计算机体系结构chapter5-3.ppt
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1、3 向量的流水处理与向量流水处理机,将向量数据表示和流水线技术结合起来,构成向量流水处理机,简称向量处理机(Vector Processor) 向量的流水处理 向量流水处理机,向量的流水处理,提高流水性能方法: 增加流水线段数,以减少t 每个时钟同时启动多条指令 减少相关,减少功能变换次数,增加处理指令条数。,向量的流水处理(续),向量操作特点 向量元素间操作相互独立,且为相同操作 相当于标量循环,对指令带宽的访问要求不高 可采用多体交叉存储器,减少访存延迟。 向量操作很适合于流水处理或并行处理。,向量的流水处理(续),向量处理过程 置VL、VM、A 取向量到V 运算。 向量的分量间采取的是流
2、水方式。 并行处理机(SIMD)处理向量时采取的是并行方式。,向量的流水处理(续),向量处理工作方式 如:D=A(B+C) 横向加工:bi+ci-k, k*ai-di 产生N次相关,2N次功能切换,适合标量循环 纵向加工:bi+ci-ki, ki*ai-di 产生1次相关,1次功能切换,可流水处理 纵横处理:对向量分组,组内纵向、组间横向处理,向量流水处理机,向量流水处理机的指令系统 向量流水处理机的结构 超级向量流水处理机举例,向量流水处理机的指令系统,包含有向量型和标量型两类指令 向量型运算类指令 向量V1运算得向量V2,如V2=SIN(V1) 向量V运算得标量S,如 向量V1与向量V2运
3、算得向量V3,V3=V1V2 向量V1与标量S运算得向量V2,V2=S*V1 特殊操作指令 向量比较指令 向量压缩指令 归并指令 向量传送指令,向量流水处理机的结构,1972年首次交付使用CRAY-1向量流水处理机 分布异构型多处理机系统,由中央处理机、诊断维护控制处理机、大容量磁盘存储子系统、前端处理机组成 6个流水线单功能部件:整数加、逻辑运算、移位、浮点加、浮点乘和浮点迭代求倒数 向量寄存器由512个64位寄存器组成,分成8组,超级向量流水处理机举例,1972年成立CRAY公司,至今生产了400台以上的超级计算机 1979年CRAY-1S,CRAY-1改进型,有10条流水线 1983年C
4、RAY X-MP,用4台CRAY-1 1985年CRAY-2S 1988年CRAY Y-MP,8台处理机 1991年CRAY Y-MP C-90 1996年12月,克雷研究公司也被SGI公司以7.5亿美元收购 2000年,被Tera公司合并,同年更名Cray 目前产品:MTA、SV1、SX_6、T3E 2002年Cray X1。运算速度最高为每秒52万亿次,支持65.5TB存储器。 宣布了在2010年以前实现能够连续地处理每秒1000万亿次 Cray公司称,他们将在2008年使用四核心的AMD Opteron处理器建造XT4超级计算机,并将在2009年接近1Pflops(每秒1000万亿次浮点
5、运算)能力。 网址:,超级向量流水处理机举例(续),CDC公司1973年推出第一台超级计算机STAR-100 1964年CDC-6600 RISC特征 1982年 CYBER 205 1999年 被Syntegra收购 ETA10:8个CPU 网址:,几种超级计算机的向量性能和标量性能,向量平衡点(vector balance point)定义为:为了使向量硬件设备和标量硬件设备的利用率相等,一个程序中向量代码所占的百分比。,4 指令级高度并行的超级计算机,超标量处理机 超流水线处理机 超标量超流水线处理机 超长指令字处理机,超标量处理机,采用多指令流水线(度=m) 配置多套功能部件、指令译码
