第5章重叠、流水和向量流水处理机

四、存贮体系
1．虚拟存储器的地址映象和变换、替换算法及性能分析。
2．Cache存储器的地址映象规则及变换。
五、重叠、流水和向量处理机
1．重叠解释方式、流水方式、分类。
2．相关。
3．流水线的时空图、吞吐率、效率和加速比。
4．流水线调度。
5．中断处理。
考试总分：50分考
3．信息按整数边界存储。
4．哈夫曼压缩思想及扩展操作码编码。
5．指令格式优化设计。
6．CISC与RISC。
三、输入输出系统
1．总线类型、控制方式、通讯技术、数据宽度、总线线数。
2．中断源的分类和分级。
3．中断屏蔽位、中断处理次序、中断处理过程时间示意图。
4．通道流量设计，通道响应和处理各设备请求的时间过程示意图。
考试科目名称:计算机系统结构
考查要点:
一、计算机系统结构的基本概念
1．多级层次结构，系统结构、组成与实现，透明性。
2．软、硬取舍。
3．软件、应用、器件对系统结构的影响，软件移植，并行性。
二、指令与系统
1．数据表示与数据结构。自定义、堆栈、向量数据表示。
2．浮点数尾数基值大小，尾数下溢处理。基址寻址和变址寻址的不同，静态再定位与动态再定位。
填空题
判断题
综合题
简答题
论述题

向量处理机向量处理机（vector computer），面向向量型并行计算，以流水线结构为主的并行处理计算机。

向量是计算机系统中经常使用的一种数据类型，向量由一组有序、具有相同类型和位数的元素组成。

采用先行控制和重叠操作技术、运算流水线、交叉访问的并行存储器等并行处理结构，对提高运算速度有重要作用。

但在实际运行时还不能充分发挥并行处理潜力。

向量运算很适合于流水线计算机的结构特点。

为了成分发挥流水线处理机的效率，实现高性能计算，有得流水线处理机设置了向量数据表示和相应的向量指令，这就是所谓的向量处理机。

向量型并行计算与流水线结构相结合，能在很大程度上克服通常流水线计算机中指令处理量太大、存储访问不均匀、相关等待严重、流水不畅等缺点，并可充分发挥并行处理结构的潜力，显著提高运算速度。

内容简介：向量处理机（vector computer），面向向量型并行计算，以流水线结构为主的并行处理计算机。

向量运算是一种较简单的并行计算，适用面很广，机器实现比较容易，使用也比较方便，因此向量处理机(向量机)获得了迅速发展。

TI ASC(1972年)和CDC STAR-100 (1973年）是世界上第一批向量巨型计算机（巨型机）。

到1982年底，世界上约有60台巨型机，其中大多数是向量机。

中国于1983年研制成功的每秒千万次的757机和亿次的“银河”机也都是向量机。

向量机适用于线性规划、傅里叶变换、滤波计算以及矩阵、线性代数、偏微分方程、积分等数学问题的求解，主要解决气象研究与天气预报、航空航天飞行器设计、原子能与核反应研究、地球物理研究、地震分析、大型工程设计，以及社会和经济现象大规模模拟等领域的大型计算问题。

1.向量的运算：在普通计算机中，机器指令的基本操作对象是标量，而向量机除了有标量处理功能外还具有功能齐全的向量运算指令系统。

对一个向量的各分量执行同一运算，或对同样维数的两个向量的对应分量执行同一运算，或一个向量的各分量都与同一标量执行同一运算，均可产生一个新的向量，这些是基本的向量运算。

成组传送
中间存储器
多级存储系统的向量处理机CRAY1结构
第二章 向量处理机
1、向量运算 对于向量运算来说，中间存储器是8个向量寄存 器(V)，每个向量寄存器有64个分量，每个分量为 一个64位寄存器。向量指令能对向量寄存器的分量 进行连续的重复处理。执行向量指令时，流水结构 运算器在一个时钟周期内从两个V寄存器得到一对 操作数，完成某种操作后用一个时钟周期时间把结 果送入另一个V寄存器。注意，此处的向量运算流 水线是从向量寄存器而不是从主存储器获得数据。 同样，从流水线输出的结果向量也是送回向量寄存 器。而另一方面，主存储器与V寄存器之间的数据 传送以成组传送方式进行。
第二章 向量处理机
第二章 向量处理机
向量寄存器Leabharlann ×64个 （64位寄存器）（V）主存储器 8M字节 （64个模块） 64个缓冲寄存器（T）
64个缓冲寄存器（B）
高速寄存器 8个标量寄存器（S） 64位
12个流水线 运算部件
8个地址寄存器（A）
指令寄存器 程序计数器
24位
指令缓冲寄存器 （256个）
；读循环初值，10 ；读循环终值，1010 ；读内存地址增量，常数4 ；向量偏移量，初始值为40 ；读A向量的一个元素 ；读B向量的一个元素
；写C向量的一个元素 ；改变向量偏移量 ；循环次数增1 ；循环是否结束 ；循环未结束转LOOP，否则继续 ；循环初值 ；循环终值 ；内存地址增量
第二章 向量处理机
第二章 向量处理机
3 中间存储器的优点 这种中间存储器与Cache相比的一大优点是速度快。 因为CRAY-1流水运算器通过寄存器寻址方式访问中间存储 器，而访问Cache必须查Cache表，这需要较长时间。 CRAY-1系统还有8个24位的A寄存器，它主要用作访问 存储器的地址寄存器和变址寄存器，还可用来提供移位的 计数值和循环控制值。64个24位的B寄存器用作A寄存器的 中间存储器，它可以存放需要重复访问的数据。主存储器 与B寄存器之间的数据传送以成组传送方式进行。这样，B 寄存器组就相当于A寄存器组的Cache。不过对B寄存器的 所有操作都是由程序指令直接控制，而不像cache那样是 自动控制的。

1 2 3 4
T0=m. Δt0
(m-1). Δt0
2 3 4 5 时间
n.Δt0
段数 m=4
第1个任务从流入到流出需要T0=m. Δt0的流水建 立时间；之后每隔Δt0流出一个任务。完成n个任务共 需时间 T= m .Δt0+(n-1). Δt0
实际吞吐率为：
n 1 TP= = m .Δt0+(n-1). Δt0 Δt0(1+ =
m
△ α i· t i)
i =1
α i[ Δt i (n 1)Δt j]
i 1
m
对于复杂的非线性流水线，吞吐率和效率需要通过 画实际的时空图才能用下面两个式子求得：
▲
TP=
任务数n
从开始流入到n个任务全部流出的时间T
η=
N个任务的总的加权时空区 m 个段的总的加权时空区
如果线性流水线各段经过的 tc不等，其中瓶颈的时 间为 tj，则完成几个任务所能达到的实际吞吐率
η1= η2=… ηm=
n△t0 T
=
n =η0 m+n-1
●整个流水线的效率为η=
η1+η2+…+ηm m
= m.n△t0 m.T
=η0
▲
若各段经过时间均相同的线性流水，其效率与吞吐率 是成正比的，即: η=TP·△t0 n>>m时，η才趋近于1
▲如果流水线各段经过的时间不等，各段的效率就会不等。
时
空图
2a
入
1
Δt0
出
2b 2c 3 Δt0 3
Δt0
4
Δt0
空间
4
3 2c
2b 2a
1 1