计算机体系结构-第6章 向量处理机

第6章 向量处理机
6.2.1 寄存器组
CRAY-1的寄存器组一共有5种，其中向量寄存器组 （V），标量寄存器组（S）和地址寄存器组（A）是 基本的寄存器，标量保存寄存器组（T）和地址保存寄 存器组（B）是两种中间的寄存器，基本寄存器组可以 直接被功能部件访问，中间寄存器组则不能被功能部 件访问，T和B寄存器组只是分别对S和A寄存器组提供 支持。
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6.2 一般的向量处理机
向量处理机的结构因具体机器不同而不相同，这里 重点介绍CRAY-1向量流水处理机系统的基本结构特点。 CRAY-1是20世纪70年代设计的一种典型的向量处理机， 1976年开始出售，CRAY-1向量处理机不能独立工作， 它需要一台前置机对整个系统进行管理，这里只介绍 CRAY-1向量处理机本身。
寄存器-寄存器工作方式向量处理机中，在主存储 器系统与功能流水部件之间插入了一个小容量的高速 向量寄存器组，从而可获得较高的带宽。为了最大限 度地利用高速的向量寄存器组，应尽量使大量的操作 在向量寄存器组之间进行，从而减少访存的次数，降 低对存储器带宽的要求。
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早期的向量机都是存储器-存储器方式的，如TI公 司的ASC（1972年），CDC公司的STAR-100（1973 年）、CYBER-205（1982年）和ETA-10（1986年）。 1976年CRAY公司研制的CRAY-1向量机首次采用了寄 存器-寄存器工作方式，由于它在短向量操作时显示出 良好的性能，再加上指令系统的简洁性，因此逐步成 为向量机的主流。美国Cray公司生产的Cray Y-MP （1988年）和C-90（1991年），日本Fujitsu公司生产 的VP2000（1991年）和VPP300/500（1993年）等大规 模超级向量流水处理机均属这种类型。
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不管是哪一种类型的向量处理机，典型的向量处 理机基本系统结构如图6.1所示，主要由一个标量流水 部件和若干个向量流水部件组成，基本结构包括标量 寄存器、标量功能部件、向量存取部件、向量寄存器 或向量缓冲部件、向量功能部件以及向量控制部件等。
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标量寄存器
标量功能部件
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上述的这些特点使得对相同数量的数据项进行操作 时，向量操作要比一串标量指令操作更快。此外，向 量流水处理机还可使访存和有效地址计算流水化，通 过设置多个向量运算部件并且允许多个向量操作同时 进行，可开发对不同元素进行多个向量操作的并行性。
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6.1.2 向量处理机的基本系统结构 为了满足向量计算机中运算器带宽的要求，向量
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CRAY-1向量处理机有120种指令，向量有10种格 式，标量有13种格式，它的时钟周期为12.5ns，每秒最 多 能 执 行 8000 万 条 指 令 （ 80MIPS ） ， 平 均 在 20 ～ 80MIPS之间。如果所有资源能充分利用，每秒可进行 16000万次浮点运算（160MFLOPS），图6.2是CRAY-1 向量处理机的结构框图，图中画出了它的运算流水线、 寄存器组、数据通路等。下面介绍CRAY-1向量处理机 的一些主要的特点。
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6.1 向量处理的基本概念
由于向量内各个元素间很少相关，对向量中的各个 元素一般又都是执行同一种操作，只要能由存储器不 断地取得元素，就能对各向量元素进行流水处理，最 充分地发挥流水线的效能，使输出端每个时钟周期能 送出一个结果元素，这就是向量的流水处理。
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(2)一条向量指令中包含大量的数据运算，相当于一 个标量循环，从而可降低对指令访存带宽的要求。此 外，向量指令可消除标量运算方式中由循环转移引起 的控制相关。
(3)向量指令所要访问的向量元素在存储器中的存 放地址均相邻，可采用交叉存储体提高访问的速度。 由于一个向量中通常含有多个元素，因此对存储器访 问的延迟平均到每个元素上，其访存等待时间开销是 较小的。
处理机系统结构可分为两大类: 存储器-存储器工作方式向量处理机和 寄存器-寄存器工作方式向量处理机。
前者的工作特点是向量操作的源向量都取自主存 且操作生成的结果向量也存放到主存中，而后者向量 操作的源向量都取自向量寄存器且操作生成的结果向 量也存放到向量寄存器中。
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存储器-存储器工作方式向量处理机中，主存储器 系统采用多个模块构成，功能流水部件与主存储器系 统之间有三条独立的数据通路（两条输入和一条输出 数据通路），各数据通路可以同时工作，但一个存储 器模块在某一时刻只能为一个通路服务。
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图6.2 CRAY-1向量处理机结构框图
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向量寄存器组V是CRAY-1向量运算所用的主要操作 数寄存器，由512个64位的寄存器组成，分成8组，编 号分别为V0～V7，每个向量寄存器组Vi可存放最多包 含64个分量的一个向量，因此向量寄存器中最多可存 放8个向量。一个向量操作数中的一组数据可以存放在 一组向量寄存器中的若干分量寄存器中，向量操作数 的长度放在向量长度寄存器VL中（VL长7位）。
主
向量存取
向量
向量功能部件
部件
寄存器
·
存
· ·
指令处理 部件
向量指令 控制部件
向量功能部件
图6.1 向量处理机基本系统结构
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6.1.3 向量的流水处理方式 由于向量元素主要是浮点数，浮点数的运算比较复
杂，需要经过多个节拍才能完成，所以向量很适合于 用运算流水线处理， 当用运算流水线处理一个数组时，对向量中的每个元 素都执行相同的操作，而且每个向量的各元素间又是 互相无关的，因而流水线能以每个时钟周期送出一个 结果的最高速度连续流动。 只要存储系统来得及提供这些处理的元素，流水线就 能达到最高速度。为此，向量处理机都配有一个大容 量的、分成多个模块交叉工作的主存储器。
向量处理机是指将向量数据表示与流水线技术相 结合，能进行向量流水处理的处理机，又称之为向量 流水处理机。
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6.1.1 向量流水处理的主要特点 (1)在向量操作中，每个向量元素的计算与其它向量
元素的计算是相互独立的，即每对向量元素的运算之 间不存在数据相关，这就允许向量流水线有较深的深 度。 一条向量指令对应一个循环的数组运来自百度文库，相当于将一 层循环完全展开，从而消除了一层循环中的控制机制 开销。