11計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第十一講)02

Fetch-and-Add指令用于多處理機(jī)系統(tǒng)中的進(jìn)隊(duì)和出對(duì)問題圖7.49：IBM公司的RP3機(jī)器

開關(guān)網(wǎng)絡(luò)：由混洗交換網(wǎng)組成的合并網(wǎng)絡(luò)選擇互連網(wǎng)絡(luò)必須綜合考慮速度和成本兩個(gè)指標(biāo)（1）、總線的成本最低，速度最慢（2）、交叉開關(guān)的成本最高，速度最快（3）、混洗交換網(wǎng)絡(luò)的速度和成本都介于總線和交叉開關(guān)之間超立方體網(wǎng)絡(luò)也是一種速度和成本居于適中位置的網(wǎng)絡(luò)，如連接機(jī)（ConnectionMachine）、CosmicCube系統(tǒng)等第八章SIMD計(jì)算機(jī)SIMD計(jì)算機(jī)，亦稱并行處理機(jī)、陣列處理機(jī)（單一控制部件控制下的多個(gè)處理單元構(gòu)成的陣列）主要內(nèi)容：SIMD計(jì)算機(jī)的模型、基本結(jié)構(gòu)、并行算法和具體實(shí)例8.1SIMD計(jì)算機(jī)模型SIMD計(jì)算機(jī)的抽象模型：在同一個(gè)控制部件管理下，有多個(gè)處理單元，所以處理單元均收到從控制部件廣播來的同一條指令，但操作對(duì)象是不同的數(shù)據(jù)圖8.1：H.J.Siegel提出的SIMD計(jì)算機(jī)的操作模型M=(N,C,I,M,R)N：為機(jī)器的處理單元(PE)數(shù)C：為由控制部件(CU)直接執(zhí)行的指令集I：為由CU廣播至所有PE進(jìn)行并行執(zhí)行的指令集M：為屏蔽方案集R：為數(shù)據(jù)尋徑功能集MasParMP-1計(jì)算機(jī)表8.1：三種SIMD計(jì)算機(jī)細(xì)粒度、位片式SIMD計(jì)算機(jī)（所謂細(xì)粒度并行性，則是指在一個(gè)進(jìn)程中進(jìn)行指令一級(jí)或操作一級(jí)的并行處理）8.2SIMD計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)8.2.1分布式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖8.2：分布式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的SIMD計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)尋徑網(wǎng)絡(luò)、陣列控制部件、控制存儲(chǔ)器、標(biāo)量處理機(jī)、處理單元(PE)、本地存儲(chǔ)器(LM)通過控制部件的是單指令流，指令的執(zhí)行順序和單處理機(jī)一樣，是串行處理如果是標(biāo)量操作或控制操作指令，則直接由與控制部件相連的標(biāo)量處理機(jī)執(zhí)行；如果是向量操作，則將它廣播到所有PE并行地執(zhí)行IlliacⅣ：由64個(gè)PE組成，PE間通過8*8環(huán)繞連接網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互連分布式存儲(chǔ)器SIMD計(jì)算機(jī)的主要差別為進(jìn)行PE之間互相通信的數(shù)據(jù)尋徑網(wǎng)絡(luò)不同8.2.2共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖8.3：共享存儲(chǔ)器的SIMD計(jì)算機(jī)共享的多體并行存儲(chǔ)器SM通過對(duì)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)與各處理單元PE相連m≥NBSP（BurroughsScientificProcessor）計(jì)算機(jī)：見P36416個(gè)PE、17個(gè)SM：可以實(shí)現(xiàn)無沖突并行地訪問存儲(chǔ)器8.2.3SIMD計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