計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：第6章數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)

1、2021年3月29日星期一,1,第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第2章 數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)性能分析 第3章 流水技術(shù)和向量處理 第4章 陣列計(jì)算機(jī) 第5章 多處理機(jī)系統(tǒng) 第6章 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī),2021年3月29日星期一,2,本章學(xué)習(xí)要求,了解幾種非傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的概念和工作原理 掌握數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 了解多核處理器計(jì)算機(jī),2021年3月29日星期一,3,第6章 新型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),脈動陣列計(jì)算機(jī) 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī) 多核處理器計(jì)算機(jī),2021年3月29日星期一,4,6.1 脈動陣列計(jì)算機(jī),脈動陣列結(jié)構(gòu)是由一組相同的處理單元PE構(gòu)成的陣列機(jī)。每個(gè)PE可完成少數(shù)基本的算術(shù)邏輯運(yùn)算操作 工作原理：

2、陣列內(nèi)所有處理單元的數(shù)據(jù)鎖存器都受同一個(gè)時(shí)鐘控制，運(yùn)算時(shí)數(shù)據(jù)在陣列結(jié)構(gòu)的各個(gè)處理單元間沿各自的方向同步向前推進(jìn)，就像血液受心臟有節(jié)奏地搏動在各條血管中同步向前流動一樣,2021年3月29日星期一,5,脈動陣列機(jī)主要適用要求計(jì)算量很大的信號圖像的處理，以及某些特定計(jì)算類算法題目的求解，特別是需要對大量數(shù)據(jù)執(zhí)行重復(fù)計(jì)算的運(yùn)算受限類問題的求解。,根據(jù)具體計(jì)算的問題不同，脈動陣列可以 有一維線形、二維矩形六邊形/二叉樹形 三角形等陣列互連構(gòu)形。,2021年3月29日星期一,6,脈動式二維陣列流水機(jī),2021年3月29日星期一,7,1i3,1j3,現(xiàn)有矩陣A、B如下，要在二維脈動陣列機(jī)上求兩矩陣 的乘積

3、C,其中,在圖中給出了在t1、t2 、t3 時(shí)刻送入數(shù)據(jù)，到t6 時(shí)，從 45 方向上將同時(shí)輸出 的值，t7 時(shí)輸出 的值，t8 時(shí)輸出 的值。 可以看出，總共只需用8拍就可以完成兩個(gè)33矩陣相乘，比單處理機(jī)上循環(huán)執(zhí)行所需的27拍，速度提高了兩倍多。,2021年3月29日星期一,8,a11 a12 a13 0 0 t1,0 a21 a22 a23 0 t2,0 0 a31 a32 a33 t3,0,0,0,0,0,t1 0 0 b31 b21 b11,t2 0 b32 b22 b12 0,t3 b33 b23 b13 0 0,2021年3月29日星期一,9,脈動陣列計(jì)算機(jī)具有如下特點(diǎn)：,（1）

4、結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)整，模塊化強(qiáng)，可擴(kuò)充性好。非常 適合于超大規(guī)模集成電路的實(shí)現(xiàn)。,（2）PE間數(shù)據(jù)通信距離短、規(guī)則，使數(shù)據(jù)流和控制流 的設(shè)計(jì)、同步控制簡單規(guī)整。,（3）具有極高的計(jì)算并行性，可通過流水獲得很高的 運(yùn)算效率和吞吐率。,（4）脈動陣列結(jié)構(gòu)的構(gòu)形與特定的計(jì)算任務(wù)和算法密 切相關(guān)，限制了其應(yīng)用范圍。,脈動陣列機(jī)的發(fā)展目標(biāo)：研制通用型脈動陣列機(jī)。,2021年3月29日星期一,10,6.2 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī),數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的基本工作原理 數(shù)據(jù)流程序圖和數(shù)據(jù)流語言 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)存在的主要問題,2021年3月29日星期一,11,7.2.1數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的基本工作原理,數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)流

