计算机系统结构 第9章 计算机体系结构的发展.ppt

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1、第9章计算机体系结构的发展内容提要:计算机科学与技术的发展非常迅速，一方面表现在传统的冯·诺依曼计算机上，即不断地提高它的容量、速度和处理能力；另一方面表现在对非冯·诺依曼计算机的研究上，即研究新的系统结构，以改变传统计算机的工作方式。在计算机系统结构的发展中，除了建立在传统计算机基础上的向量机、阵列机、并行多处理机之外，又相继出现了数据流机、归约机以及各种人工智能计算机。第9章计算机体系结构的发展9.1数据流计算机9.2归约机9.3人工智能计算机的研究与发展9.1数据流计算机9.1.1数据驱动原理9.1.2数据流计算机模型9.1.3数据流程序图

2、与数据流语言9.1.4数据流计算机举例9.1.1数据驱动原理冯·诺依曼计算机的设计思想是在程序计数器的集中控制下，顺序执行事先存入存储器中的程序，因此是以控制流的方式工作的，难以最大限度的发展计算的并行性。1.数据驱动为此，人们试图采用数据驱动（DataDriven）的方式来工作。即当一条或一组指令所需要的操作数完全准备就绪时，立即执行。执行的结果不送存储器，而是送往需要这一结果的指令，以便驱动该指令执行。在这种计算机中指令的执行完全由数据驱动，基本上是无序的，与指令在程序中的位置无关。2.数据流计算机指令结构在数据流计算机中，信息以操作包（Op

3、erationPacket）和数据令牌（DataToken）的形式出现。其中操作包由操作码、操作数地址和后续指令地址组成。而数据令牌实质上是一种表示某一操作数准备就绪的标志，由结果值、目的地址及数据到达标志组成，一旦执行某一指令的数据令牌到齐，该条指令即刻执行。其结果将送往哪一条指令的第几个操作数位置呢？这样，就产生了数据流计算机的指令，如图9.1所示。图9.1数据流计算机指令主要组成3.数据流驱动过程数据流计算机工作时，众多操作包和数据“令牌”在各资源部件之间传递，因而这种数据流计算机可视为信息分组通信的系统结构，具有分布式多处理机的组织形式。

4、它的操作包与数据令牌在系统中的传送示意如图9.2所示，完成运算a=(b+2)×(b-c)。每一个操作包所需要的数据到齐时，该操作即刻执行；而结果则按地址传送到后续指令中的指定位置。图9.2操作包与数据令牌传送示意图9.1.2数据流计算机模型按照对数据令牌的不同处理方式，数据流计算机可分为静态数据流计算机和动态数据流计算机。1.静态数据流计算机模型如图9.3所示，典型代表是由美国麻省理工学院（MIT）的JackDennis和他的实验人员首先提出来的MIT计算机。主要特点是数据令牌不带任何标号，而且在数据流程序图中的任何一条有向支线上只允许有一个数据

5、令牌，沿支线的方向流动。一个结点所有支线上的数据令牌都到达，且输出支线上没有数据令牌时，该结点被激发，称为点火（Firing）。图9.3静态数据流计算机模型为了不造成冲突，在任何一个时钟周期内只允许一个数据令牌在支线上流动。数据令牌从一个结点传送到另一个结点的顺序由另一种令牌（即控制令牌）来确定。在静态数据流计算机中，指令存储部件存放要执行的数据流程序，所有收到全部所需数据令牌的指令将由读出部件按更新部件送来的地址逐个取出，送到可执行指令队列中。这时若有空闲指令处理部件，分派程序将按先后次序把指令分派给处理部件，使之并发执行。执行结果将形成新的数

6、据令牌，送往更新部件，再按它们的目的地址送入指令存储部件中相应指令的相关位置。与此同时，更新部件将已收到所需数据令牌的指令地址传送给读出部件。这样，就构成一个循环流动。2.动态数据流计算机模型动态数据流计算机的模型如图9.4所示，典型代表有英国曼彻斯特大学的Manchester计算机和美国加州大学Irvine分校的Arvinds计算机。图9.4动态数据流计算机模型在动态数据流计算机中，数据令牌带有标号，因此同一支线上可同时有多个数据令牌流动。其中标号是在每一个数据令牌上附加的一个顺序号，用来唯一确定该数据令牌的状态。这样就不需要象静态数据流计算机

7、那样依赖控制令牌来确定指令间数据令牌的传送，而是通过对标号的符合比较来确定。为此，需要一个匹配部件将标号附加到数据令牌上，完成匹配工作。即由匹配部件将处理部件中各处理单元送来的结果数据令牌赋以相应的标号，并将流向同一指令的数据令牌匹配成组（或对），送往更新/读出部件，再由该部件将需要这些数据令牌的指令从指令存储器读出，组合成一条可执行的指令，送往可执行指令队列。由于动态数据流计算机给数据令牌赋以标号，可区分不同层次的迭代关系，因此可最大限度地开发数据流计算机的并行性。3.静态数据流计算机与动态数据流计算机性能比较二者采用了两种不同的通信与同步方式

8、。（1）静态数据流计算机特点数据令牌存放在更新部件的输入缓冲器中，并通过该部件传送给指令存储器。在指令存储器中按照数据令牌携带的目标地址