6、电路和多组总线,并且寄存器也备有多个端口和多组总线。 适合于求解稀疏向量、矩阵 IBM RS/6000、DEC 21064、Intel i960CA、Tandem Cyclone(飓风)等,超标量处理机(续),超标量处理机基本结构,一般流水线处理机: 一条指令流水线 一个多功能操作部件,每个时钟周期平均执行指令的条数小于1。 多操作部件处理机: 一条指令流水线 多个独立的操作部件,操作部件可以采用流水线,也可以不流水 多操作部件处理机的指令级并行度小于1 超标量处理机典型结构: 多条指令流水线 进的超标量处理机有:定点处理部件CPU,浮点处理部件FPU,图形加速部件GPU 大量的通用寄存器,两
7、个一级高速Cache 超标量处理机的指令级并行度大于1,举例: Motorola公司的MC88110,10个操作部件 两个寄存器堆:整数部件通用寄存器堆,32个32位寄存器;浮点部件扩展寄存器堆,32个80位寄存器。每个寄存器堆有8个端口,分别与8条内部总线相连接,有一个缓冲深度为4的先行读数栈和一个缓冲深度为3的后行写数栈。 两个独立的高速Cache中,各为8KB,采用两路组相联方式。 转移目标指令Cache,在有两路分支时,存放其中一路分支上的指令,超标量处理机MC88110的结构,单发射与多发射,单发射处理机: 每个周期只取一条指令、只译码一条指令,只执行一条指令,只写回一运算结果 取指
8、部件和译码部件各设置一套 可以只设置一个多功能操作部件,也可以设置多个独立的操作部件 操作部件中可以采用流水线结构,也可以不采用流水线结构 设计目标是每个时钟周期平均执行一条指令,ILP的期望值1,单发射处理机的指令流水线时空图,单发射与多发射(续),多发射处理机: 每个周期同时取多条指令、同时译码多条指令,同时执行多条指令,同时写回多个运算结果 需要多个取指令部件,多个指令译码部件和多个写结果部件 设置多个指令执行部件,复杂的指令执行部件一般采用流水线结构 设计目标是每个时钟周期平均执行多条指令,ILP的期望值大于1,多发射处理机的指令流水线时空图,超标量处理机: 一个时钟周期内能够同时发射
9、多条指令的处理机称为超标量处理机 必须有两条或两条以上能够同时工作的指令流水线 先行指令窗口: 能够从指令Cache中预取多条指令 能够对窗口内的指令进行数据相关性分析和功能部件冲突的检测 窗口的大小:一般为2至8条指令 采用目前的指令调度技术,每个周期发射2至4条指令比较合理,举例,Intel公司的i860、i960、Pentium处理机, Motolora公司的MC88110处理机,IBM公司的Power 6000处理机等每个周期都发射两条指令 TI公司生产的SuperSPARC处理机以及Intel的Pentium III处理机等每个周期发射三条指令 操作部件的个数多于每个周期发射的指令条
10、数。4个至16个操作部件 超标量处理机的指令级并行度:1ILPm;m为每个周期发射的指令条数。,超流水线处理机,两种定义: 一个周期内能够分时发射多条指令的处理机称为 超流水线处理机。 指令流水线有8个或更多功能段的流水线处理机称为超流水线处理机。 提高处理机性能的不同方法: 超标量处理机是通过增加硬件资源为代价来换取处理机性能的。 超流水线处理机则通过各硬件部件充分重叠工作来提高处理机性能。 两种不同并行性: 超标量处理机采用的是空间并行性 超流水线处理机采用的是时间并行性,指令执行时序,每隔1/n个时钟周期发射一条指令,流水线周期为1/n个时钟周期 在超标量处理机中,流水线的有些功能段还可
11、以进一步细分 例如:ID功能段可以再细分为译码、读第一操作数和读第二操作数三个流水段。也有些功能段不能再细分,如WR功能段一般不再细分。 因此有超流水线的另外一种定义:有8个或8个以上流水段的处理机称为超流水线处理机,超流水线处理机(续),每个时钟周期分时发送3条指令的超流水线,举例: MIPS R4000,MIPS R4000处理机每个时钟周期包含两个流水段,是一种很标准的超流水线处理机结构。指令流水线有8个流水段 有两个Cache,指令Cache和数据Cache的容量各8KB,每个时钟周期可以访问Cache两次,因此在一个时钟周期内可以从指令Cache中读出两条指令,从数据Cache中读出
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