【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(jiǎn)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(gè)人計(jì)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(shí)例 ——視頻會(huì)議系統(tǒng) 視頻會(huì)議系統(tǒng)是指具有空間距離的人們使用會(huì)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(shí)時(shí)的活動(dòng)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(gè)人，參加以電視的方式舉行的會(huì)議，在同一塊“電子白板”上書寫和閱讀信息，共同修改計(jì)劃、圖紙等。 視頻會(huì)議系統(tǒng)的組成： (1) 會(huì)議室終端設(shè)備是視頻會(huì)議系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)置在各個(gè)會(huì)議室中一般由多媒體計(jì)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(huì)議系統(tǒng)各會(huì)議室的視頻、音頻信息可靠和高質(zhì)量傳送到所有參加會(huì)議的會(huì)議室中。 (3) 通信控制器通常設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)處，其作用是實(shí)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(jí)流水線處理器和超長(zhǎng)指令字處理器 長(zhǎng)期以來，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)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(gè)時(shí)鐘周期完成一條指令的框框。而本節(jié)要介紹的超級(jí)標(biāo)量計(jì)算機(jī)和超長(zhǎng)指令字計(jì)算機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)可流出多條指令。超級(jí)流水線以增加流水線級(jí)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(jí)流水線 )。 102 圖 四種處理機(jī)的指令流水線 103 1. 超級(jí)標(biāo)量 (superscalar)處理機(jī) 在超級(jí)標(biāo)量處理機(jī)中，配置了多個(gè)功能部件和指令譯碼電路，采取了多條流水線，還有多個(gè)寄存器端口和總線，因此可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作，以并行處理來提高機(jī)器速度。它可以同時(shí)從存儲(chǔ)器中取出幾條指令，并對(duì)這幾條指令進(jìn)行譯碼，把能夠并行執(zhí)行的指令同時(shí)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(yùn)算、轉(zhuǎn)移處理和訪存操作，能同時(shí)對(duì)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(jí)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(shí)采取優(yōu)化的辦法對(duì)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(jí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，開始采用超級(jí)標(biāo)量技術(shù)。差不多同時(shí)，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(jí)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(gè)功能部件： 3個(gè) ALU、移位器、加載 /存儲(chǔ)部件、轉(zhuǎn)移部件、浮點(diǎn)乘法器和浮點(diǎn)加法器。其中 3個(gè) ALU安排在兩個(gè)層次上，第一層的兩個(gè) ALU獨(dú)立操作，它們的結(jié)果可送到第二層的 ALU再進(jìn)行運(yùn)算，如果沒有數(shù)據(jù)相關(guān)或其他因素，在一個(gè)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(jí)流水線 (super pipeline)處理機(jī) 超級(jí)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(gè)操作需要 3個(gè)周期，每個(gè)周期對(duì)一條指令進(jìn)行譯碼。與超級(jí)標(biāo)量計(jì)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(jí)流水線結(jié)構(gòu)的 CPU很少。 108 3. 超長(zhǎng)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(shí)，把多個(gè)能并行執(zhí)行的操作組合在一起，成為一條有多個(gè)操作段的超長(zhǎng)指令，由這條超長(zhǎng)指令控制 VLIW機(jī)中多個(gè)互相獨(dú)立工作的功能部件，每個(gè)操作段控制一個(gè)功能部件，相當(dāng)于同時(shí)執(zhí)行多條指令。 Cydra5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)值處理機(jī)采用了超長(zhǎng)指令字。圖 碼指令格式。 109 圖 cydra 5計(jì)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(jì)中的很多應(yīng)用領(lǐng)域，如空氣動(dòng)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(duì)巨大的數(shù)組進(jìn)行高精度計(jì)算，為此發(fā)展了向量處理機(jī)。向量數(shù)據(jù)是一個(gè)含有 N個(gè)元素的有序數(shù)組， N稱為“向量的長(zhǎng)度”，向量中的每一個(gè)元素是一個(gè)標(biāo)量，它可以是浮點(diǎn)數(shù)、定點(diǎn)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(duì)向量的各個(gè)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(jì)算機(jī)和向量協(xié)處理機(jī)兩種類型。巨型計(jì)算機(jī)能對(duì)巨大的數(shù)組進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，同時(shí)它還是一種可以進(jìn)行標(biāo)量計(jì)算和一般數(shù)據(jù)處理的通用計(jì)算機(jī)。向量協(xié)處理機(jī)專門用于向量計(jì)算，它不是一臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，需要聯(lián)到另外一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)上。 112 1. 