《计算机系统结构》课程讲义教案第6章向量处理机

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1、第六章向量处理机6.1向量数据表示方式6.2向量处理机的结构6.3向量处理方式6.4向量处理机的关键技术6.5向量处理机实例6.6向量处理机的性能评价6.7向量处理机的发展6.1向量数据表示方式具有向量数据表示和向量指令系统的处理机称为向量处理机。向量处理机是解决数值计算问题的一种高性能计算机结构。向量处理机一般都采用流水线结构，往往有多条流水线并行工作。向量处理机通常属大型或巨型机，也可以用微机加一台向量协处理器组成。•般向量计算机中包括有一台高性能标量处理机。必须把要解决的问题转化为向量运算，向量处理机

2、才能充分发挥作用。6.1.1从标量到向量6.1.2等间距向量表示法6.1.3带位移量的向量表示法6.1.4稀疏向量表示法6.1.1从标量到向量例如：一个简单的c语言程序如下：for(i=10;i<=1010;i++)c[i]=a[i]+b[i+5];对于这个简单的循环程序，在一般标量处理机中需要如下指令序列来实现:采用多寄存器结构的两地址指令编写程序。存储器采用字节编址方式，字长为32位。A、B、C分别是向量a、b、c在内存中的起始地址。START:LOADRO,ST;读循环初值，10LOADRl,ED;读

3、循环终值，1010LOADR2,L;读内存地址增量，常数4MOVER3,R2MULR3,RO;向量偏移量，初始值为40LOOP：LOADR4,A(R3);读A向量的一个元素LOADR5,B(R3)ADDR4,R5STORER4,C(R3)ADDR3,R2INCR0CMPR0,R1BLELOOPHALTST：10ED：1010L：4・ENDSTART;读B向量的一个元素;写C向量的一个元素;改变向量偏移量;测试次数增1;测试循环是否结束；循环未结束转LOOP,否则继续;循环初值;循环终值;内存地址增量在标量处

4、理机上用10多条指令，其中有8条指令要循环100次如果在向量处理机上，可以只用一条指令：C（10：1010）=A（10：1010）+B（15：1015）一条向量指令可以处理N个或N对操作数。向量指令的处理效率要比标量指令的处理效率高得多。6.1.2等间距向量表示法Vi,oAVi,iA+fVi,2A+2fVi,l-iA+(L-l)f用三个参数表示一个等间距向量：向量起始地址：A；向量长度：L；向量间距：f例如：我国研制的银河向量机，有8个向量寄存器：V0〜V8每个向量寄存器由64个64位的寄存器组成存储器字长

5、64位，采用字节编址方式，则连续向量的间距为8。向量指令采用三地址形式：向量指令格式OP■1■JK向量加法指令VADD135Vi<-VjOPVk向量长度（VL）=50则实际完成的运算是：V3,00〜V3,49与V5,00〜V5,49分别相加，结果放在VI,00〜VI,49中。6.1.3带位移量的向量表示法用于STAR-100,CYBER-205等巨型机中内存采用位编址，字长32位。优点：带有位移，可变增量，稀疏向量用三个参数表示一个向量向量基地址：A向量长度：L向量位移量：f1FF80B-4起始地址个1FF

6、A0B-31FFC0B-2位移量丄41FFE0B-lI20000BO基地址120020Bl有效长度q20040B220060B31B向量:A=20000,L=4,f=-46.1.4稀疏向量表示法•定义：o元素很多，非o元素很少的向量称为稀疏向量•采用压缩方法存储可以节省存储空间。可以还原之后进行运算也可以用压缩方法直接进行运算例如：稀疏向量A压缩O压缩向量A00101001压缩位向量A稀疏向量BCO=BOC4=A4xB4C2=A2C7=A7xB7C4=A4+B4C7=A7+B7压缩位向量C=AaB00001

7、001压缩向量C=A+B压缩向量C=AxB压缩位向量C=AvB101010016.2向量处理机的结构•向量处理机的最关键问题是存储器系统能满足运算部件带宽的要求。主要采用两种方法：1.存储器一存储器结构。利用多个独立的存储器模块并行工作。2.寄存器一寄存器结构。主要运算通过向量寄存器中进行。6.2.1存储器一存储器结构•向量处理机中有多个高速流水线运算部件存储器的速度是关键•采用多个存储体交叉和并行访问来提高存储器速度例如：CRAY-1有64个存储体，每个处理机访问4个存储体。STAR-100采用32个存储

8、体交叉访问，每个存储体每个周期并行读岀8个64位数据。我国研制的YH-1向量计算机有37个存储体主存储器流水线运算部件•操作数缓冲栈和写结果缓冲栈主要用于解决访问存储器冲突虽然采用质数个存储体能够消除访问存储器的冲突，但是，数据经过多次运算之后，在存储体中分布必然发生改变。•主要优缺点：硬件结构简单，造价低。速度相对比较低。早期的向量处理多采用这种存储器■存储器结构，目前的向量协处理器一般采用存储器■存储器结。6