计算机系统结构第六章1

n (Tloop +Tstart ) + n×Tchime = n ×(15 + 49) + 3n Tn = × 64 VL M ≈ (n + 64) + 3n = 4n + 64
使用链接技术的时空图与各编队时间（设n < 64，即不分段。） 访存 12段 指令1 乘法 7段 指令2 加法 6段 指令4 12 7 n-1 12 6 n-1 12 n-1 时间 总时间 = 3n + 46 指令3 指令5
6.2 向量处理机的结构
4. 两种结构的简单比较： • 第一种结构是依靠主存来保证流水线所需要的操作数。 因此主存必须具有至少和运算器所要求带宽一样高的带 宽。这就要求主存或者存取速度足够快，或者分为多个 独立的存储模块，或者两者都具备。 • 第二种结构是通过容量比主存小得多的中间存储器即寄 存器来保证很高的带宽。这样，低速存取的主存就不会 妨碍流水结构运算器的连续运行。第二种结构的另一好 处是流水结构运算器可以重叠进行，因为高速寄存器的 带宽足以满足几个流水结构运算部件的带宽要求。
6.3 特点
多数为巨型机，有多条单功能流水线。
6.4 典型工作方式
CRAY-1是世界上第一台向量流水处理巨型机。 (1) CRAY-1的技术术语 向量寄存器组V0，V1，……，V7。 分量计数器 链接方式 启动、输出延迟（各1拍）。
(2) 链接技术
前一条指令的结果不必送回存储器直接作为后一条指令的操作数， 甚至可在前一条指令完成之前就使用其结果。
假设向量长度为N，若这三条指令全部用串行方法，则执行时间为： ［ (1＋6＋1)＋N－1]＋[(1＋6十1)＋N－1]＋[(1＋7＋1)＋N－1] = 3N＋ 22拍 若前两条指令并行执行，第三条指令串行执行，则执行时间为： ［（1＋ 6＋1）＋ N－1]＋［（ 1＋7＋ l）＋ N－1] = 2N＋ 15拍 若采用链接技术，则执行时间为： （1＋ 6＋1）＋（1＋7＋ 1）＋（N－l） = N＋16拍
Tc —— 流水线“瓶颈”段时间， Tc = max{Δti} （注：该公式仅比标量流水线时间公式Tk = ( k + n - 1 ) max{Δti} 多了一项“辅助标量指令折算时间”Ts而已）
6.3.1.2 不使用链接技术的指令组时间（第18行开始） 指令之间不论是存在冲突还是相关关系，都不能编入同一编队。 例6.4-6.5：对下列指令组编队，并求出每个编队的开始、获得 第一个分量结果、获得最后一个分量结果的时间。 LV V1，Rx MULTSV V2，F0，V1 LV V3，Ry ADDV V4,V2,V3 SV Ry,V4 编队：由于指令1与2之间关于V1相关、指令3与4之间关于 V3相关、指令4与5之间关于V4相关，所以它们必须 分在不同的编队。结果如下： 编队1：指令1 编队2：指令2、指令3 编队3：指令4 编队4：指令5
例6.1：若要进行向量运算： D=A×( B＋C )，假设向量长度＜=64，
且B和C已由存储器取至V0和V1，则下面 3条向量指令就可完成上述 运算： V3 ← A V2 ← V0＋V1 V4 ← V2*V3 第一、二条指令因既无向量寄存器使用冲突，也无功能部件使用 冲突，所以这两条指令可并行执行。 第三条指令与第一、二条指令均存在先写后读的相关冲突，因而 可将第三条指令与第一、二条指令链接执行，如图所示。 由于同步的要求，数据进入和流出每个功能部件，包括访存都需 要1拍时间。
分析：
1. 实现链接除了无向量寄存器使用冲突和无功能部件使用冲突 外，还有时间 时间上的要求，只有当前一条指令的第一个结果分 时间 量送入结果向量寄存器的那一个时钟周期方可链接，若错过 该时刻就不能进行链接，只有当前一条向量指令全部执行完 毕，释放向量寄存器资源后才能执行后面指令。
2. 另外，当一条向量指令的两个源操作数分别是两条先行指令 的结果寄存器时，要求先行的两条指令产生运算结果的时间 必须相等，即要求有关功能部件的延迟时间相等 延迟时间相等，此外还要 延迟时间相等 求这两条向量指令的向量长度必须相等 向量长度必须相等，否则也不能链接。 向量长度必须相等
无相关，无冲突 ── 同时启动； 有相关，无冲突 ── 链接启动； 有冲突 ── 顺序执行；
(5) 计算向量程序执行时间的工具 ── 多流水线时空图
6.3 向量处理机的性能评价
一共有4个性能指标：Tvp、R∞、n1/2、nv。 6.3.1 向量指令的处理时间Tvp 6.3.1.1 单条向量指令执行时间（第9行开始） Tvp = Ts + Tvf + ( n - 1 ) Tc 其中： Tvp —— 一条向量指令执行总时间 Ts —— 配套标量指令的折算时间 Tvf —— 流水线流过时间，即计算第一个分量所需时间 n —— 向量中包含的分量数
