计算机系统结构 第 3 章 流水线技术_向量.ppt

3.6 向量流水技术 （第3章 续） 向量处理机是具有向量数据表示和向量指令系统的处理机。 向量处理机是解决数值计算问题的一种高性能计算机。 向量处理机属大型或巨型机，也可以用微机加一台向量协处理器组成。 向量处理机一般都采用流水线结构，通常有多条并行工作的流水线。 必须把要解决的问题转化为向量运算，才能发挥向量处理机的效率。 3. 6.1 向量流水机的基本系统结构 1. 标量流水线的局限性 处理机不具有向量数据表示，仅对标量数据进行流水处理。向量的处理通过标量循环程序完成。所以， (1) 流水线工作的时钟周期不可能取得很短。 (2) 取指令及译码的速率受限。 即在一个时钟周期内最多只能启动一条指令，通常称为Flynn瓶颈。 2. 向量流水线 处理机具有向量数据表示，可通过向量指令对向量中的各元素进行流水处理。 3.6.1.1 向量流水处理的主要特点 (1) 在向量操作中，每个当前结果向量元素的计算与以前结果向量元素的计算是相互独立的，有利于发挥流水线的性能，允许向量流水线有较深的深度。 (2) 一条向量指令相当于一个标量循环，可降低对指令访问带宽的要求，也消除了由循环转移可能引起的控制相关。 (3) 若向量指令所要访问的向量元素均相邻，则可利用多模块、交叉存取的方法加快向量元素的存取速度，减少访存等待时间的开销。 在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。 向量流水机可使访存和有效地址计算流水化。 高档的向量机允许多个向量操作同时进行，从而可开发对不同元素进行多个向量操作的并行性。 3.6.1.2 向量机的基本系统结构 向量机系统结构的分类 ① 存储器 — 存储器工作方式向量机 向量操作的源向量和目的向量都取自或存放到主存中。 ② 寄存器 — 寄存器工作方式向量机 向量操作的源向量和目的向量都取自或存放到向量寄存器中。 典型的向量机基本系统结构 向量机主要由标量流水部件和向量流水部件组成，包含了向量功能部件、向量取存部件、向量寄存器或向量缓冲部件、标量寄存器、标量处理部件以及向量控制器等部件。 向量处理机的典型结构图 例：一个典型向量求解问题： Y＝a×X＋Y 其中X和Y为向量，初始值存放在存储器中，a为标量。 采用双精度运算时的算法：a乘X后再加Y。 若用标量机运算，需要用标量指令对向量中的每个元素进行一次乘、加和存储操作，并且为了实现循环操作，每次必须要指明对X和Y中元素位置的下标变量进行增量，并使操作次数每次减1，以判别循环是否结束。 设X和Y向量的首地址分别存放在Rx和Ry中，当向量元素长度为64时，用标量机处理的循环程序段为： LD F0，a ；标量a装入F0 ADDI R4，Rx，#512 ；将向量元素的末地址装 ；入R4中 LOOP：LD F2，0(Rx) ；取向量元素X(i) MULD F2，F0，F2 ；a与X(i)相乘 LD F4，0(Ry) ；取向量元素Y(i) ADDD F4，F2，F4 ；aX(i)与Y(i)相加 SD 0(Ry)，F4 ；存结果向量元素 ADDI Rx，Rx，#8 ；增量向量元素X下标 ADDI Ry，Ry，#8 ；增量向量元素Y下标 SUB R20，R4，Rx ；R4－Rx→R20，计算是  ；否到达限界值 BNZ R20，LOOP ；若循环未结束，转LOOP 用向量机完成同样操作： LD F0，a ；标量a装入F0 LV V1，Rx ；装入向量X，LV为向 量取指令 MULTV V2，F0，V1 ；向量X与标量a相乘 LV V3，Ry ；装入向量Y ADDV V4，V2，