)或多總線結(jié)構(gòu)。 (2) 交叉開關(guān) 交叉開關(guān) (crossbar switch)或看作是多總線結(jié)構(gòu)增加總線數(shù)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(jī)和 n個輸入輸出通道相連如圖。 131 圖 交叉開關(guān) 132 (3) 多端口存儲器結(jié)構(gòu) 每個存儲器模塊有多個端口，每個處理機(jī)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(jìn)行排隊，各端口的優(yōu)先次序一般是固定的。圖 構(gòu)圖。相應(yīng)端口連在一起負(fù)責(zé)處理一個處理機(jī)或一個 I/O通道的訪存請求。 133 圖 四端口存儲器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 134 3. 容錯計算機(jī) 容錯計算機(jī)是高可靠性計算機(jī)，當(dāng)其硬件在一定范圍內(nèi)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(jī)繼續(xù)運行。要使計算機(jī)具有這種能力，基本的方法是采用冗余技術(shù)，即在計算機(jī)內(nèi)設(shè)置一些在正常運行時并不一定必須的設(shè)備或部件，讓兩個或兩個以