【正文】 njninijinjnnnjninijinjbbbbbbbbbBaaaaaaaaaA????????????????????????????????111111111111 向量處理機 要求計算 : C=A B ?=?=Nkjkkiji baC1,?????????????????????????????????=?nnnjninijinjnnnjninijinjbbbbbbbbbaaaaaaaaaBA????????????????????????????????111111111111 向量處理機 在標量計算機中，我們可以很容易的編出一段循環(huán)程序，進行這個矩陣乘法運算，比如一段用 FORTRAN語言編的程序段為： DO 100 I = 1, N DO 100 J = 1, N C(I,J) = DO 100 K = 1, N C(I,J) = C(I,J) + A(I,K) * B(K,J) 100 CONTINUE ?=?=Nkjkkiji baC1, 如果將這段程序編譯成一個假想的匯編程序表示，就成了一個三重循環(huán)的匯編程序： INITIALIZE I=1, J=1, K=1 10 CLR C(I,J) 20 LOAD A(I,K) LOAD B(K,J) MUL A(I,K), B(K,J) ADD C(I,J), A(I,K) // C(I,J)←C(I,J) + A(I,K) B(K,J) INC K // K←K+1 IF K≤N GOTO 20 STORE C(I,J) INC J // J←J+1 IF J≤N GOTO 10 INC I // I←I+1 IF I≤N GOTO 10 HALT 對一個操 作數(shù)進行 操作 對一對操 作數(shù)進行 操作 上述操作如果由向量計算機來完成，其可能的程序如下所示： DO 100 I=1,N C(I,J) = (J = 1:N) DO 100 K=1,N C(I,J) = C(I,J) + A(I,K) * B(K,J) (J=1:N) 100 CONTINUE ? 從形式上看，這兩段程序差不多，但是在向量計算機上，不管是單元清零，還是做乘法和加法，一條語句處理的都是 N個（或 N對）數(shù)據(jù)，而不是一個或一對。 向量處理機 要求計算 : C=A B ?????????????????????????????????=?nnnjninijinjnnnjninijinjbbbbbbbbbaaaaaaaaaBA????????????????????????????????111111111111 向量處理機 二 .向量處理機的概念與特點 1．向量處理機 ? 把向量數(shù)據(jù)表示與流水線結(jié)合起來，就構(gòu)成了向量流水處理機，簡稱為向量流水機或向量處理機。 ? 向量處理機的處理對象是向量元素。 向量處理機 2．向量流水處理的特點 1）在向量機中，一條向量指令往往針對的是一個向量，因此一條向量指令相當于一個標量循環(huán)。 2）在向量運算中，每一個結(jié)果元素僅與參加運算的元素有關(guān)，與上一次運算的值無關(guān)。 3）若向量指令所要訪問的向量元素相鄰，則可以將其存儲到多體交叉存儲器中。 4）一般向量機中，允許訪問存儲器與有效地址的計算流水化，在高檔向量機中還允許多個向量操作同時進行，即多向量并行操作。 向量處理機 三．向量處理的幾種方式 向量處理的對象是一些數(shù)組，在實際處理時，可以由編譯程序選擇不同的處理方式。 假定有一個向量運算，其程序表示如下： DO 100 i = 1,N,1 100 Fi = Ai178。 ＊ B + Di ＊ ( Ai178。 Ei ) 按照處理元素的排列次序，可以把處理方式分為三種。 ⑴ 橫向處理方式 ⑵ 縱向處理方式 ⑶ 縱橫處理方式 DO 100 i = 1,N,1 100 Fi = Ai178。 ＊ B + Di ＊ ( Ai178。 Ei ) ⑴ 橫向處理方式 先取 i=1的各數(shù)組元素 ,計算出 F1的值 ,再依次算出 Fi的值。 ⑵ 縱向處理方式 Fi = Ai178。 * B + Di * ( Ai178。 Ei ) 求出整個 A178。的值，作為第一個運算單元 第二個運算單元 第三個運算單元 ⑶ 縱橫處理方式 將被處理的數(shù)組分割為比較小的數(shù)組，在這個較小的數(shù)組中進行縱向處理，然后在各小數(shù)組處理的基礎(chǔ)上進行橫向處理。 向量處理機 四 .向量處理機的結(jié)構(gòu) 1. 向量處理機的基本結(jié)構(gòu) 包括： ? 標量流水部件：標量功能部件、若干標量寄存器 ? 向量流水部件：向量功能部件、向量存取部件、向量寄存器、向量控制器等 2. 向量處理機的類型 ? 存儲器 存儲器型 ? 寄存器 寄存器型 向量處理機 功能流水線 存儲系統(tǒng) 譯碼器 指令 數(shù)據(jù) A 數(shù)據(jù) B 數(shù)據(jù) C 向量處理機基本結(jié)構(gòu)框圖 ?