巨型計(jì)算機(jī) 為了進(jìn)行向量計(jì)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(yùn)算流水線的處理機(jī)，當(dāng)它處理一個(gè)數(shù)組時(shí)，對(duì)向量中的每個(gè)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(gè)時(shí)鐘送出一個(gè)結(jié)果的速度運(yùn)行。為了存儲(chǔ)系統(tǒng)能及時(shí)提供元素，向量處理機(jī)配有一個(gè)大容量的、分成多個(gè)模塊交叉工作的主存儲(chǔ)器。圖系統(tǒng)的向量處理機(jī)。 113 圖 多存儲(chǔ)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(diǎn)和向量運(yùn)算的數(shù)組處理機(jī)。在這種系統(tǒng)中，主機(jī)管理整個(gè)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(yùn)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(gè)存儲(chǔ)器； (3) 多個(gè)緩沖寄存器； (4) 并行的數(shù)據(jù)通路，設(shè)置有多套可同時(shí)工作的內(nèi)部總線； 115 圖 。 圖 帶向量協(xié)處理器的計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有多個(gè)處理單元(執(zhí)行部件 )，但只有一個(gè)控制部件，所有處理單元在同一時(shí)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(tái)處理機(jī)組成，每臺(tái)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(chǔ)器之間傳送信息。 (3) 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)。傳統(tǒng)的馮 諾依曼計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)必須按程序指定的地址逐條從存儲(chǔ)器中取出指令并執(zhí)行之，這種方法稱為“控制流計(jì)算機(jī)法”。數(shù)據(jù)流計(jì)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(gè)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(jì)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(gè)處理單元 PE組成。 PE是不帶指令控制部件的運(yùn)算單元。在 CU控制下，各 PE對(duì)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(shí)傳送到所有的處理單元，那些處于“活動(dòng)”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(dòng)”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(gè)管理機(jī) SC，完成系統(tǒng)控制以及 I/O操作。 根據(jù)存儲(chǔ)器的不同組成形式，有分布存儲(chǔ)器與共享存儲(chǔ)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(tái)處理機(jī)共享主存儲(chǔ)器。除此以外，有一些 (或全部 )處理機(jī)可以設(shè)有單獨(dú)使用的局部存儲(chǔ)器。 圖 ， P0～ PN是處理器 (每個(gè)處理器包含 CU與 PE)，通過互連網(wǎng)絡(luò)共享主存儲(chǔ)器。 這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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(jì)算機(jī)的擴(kuò)充，缺點(diǎn)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(chǔ)器的多處理機(jī)系統(tǒng)便于擴(kuò)充，每個(gè)處理機(jī)模塊相對(duì)獨(dú)立。由于有了局部存儲(chǔ)器，因此減少了主存訪問的沖突。缺點(diǎn)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(chǔ)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(gè) cache 之間以及 cache 同主存儲(chǔ)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(gè)重要問題。 124 圖 具有局部存儲(chǔ)器和 cache 的多處理機(jī)系統(tǒng) 125 在圖 臺(tái)計(jì)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(chǔ)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(duì)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(gè)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(chǎng)上出售的微處理器而不必為之專門設(shè)計(jì)，因此可獲得很高的性能價(jià)格比。 MPP的結(jié)構(gòu)如圖 。 對(duì)稱多處理機(jī) SMP與 MMP的最主要差別反映在存儲(chǔ)空間的安排上。 SMP有一個(gè)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(chǔ)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(gè)存儲(chǔ)器模塊都有一套總線同 p個(gè)處理機(jī)和 n個(gè)輸入輸出通道相連如圖。 131 圖 交叉開關(guān) 132 (3) 多端口存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 每個(gè)存儲(chǔ)器模塊有多個(gè)端口，每個(gè)處理機(jī)和輸入輸出模塊都分別接到一個(gè)端口上，因而它們都可以獨(dú)立地直接訪問存儲(chǔ)器。在每個(gè)存儲(chǔ)模塊中有邏輯電路將各端口來的訪存要求進(jìn)行排隊(duì)，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(gè)處理機(jī)或一個(gè) I/O通道的訪存請(qǐng)求。 133 圖 四端口存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 134 3. 容錯(cuò)計(jì)算機(jī) 容錯(cuò)計(jì)算機(jī)是高可靠性計(jì)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(cuò)時(shí)，該系統(tǒng)能自動(dòng)采取一些措施，保證計(jì)算機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。要使計(jì)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(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置一些在正常運(yùn)行時(shí)并不一定必須的設(shè)備或部件，讓兩個(gè)或兩個(gè)以