6.3.1.4 使用链接技术的指令组时间（P388第13行开始） 指令之间只有存在冲突关系时，才不能编入同一编队。相关指令可以通 过链接技术编入同一编队。
例6.7：指令组同例6.4，但由于使用链接技术，编队结果与例6.4不同。
即指令1与2链接在同一编队，指令3与1冲突要分开，指令3与4 链接在同一编队，指令5与3冲突要分开。结果如下 编队1：指令1、指令2 编队2：指令3、指令4 编队3：指令5 不论向量长度是否大于寄存器组长度，均可代入分段开采时间公式，计算指 令组执行总时间。此处Tchime = 3，Tloop = 15，Tstart = 12+7+12+6+12 = 49，MVL=64。注意公式法得数与下页图解法的得数不完全相同。
第六章 向量流水线技术
本章将讨论向量处理机。向量处理机结构目前已成为解决数值计算 问题的一种最重要的高性能结构。 绝大多数向量处理机都采用流水线结构。当一条流水线不能达到所 要求的性能时，设计者往往采用多条流水线（超标量）。这种处理机不 仅能处理单条流水线上的数据，还能并行地处理多条流水线上独立无关 的数据。 向量处理机的向量运算吞吐量性能比同价格的串行处理机 高1～2个数量级； 向量处理机吞吐量的提高只是对特定结构的问题有效，即局限 于那些可以转化为向量运算的问题。 20世纪80年代出现了许多以流水线运算部件为基础的向量处理机。 本章的目的在于描述向量处理机的一般结构，并讨论算法和结构如 何配合才能高效地处理多类计算机的问题。
6.2 向量处理机的结构
1. 向量处理机要解决两个问题： （1）设法维持连续的数据流（提供连续的A和B）。 （2）设法降低对存储器的压力。 2. 向量处理机采取的技术措施： （1）提高存储器的带宽。例STAR-100，32体。 （2）增设高速中间存储器——向量寄存器。例YH-1，8组 向量寄存器，每组128个单元（每个单元64位）。 3. 向量处理机的两种不同结构（根据采用的技术措施分） （1）存储器——存储器结构 （2）寄存器——寄存器结构
n Tn = × (Tloop +Tstart ) + n×Tchime VL M
其中： Tn n MVL —— 指令组执行总时间 —— 向量中包含的分量数 —— 寄存器组长度
Tloop —— 配套标量指令的折算时间，即前面公式中的Ts Tstart —— 流水线流过时间，即前面公式中的Tvf Tchime —— 编队数 （注：这是一个近似公式；CRAY-1机器的Tloop = 15）
不使用链接技术的时空图与各编队时间 访存 12段 指令1 乘法 7段 指令2 加法 6段 指令4 12 n-1 12 n-1 6 n-1 12 n-1 时间 指令3 指令5
6.3.1.3 考虑分段开采的指令组时间（） 说明：当向量长度超过寄存器组长度时，需要采用分段开采的算法， 每段长度等于寄存器组长度。指令组执行总时间如下
6.3.2 最大性能R∞
R∞表示当向量长度为无穷大时的向量流水线的最大性能， 单位为MFLOPS。
6.3.3 半性能向量长度n1/2
它是向量流水线性能达到R∞的1/2时对应的向量长度。
6.3.4 临界长度nv
它表示向量流水方式的工作速度优于标量串行方式工作 时所需的向量长度临界值。
本章小结
(1) 向量流水处理机特点； (2) 冲突及其分类； (3) CRAY-1分析指令的3条策略； (4) 链接方式； (5) 启动、输出延迟（各1拍）。
6.1 向量处理机的基本概念
（2） 纵向处理方式——向量处理机STAR-100采用 对整个向量按相同的运算处理完后，再执行别的运算。 先算：K(1:N)=B(1:N)+C(1:N) 再算：D(1:N)=A(1:N)*K(1:N) （3）纵横处理方式——向量处理机Cray-1、YH-1采用 把长度为N的向量分成长度为n的S个组。组内按纵向 处理方式进行处理，然后依次处理各个组。 先算第1组：K(1:n)=B(1:n)+C(1:n) D(1:n)=A(1:n)*K(1:n) 再算第2组：K(n+1:n+n)=B(n+1:n+n)+C(n+1:n+n) D(n+1:n+n)=A(n+1:n+n)*K(n+1:n+n) … 纵横处理方式当前最常用
6.1 向量处理机的基本概念
1. 什么是向量处理
一个用FORTRAN语言编写的程序： DO 100 I=1，N 100 B（I）= B（I）＋C（I）
• 取指8*N次，取操作数3*N次 • 如果采用向量编译，则只需 一条向量指令： B(1:N)=B(1:N)+C(1:N) 它取指1次，取操作数的次数 仍为3*N。
(3) 冲突及其分类
功能部件冲突 ── 指令运算符号相同； Vi变量冲突 ── 指令中使用的Vi变量相同，具体有3种形式， 即左同名、右同名、上右下左同名。 冲突：① A=B+C A=D*E 相关： ④ A=B+C D=A*E ② A=B+C D=B*E ③ A=B+C B=D*E