存儲器 存儲器結(jié)構(gòu) 向量處理機 ? 在數(shù)據(jù)通道中加入可變長度的延遲電路方案框圖 存儲器系統(tǒng) 地址形成器 功能選擇 向量控制 指令 指 令 譯 碼 延遲選擇 可變延遲器 可變延遲器 功能處理流水線 C = AΔ B A B 向量處理機 A M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 B C = AΔ B 運算器 流水線結(jié)構(gòu) A B C A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 ? 由 8個存儲器模塊組成存儲系統(tǒng)的向量處理機 假定 A和 B向量都只有 8個元素，運算結(jié)果 C向量也有 8個元素。這個向量處理機的工作過程可以用下圖表示。 存儲器 存儲器結(jié)構(gòu)向量處理機的一種工作時空圖 P4 P3 P2 P1 M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 RA7 RA7 RB7 RB7 W7 W7 RA6 RA6 RB6 RB6 W6 W6 RA5 RA5 RB5 RB5 W5 W5 RA4 RA4 RB4 RB4 W4 W4 RA3 RA3 RB3 R B3 W3 W3 RA2 RA2 RB2 RB2 W2 W2 RA1 RA1 RB1 RB1 W1 W1 RA0 RA0 RB0 RB0 W0 W0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 向量處理機 A M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 B C = AΔ B 運算器 流水線結(jié)構(gòu) 由 8個存儲器模塊組成存儲系統(tǒng)的向量處理機 A B C A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 B6 B7 B0 B1 B2 B3 B4 B5 C4 C5 C6 C7 C0 C1 C2 C3 改變向量存儲方法后可以得到如下的時空圖： P4 P3 P2 P1 M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 改變向量存儲方法后的處理機時序圖 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 RB5 RB5 RA7 RA7 W3 W3 RB4 RB4 RA6 RA6 W2 W2 RB3 RB3 RA5 RA5 W1 W1 RB2 RB2 RA4 RA4 W0 W0 RB1 RB1 RA3 RA3 RB0 RB0 RA2 RA2 W6 RA1 RA1 RB7 RB7 W5 W5 RA0 RA0 RB6 RB6 W4 W4 W6 W7 W7 14 15 向量處理機 ? 寄存器 寄存器結(jié)構(gòu) – 以 CRAY1機 為例 ?美國 CRAY公司 ?1976年 ?每秒 1億次浮點運算 ?時鐘周期： ns 1）功能部件 共有 12條 可并行工作的 單功能流水線 ，可分別流水地進行地址、向量、標量的各種運算。 向量處理機 向量處理機 ? 6個單功能流水部件： 進行向量運算 – 整數(shù)加（ 3拍） – 邏輯運算（ 2拍） – 移位（ 4拍） – 浮點加（ 6拍） – 浮點乘（ 7拍） – 浮點迭代求倒數(shù)（ 14拍） 括號中的數(shù)字為其流水經(jīng)過的時間，每拍為一個時鐘周期，即 ns。 2）向量寄存組 V – 由 512個 64位 的寄存器組成，分成 8塊 。 – 編號： V0～ V7 – 每一個塊稱為一個 向量寄存器 ，可存放一個長度（即元素個數(shù)）不超過 64的向量。 – 每個向量寄存器可以每拍向功能部件提供一個數(shù)據(jù)元素，或者每拍接收一個從功能部件來的結(jié)果元素。 向量處理機 3）標量寄存器 S和快速暫存器 T – 標量寄存器有 8個 ： S0～ S7 64位 – 快速暫存器 T用于在標量寄存器和存儲器之間提供緩沖。 4）向量屏蔽寄存器 VM – 64位 ，每一位對應(yīng)于向量寄存器的一個單元。 – 作用： 用于向量的歸并、壓縮、還原和測試操作、對向量某些元素的單獨運算等。 向量處理機 向量處理機 顯著 特點 1）每個向量寄存器 Vi都有連到 6個向量功能部件的單獨總線。 2）每個向量功能部件也都有把運算結(jié)果送回向量寄存器組的總線。 3）只要不出現(xiàn) Vi沖突 和 功能部件沖突 ，各 Vi之間和各功能部件之間都能并行工作，大大加快了向量指令的處理。 向量處理機 ? Vi沖突： 并行工作的各向量指令的源向量或結(jié)果向量使用了相同的 Vi。 例如：源向量相同 V3← V1＋ V2 V5←V 4∧ V1 ? 功能部件沖突： 并行工作的各向量指令要使用同一個功能部件。 例如：都需使用乘法功能部件