5、方式：只要一條或一組指令所要求的操作數(shù)全部準(zhǔn)備就緒，就可立即激發(fā)相應(yīng)的指令或指令組執(zhí)行。,特點(diǎn)：指令的執(zhí)行基本上是無序的，完全受數(shù)據(jù)流的驅(qū)動；沒有程序計(jì)數(shù)器PC，取而代之的是“數(shù)據(jù)令牌”。,“數(shù)據(jù)令牌”是一種表示某一操作數(shù)或參數(shù)已準(zhǔn)備就緒的標(biāo)志。,2021年3月29日星期一,12,7.2.2 數(shù)據(jù)流程序圖和數(shù)據(jù)流語言,數(shù)據(jù)流程序圖：是一種用來表示指令級的數(shù)據(jù)流程序的有向圖(directed graph)，它由多個(gè)結(jié)點(diǎn)(node)和一些連接它們的弧所組成。它說明了指令之間執(zhí)行順序的約束條件。 數(shù)據(jù)流程序圖中的結(jié)點(diǎn)除表示一般的算術(shù)邏輯操作外，還可表示常數(shù)產(chǎn)生、復(fù)制操作、判定操作和控制操作等。,20

6、21年3月29日星期一,13,數(shù)據(jù)流程序圖中常用的結(jié)點(diǎn),（1）算邏運(yùn)算結(jié)點(diǎn)：,算術(shù)運(yùn)算結(jié)點(diǎn)：加、減、乘、除、加l、減1等 布爾運(yùn)算結(jié)點(diǎn)：與、或、異或、非等,2021年3月29日星期一,14,（2）常數(shù)結(jié)點(diǎn)：,常數(shù)結(jié)點(diǎn)的功能是用來產(chǎn)生一個(gè)常數(shù)。 常數(shù)產(chǎn)生結(jié)點(diǎn)沒有輸入端，只有一條輸出線。,激發(fā)后,2,數(shù)據(jù)令牌,一般表示,數(shù)據(jù)復(fù)制,控制復(fù)制,（3）復(fù)制結(jié)點(diǎn)：,數(shù)據(jù)復(fù)制結(jié)點(diǎn)：圖中圓點(diǎn)和箭頭用實(shí)心表示。 控制量（布爾量）復(fù)制結(jié)點(diǎn)：圖中的圓點(diǎn)和箭頭用空心表示。,2021年3月29日星期一,15,（4）控制操作結(jié)點(diǎn) ：,T門控結(jié)點(diǎn),F門控結(jié)點(diǎn),T門控：僅當(dāng)布爾控制端為真、且輸入端有數(shù)據(jù)令牌時(shí) 才能激發(fā)，然后

7、在輸出端產(chǎn)生數(shù)據(jù)令牌而輸入端的數(shù)據(jù) 令牌消失。,F門控：僅當(dāng)布爾控制端為假、且輸入端有數(shù)據(jù)令牌時(shí) 才能激發(fā)，然后在輸出端產(chǎn)生數(shù)據(jù)令牌而輸入端的數(shù)據(jù) 令牌消失。,2021年3月29日星期一,16,開關(guān)門控結(jié)點(diǎn),歸并門控結(jié)點(diǎn),2021年3月29日星期一,17,（5）條件判斷結(jié)點(diǎn) ：,判斷輸入數(shù)據(jù)(通常是單個(gè)或兩個(gè))是否滿足某種條件， 如輸入數(shù)據(jù)是否小于、等于、大于0，兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)的 大小比較等。當(dāng)滿足條件時(shí)，將在輸出端產(chǎn)生T的控制 令牌，否則便產(chǎn)生F的控制令牌。,利用上述常用結(jié)點(diǎn)，可以畫出一些程序結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流 程圖。,2021年3月29日星期一,18,Z,Z=X+Y X0 Z=X-Y X0,數(shù)據(jù)流

8、程序圖舉例,問題：圖中有多少個(gè)結(jié)點(diǎn)？ 出現(xiàn)了多少種結(jié)點(diǎn)？,復(fù)制,判斷,開關(guān),控制復(fù)制,算術(shù)運(yùn)算,歸并,2021年3月29日星期一,19,數(shù)據(jù)流語言,數(shù)據(jù)流語言的結(jié)構(gòu)類似于命令式程序設(shè)計(jì)語言，但又要能方便地被編譯成數(shù)據(jù)流程圖。 數(shù)據(jù)流語言大都是單賦值語言。單賦值的含義是指，在程序中每個(gè)變量只能賦值一次，即同一變量在賦值語句的左部只允許出現(xiàn)一次，不允許對同一變量進(jìn)行多次賦值。 常用的數(shù)據(jù)流語言有美國的ID和VAL，法國的LAU以及英國曼徹斯特大學(xué)的SISAL語言等。,2021年3月29日星期一,20,數(shù)據(jù)流語言舉例,對于點(diǎn)積操作，用ID語言則可寫成如下的過程： procedure inner_pr