)向量處理機(jī)和SIMD計(jì)算機(jī)都能對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行向量處理SIMD計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)：（1）、與流水線向量處理機(jī)一樣，特別適于高速數(shù)值計(jì)算（2）、與多處理機(jī)（MIMD）相比，SIMD計(jì)算機(jī)具有較固定的結(jié)構(gòu)，它直接與一定的算法相聯(lián)系，其效率取決于計(jì)算程序向量化的程度（3）、與流水線向量處理機(jī)相比，SIMD計(jì)算機(jī)依靠的并行措施是資源重復(fù)，而不是時(shí)間重復(fù)（4）、標(biāo)量運(yùn)算速度和編譯過程的開銷，也是影響SIMD系統(tǒng)實(shí)際有效速度的另外兩個(gè)因素（5）、SIMD計(jì)算機(jī)基本上是一臺(tái)向量處理專用計(jì)算機(jī)8.3SIMD計(jì)算機(jī)實(shí)例圖8.4：SIMD計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程IlliacⅣ為最先采用SIMD計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)一個(gè)方向?yàn)橛梦黄琍E制造的SIMD計(jì)算機(jī)另一個(gè)方向?yàn)橐許IMD模式運(yùn)行的同步MIMD計(jì)算機(jī)8.3.1IlliacⅣ陣列處理機(jī)IlliacⅣ陣列處理機(jī)：美國Barnes公司和Illinois大學(xué)研制的圖8.5：IlliacⅣ系統(tǒng)總框圖兩大部分：（1）、IlliacⅣ陣列（2）、IlliacⅣ輸入輸出系統(tǒng)三種類型處理機(jī)：（1）、專門對(duì)付數(shù)組運(yùn)算的處理單元陣列（processingelementarray）；（2）、陣列控制器（arraycontrolunit），它既是處理單元陣列的控制部分，又可以視為一臺(tái)相對(duì)獨(dú)立的小型標(biāo)量處理機(jī)；（3）、一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的BurroughsB6700計(jì)算機(jī)，擔(dān)負(fù)IlliacⅣ輸入輸出系統(tǒng)和操作系統(tǒng)管理功能。1、IlliacⅣ陣列IlliacⅣ陣列由64個(gè)PE（處理單元）、64個(gè)PEM（處理單元存儲(chǔ)器）和MLU（存儲(chǔ)器邏輯部件）組成圖8.6：IlliacⅣ處理部件的連接IlliacⅣ的陣列結(jié)構(gòu)又稱為閉合螺線陣列n*n個(gè)單元組成的陣列中，任意兩個(gè)處理單元之間的最短距離不會(huì)超過(n-1)步圖8.7：IlliacⅣ處理單元的原理框圖包括：RGA、RGB、RGR、RGS、RGX、RGM、AU、LU、SU、ADA、MAR操作數(shù)來自四個(gè)方面：PE本身的寄存器、陣列存儲(chǔ)器、CU的公共數(shù)據(jù)總線（CDB）、PE的四個(gè)近鄰MLU：存儲(chǔ)器邏輯部件陣列存儲(chǔ)器：64個(gè)PEM（處理單元存儲(chǔ)器）PE和PEM之間經(jīng)過MLU相連2、陣列控制器陣列控制器（CU）的功能：（1）、對(duì)指令流進(jìn)行控制和譯碼，包括執(zhí)行一整套標(biāo)量操作指令（2）、向各處理單元發(fā)出執(zhí)行數(shù)組操作指令所需的控制信號(hào)（3）、產(chǎn)生和向所有處理單元廣播公共的地址部分（4）、產(chǎn)生和向所有處理單元廣播公共的數(shù)據(jù)（5）、接收和處理由各PE、系統(tǒng)I/O操作以及B6700所產(chǎn)生的陷阱中斷信號(hào)CU與PE陣列之間的信息通道：（1）、CU總線（2）、CDB（commondatabus）（3）、模式位線（modebitline）（4）、指令控制線3、輸入輸出系統(tǒng)輸入/輸出系統(tǒng)：磁盤文件系統(tǒng)（DFS）、I/O分系統(tǒng)和B6700組成磁