第04章 向量处理机

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

第六章向量处理机 6.1向量数据表示方式

6.2向量处理机的结构

6.4向量处理机的关键技术

6.5向量处理机实例

6.7向量处理机的发展

6. 1向量数据表示方式 具有向量数据表示和向量指令系统的处理机称为向量处理机。 向量处理机是解决数值计算问题的一种高性能计算机结构。 向量处理机一般都采用流水线结构，往往有多条流水线并行工作。 向量处理机通常属大型或巨型机，也可以用微机加一台向量协处理器组成。 •般向量计算机中包括有一台高性能标量处理机。 必须把要解决的问题转化为向量运算，向量处理机才能充分发挥作用。 6.1.1从标量到向量

6.1.2等间距向量表示法

6.1.3带位移量的向量表示法

6.1.4稀疏向量表示法

6. 1.1从标量到向量

例如：一个简单的c语言程序如下： for (i= 10;i<= 1010; i++) c[i] = a[i] + b[i+5];

对于这个简单的循环程序，在一般标量处理机中需要如下指令序列来实现: 采用多寄存器结构的两地址指令编写程序。 存储器采用字节编址方式，字长为32位。 A、 B、C分别是向量a、 b、c在内存中的起始地址。

START: LOAD RO, ST ;读循环初值，10 LOAD Rl, ED ;读循环终值，1010

LOAD R2, L ;读内存地址增量，常数4

MOVE R3, R2 MUL R3, RO ;向量偏移量，初始值为40

6.3 向量处理方式

6.6 向量处理机的性能评价 LOOP： LOAD R4, A(R3) ;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 ;测试次数增1 ;测试循环是否结束 ；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

在标量处理机上用10多条指令，其中有8条指令要循环100次 如果在向量处理机上，可以只用一条指令： C（10： 1010）=A（10： 1010） + B（15： 1015）

2.分类 流水线依据向下和向上扩展的思路，可分类出在计算机系 统不同等级上使用的流水线。向下扩展指的是把子过程进一 步细分，让每个子过程经过的时间都同等程度减少，吞吐率 就会进一步提高。向上扩展可理解为在多个处理机之间流水 ；流水线按照处理级别可分为部件级(部件内各子部件间的流 水)、处理机级(构成处理机的各部件之间的流水)和系统级( 构成计算机系统的多处理机之间的流水)；从流水线具有功能 的多少来看，可以分为单功能流水线(只能实现单一功能的流 水)和多功能流水线(同一流水线的各个段之间可以有多种不 同的联接方式以实现多种不同的功能或功能)；按多功能流水 线的各段能否允许同时用于多种不同功能联接流水，可把流 水线分成静态流水线(同一时间内各段只能按一种功能联接流 水)和动态流水线(同一时间内可按不同运算或功能联接)；以 机器所具有的数据表示可把流水线处理机分为标量流水机(没 有向量数据表示，只能以标量循环方式处理向量和数据)和向 量流水机；从流水线中各功能段之间是否有反馈回路，分为 线性流水和非线性流水。
5.1.1 基本思想和一次重叠
接着，看 执行 k 与分析 k+1 。为了实现它们的重叠， 硬件上应有独立的指令分析部件和指令执行部件 。而 且，由于执行时间的不同，还需在 硬件上解决控制上 的同步问题。此外，当第k条指令是转移指令时，还需 采用延迟转移技术使重叠效率不致下降。 在控制上还需解决邻近指令之间可能出现的数和指 令相关的问题。
5.1.2 相关处理
1.指令相关的处理 如果采用机器指令可修改的办法经第 k 条指令的执 行来形成第 k+1 条指令，由于在执行 k 的末尾才形成第 k+1条指令，按照一次重叠的时间关系，为避免出错， 第k 、k+1 条指令就不能同时解释，这时这两条指令之 间就发生了指令相关。 为解决指令相关问题，可设置一条“执行”指令解 决 。在这条执行指令中，被修改的指令以“执行”指 令操作数形式出现，这样就 将指令相关转化成了数据 相关 因为操作数可以存放在主存，也可以存放在通用寄 存器中，这样就有了 主存空间的数相关 和 通用寄存器 组的数相关。

读数据缓冲 区
写数据缓冲 区 执行 部件
数据缓冲栈
先行操作栈
第 5 章 重叠、流水和向量流水处理机
5.1.2 相关处理
1. 转移指令的处理
采用延迟转移技术，将转移指令与条件转移无关的第k-1条指
令交换一下位置，即使转移成功也不会使重叠效率下降。
2. 指令相关的处理
“执行”指令是IBM 370机器为此设置的一条指令，其形式为
第 5 章 重叠、流水和向量流水处理机
第 5 章 重叠、流水和向量流水处理机
5.1 重叠方式
5.2 流水方式
5.3 向量的流水处理与向量流水处理机
第 5 章 重叠、流水和向量流水处理机
本章要点
“一次重叠”方式中各种相关的处理；
流水线的时空图和性能分析；
流水的局部性相关处理，全局性相关处理
单功能非线性流水线的调度；
执行部件空闲
执行k+1
分析k+2
分析k
执行k
分析k+1
分析k+1
执行k+2
执行k+1
分析k+2 执行k+2
分析部件空闲
T重 t 分 1 T先 t 分 1
m ax(t 分 ,t执
i i 2 n
n (a)重叠方式
(b)先行控制
i 1
) t 执n
t执
i 1
i
第 5 章 重叠、流水和向量流水处理机
第 5 章 重叠、流水和向量流水处理机
流水线各段执行时间不相等的情况下的实际吞吐率为：
TP n
t
i 1
k
i
(n 1) max( t1 , t 2 ,, t k )