9、oduct(a,b,n) initial S0 for i from 1 to n do new SS+(ai *bi) return S,2021年3月29日星期一,21,7.2.3數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu),依據(jù)處理數(shù)據(jù)令牌的不同，數(shù)據(jù)流機(jī)可分成靜態(tài)和動態(tài)兩大類。 靜態(tài)數(shù)據(jù)流機(jī)的數(shù)據(jù)令牌不帶任何標(biāo)號，在任何一條弧上只允許存在一個(gè)數(shù)據(jù)令牌。 動態(tài)數(shù)據(jù)流機(jī)的數(shù)據(jù)令牌帶有標(biāo)號。這樣就可使數(shù)據(jù)流程序圖中的任一條弧上同時(shí)存在帶有不同標(biāo)號(或稱顏色)的數(shù)據(jù)令牌。,2021年3月29日星期一,22,靜態(tài)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī),2021年3月29日星期一,23,動態(tài)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī),由于任一條弧上同時(shí)存在帶有不同標(biāo)號(或稱

10、顏色)的 數(shù)據(jù)令牌只要對令牌標(biāo)號進(jìn)行符合比較就可加以識別。 為此，需要有一個(gè)稱為匹配部件的硬件機(jī)構(gòu)將標(biāo)號附 加到數(shù)據(jù)令牌上，并完成標(biāo)號的匹配工作。,2021年3月29日星期一,24,7.2.4數(shù)據(jù)流機(jī)存在的主要問題,1指令級的數(shù)據(jù)驅(qū)動導(dǎo)致每條指令的執(zhí)行有較大的時(shí)間開銷，因?yàn)樵谶\(yùn)行時(shí)需要對每一個(gè)和每一次操作進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)分析。,2由于數(shù)據(jù)流程序的操作包代碼長度較長， 將占用較多的存儲空間。,3當(dāng)機(jī)器規(guī)模變大時(shí)，接到轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)上的流 水環(huán)數(shù)將增加，從而使轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)變成系統(tǒng)性能 的新瓶頸口。,2021年3月29日星期一,25,6.3多核處理器計(jì)算機(jī),多核處理器的工作原理 多核處理器的原型系統(tǒng)及產(chǎn)品 多核處

11、理器系統(tǒng)的軟件技術(shù),2021年3月29日星期一,26,1、多核處理器的工作原理,片上多處理器(ChipMultiprocessor,CMP)系統(tǒng)允許多個(gè)線程在多個(gè)處理器核上并行執(zhí)行，從而提高系統(tǒng)性能。 同時(shí)多線程(SimultaneousMultithreading,SMT)一個(gè)時(shí)鐘允許發(fā)射多線程的多條指令，提高處理器發(fā)射槽以及功能部件的利用率。,2021年3月29日星期一,27,多核處理器的組織結(jié)構(gòu),共享存儲的CMP 共享二級Cache的CMP,2021年3月29日星期一,28,2、 CMP的原型系統(tǒng)及產(chǎn)品,斯坦福大學(xué)的Hydra集成了4個(gè)MIPSR3000處理器核，每一個(gè)核有一對指令Cac

12、he和數(shù)據(jù)Cache，所有處理器核共享L2級Cache IBM的Power4雙核、SUNNiagara8核處理器、Intel安騰2雙核處理器、AMDOpteron系列多核處理器,2021年3月29日星期一,29,3、多核處理器系統(tǒng)的軟件技術(shù),虛擬化技術(shù)根據(jù)需求將一個(gè)處理器虛擬化為多個(gè)獨(dú)立的具有不同屬性的虛擬機(jī)滿足用戶需求的多樣性提高系統(tǒng)的使用效率，發(fā)掘處理器的潛在計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的安全隔離 虛擬化技術(shù)是在系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)間增加VMM實(shí)現(xiàn)的,2021年3月29日星期一,30,虛擬機(jī)1,應(yīng)用程序,操作系統(tǒng),虛擬機(jī)1,應(yīng)用程序,操作系統(tǒng),虛擬機(jī)n,應(yīng)用程序,操作系統(tǒng),虛擬機(jī)監(jiān)控器(VMM),系統(tǒng)硬件,2021年3月29日星期一,31,事務(wù)型內(nèi)存,事務(wù)概念源于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中事務(wù)具有原子性、一致性、隔離性和持續(xù)性 事務(wù)型內(nèi)存是為了解決線程同步一種有效方法，替代先前的互斥鎖 事務(wù)型內(nèi)存實(shí)現(xiàn)有硬件和軟件方法,2021年3