流水线技术--向量处理机

量功能部件之间都能并行工作，大大加快了向量
指令的处理。
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Vi冲突：指的是并行工作的各向量指令的源向 量或结果向量的Vi有相同的。 向量功能部件冲突：指同一个向量功能部件被 一条以上的并行工作向 量指令所使用。 3. CRAY-1向量指令类型
◆ Vk ← Vi op Vj
2. CRAY-1的基本结构
◆ 向量运算部件：６个
整数加，逻辑运算，移位 浮点加，浮点乘，求倒数
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◆ 向量寄存器组：8×64
V0 ～ V7
◆ 每个 Vi
每个向量运算部件
◆ 向量长度寄存器VL ◆ 向量屏蔽寄存器VM
CRAY-1向量处理的显著特点：只要不出现Vi 冲突和向量功能部件冲突，各个Vi之间和各个向
◆ 这种分段向量处理技术也称为分段开采。
◆ 将长向量循环分段处理是由系统硬件和软件控
制完成的，对程序员透明。
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例3.8 设A和B是长度为N的向量，考虑在 Cray-1向量处理器上实现如下的循环操作。 DO 10 I = 1，N 10 A(I) = 5.0 * B(I) + 1.0 ◆ 当N ≤64时，可以用如下指令序列实现上 述循环操作：
（3） V4←V2*V3(浮点乘，存D) 解：链接过程如图3.44所示：
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访存（6 拍）
存储器
V0
V1
V2
V3
V4
浮点加（6 拍）
浮点乘（7 拍）
图 3.44 通过链接技术实现指令重叠执行
◆ 三条向量指令全部用串行方法执行，则总
的执行时间为：
[（1+6+1） + N-1] + [（1+6+1） + N-1] +[（1+7+1） + N-1] = 3N + 22 拍
◆ 只有当前一条向量指令全部执行完毕，释放
相应的向量寄存器资源后才能执行后面的向 量指令。
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◆ 当一条向量指令的两个源操作数分别是两条
先行向量指令的结果寄存器时，要求先行的 两条向量指令产生运算结果的时间必须相等， 即要求有关向量功能部件的延迟时间相等。
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◆ 前两条向量指令并行执行之后，再执行第
三条向量指令，则总的执行时间为：
[（1+6+1） + N-1] + [（1+7+1） + N1]
= 2N + 15 拍 ◆ 采用向量链接技术，所需拍数(亦称Βιβλιοθήκη Baidu链接
流水线的流水时间)为：
[（1+6+1）] + [（1+7+1）] = 17 拍
S1←5.0 ；将常数5.0送入标量寄存器S1
S2←1.0
VL←N
；将常数1.0送入标量寄存器S2
；在向量长度寄存器VL中设置向量长度N
◆ Vk ← Si op Vj
◆ Vk ← 主存 ◆ 主存 ← Vi
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4. 链接技术 当两条指令出现“写后读”相关时，若它们 不存在功能部件冲突和向量寄存器(源或目的)
冲突，就有可能把它们所用的功能部件头尾相
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2. 向量处理机的速度评价方法
◆ 标量处理机：通常用每秒执行多少指令
MIPS(Million Instructions Per Second) 来衡量机器的运算速度 。
◆ 向量处理机：常用每秒取得多少个浮点运算
结果表示机器速度，以MFLOPS(Million of Floating Point Per Second)作为测量单位。
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(3) 分组(纵横)处理方式
把向量分成长度为某个固定值的若干组， 组内按纵向方式处理，依次处理各组。 每组内： 相关：１次
功能切换：２次
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对处理机结构的要求： 寄存器-寄存器型操作的运算流水线。 举例
(1) 水平(横向)处理方式 Ki＝bi＋ci Di＝Ki×ai 相关：N 次 功能切换：2N 次
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(2) 垂直(纵向)处理方式 K＝B＋C D＝K×A 相关：１次 功能切换：１次 对处理机结构的要求： 存储器-存储器型操作的运算流水线对 存储器的带宽要求很高。 例如：STAR-100，CYBER-205
接，形成一个链接流水线，进行流水处理。 链接特性实质上是把流水线“定向”的思想
引入到向量执行过程的结果。
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例 3.7 对 上 述 向 量 运 算 D=A*(B+C) ， 若 向 量 长度N≤64 ，向量元素为浮点数，则在 B 、 C 取 到 V0、V1后，就可用以下三条向量指令求解： （1） V3←存储器(访存，载入A) （2） V2←V0＋V1(浮点加)
◆ 只有所有可以链接执行的向量指令的向量长
度相等时，它们之间才能链接执行，否则它 们之间也不能链接执行。
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6. 向量循环或分段开采技术 如果向量的长度大于向量寄存器的长度， 该如何处理呢？
◆ 向量循环 ：长向量循环分段处理的程序结构 。
把长向量分成固定长度的段，然后循环分 段处理，一次循环只处理一个向量段。
则三条向量指令总执行时间为： [（1+6+1）] + [（1+7+1）] +（N-1）= N + 16 拍
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5. 向量链接的一些主要要求：
(除了要保证无向量寄存器使用冲突和无向
量功能部件使用冲突的条件之外 )
◆ 在进行链接的时候，只有在前一条向量指令
的第一个结果元素送入结果向量寄存器的那 一个时钟周期才可以进行链接，若错过该时 刻就不能进行链接。
另一种评定计算机速度的方法：比较法。 （选择一台速度指标得到公认的机器作为标准机， 给定一些典型的基准程序。）
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3.5.2 提高向量处理机性能的主要技术
1. CRAY-I简介
◆ 美国CRAY公司 ◆ 1976年
◆ 每秒亿次浮点运算
◆ 主频：80MHz
字长：64位