计算机系统结构第六章 向量流水线技术

即左同名、右同名、上右下左同名。
冲突：① A=B+C A=D*E
② A=B+C D=B*E
③ A=B+C B=D*E
相关： ④ A=B+C D=A*E
(4) CRAY-1分析指令的3条策略
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
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Hale Waihona Puke 计算机系统结构16.1 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）
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• 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)
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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6.1：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。
… 最后算D(N)=A(N)*(B(N)+C(N))
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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。
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。
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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
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，此外还要 求这两条向量指令的向量长度必须相等，否则也不能链接。
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(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，
（结合P391题6.6实例学习 ）
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6.3 向量处理机的性能评价（P386）
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
它取指1次，取操作数的次数 仍为3*N。
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6.1 向量处理机的基本概念
2. 向量处理方式
有四个长度为N的向量A、B、C、D。现要完成下面的 运算：
D=A*（B+C）
（1） 横向处理方式——标量处理机处理方式 先算D(1)=A(1)*(B(1)+C(1)) 再算D(2)=A(2)*(B(2)+C(2))
• 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。
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6.3 特点
多数为巨型机，有多条单功能流水线。
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。
若采用链接技术，则执行时间为： （1＋ 6＋1）＋（1＋7＋ 1）＋（N－l） = N＋16拍
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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，还有时间上的要求，只有当前一条指令的第一个结果分 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。
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（P370） 启动、输出延迟（各1拍）。
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(2) 链接技术（369）
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。
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 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，参见P286公式5.22）
第六章 向量流水线技术（P347）
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。