向量流水处理机
计算机系统结构-向量处理机
WENKU DESIGN
定义与特点
定义
向量处理机是一种特殊类型的计算 机系统，专门设计用于高效处理大
规模数据集，特别是向量数据。
并行处理
能够同时处理多个数据项，大 大提高了处理速度。
内存优化
具有大容量内存和快速内存访 问，以支持大规模数据处理。
专门化硬件
拥有专门为向量运算设计的硬 件，如向量寄存器、乘法器等
03
工具和技术支持。
并行度更高
01
更高并行度的处理器能够同时处理多个任务，提高计算速度 和效率。
02
并行度的提高需要更高效的线程管理和调度技术，以避免资 源冲突和死锁。
03
并行度的提高也带来了数据一致性和同步的挑战，需要更严 谨的设计和实现。
内存墙问题
内存墙问题是指随着处理器性能的提高，内存带宽和延迟成为系统瓶颈， 限制了处理器性能的发挥。
向量处理机的性能优化
REPORTING
WENKU DESIGN
数据预取技术
预测算法
通过分析历史数据，预测未来数 据访问模式，提前从内存中取出 数据放入缓存中。
智能预取
利用AI技术进行数据预取，根据 程序运行时的行为特征，自动识 别出访问模式，提前预取数据。
指令流预取
根据指令流信息，预测即将访问 的数据，提前从内存中取出数据 放入缓存中。
PART 06
向量处理机的发展趋势与 挑战
REPORTING
WENKU DESIGN
向量化程度更高
01
向量化程度更高的处理器能够执行更复杂的计算任务，提高计 算效率和精度。
02
高向量化程度的处理器需要更高效的编译器和优化技术，以充
分发挥其性能。
向量处理机
向量处理机向量处理机（vector computer），面向向量型并行计算，以流水线结构为主的并行处理计算机。
向量是计算机系统中经常使用的一种数据类型，向量由一组有序、具有相同类型和位数的元素组成。
采用先行控制和重叠操作技术、运算流水线、交叉访问的并行存储器等并行处理结构，对提高运算速度有重要作用。
但在实际运行时还不能充分发挥并行处理潜力。
向量运算很适合于流水线计算机的结构特点。
为了成分发挥流水线处理机的效率，实现高性能计算，有得流水线处理机设置了向量数据表示和相应的向量指令，这就是所谓的向量处理机。
向量型并行计算与流水线结构相结合，能在很大程度上克服通常流水线计算机中指令处理量太大、存储访问不均匀、相关等待严重、流水不畅等缺点，并可充分发挥并行处理结构的潜力，显著提高运算速度。
内容简介：向量处理机（vector computer），面向向量型并行计算，以流水线结构为主的并行处理计算机。
向量运算是一种较简单的并行计算，适用面很广，机器实现比较容易，使用也比较方便，因此向量处理机(向量机)获得了迅速发展。
TI ASC(1972年)和CDC STAR-100 (1973年）是世界上第一批向量巨型计算机（巨型机）。
到1982年底，世界上约有60台巨型机，其中大多数是向量机。
中国于1983年研制成功的每秒千万次的757机和亿次的“银河”机也都是向量机。
向量机适用于线性规划、傅里叶变换、滤波计算以及矩阵、线性代数、偏微分方程、积分等数学问题的求解，主要解决气象研究与天气预报、航空航天飞行器设计、原子能与核反应研究、地球物理研究、地震分析、大型工程设计，以及社会和经济现象大规模模拟等领域的大型计算问题。
1.向量的运算：在普通计算机中，机器指令的基本操作对象是标量，而向量机除了有标量处理功能外还具有功能齐全的向量运算指令系统。
对一个向量的各分量执行同一运算，或对同样维数的两个向量的对应分量执行同一运算，或一个向量的各分量都与同一标量执行同一运算，均可产生一个新的向量，这些是基本的向量运算。
计算机体系结构期末复习
计算机体系结构期末复习资料1.并行性：是指在同一时刻或者是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作。
2.CPI：每条指令执行时所花费的平均时钟周期。
3.体系结构：即计算机的属性，即概念性结构与功能特性。
4.Amdahl定理：加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。
5.信息存储的整数边界：信息在主存中存放的起始地址必须是该信息（字节数）的整数倍。
6.指令系统的正交性：指在指令中各个不同含义的字段，在编码时应互不相关，相互独立。
7.流水线技术：是指将一个重复的时序过程，分解成为若干子过程，而每个过程都可有效在其专用功能段上与其他子过程同时执行。
8.定向技术：在某条指令产生一个结果之前，其他指令并不直接需要该计算结果，如果能将该计算结果从其他产生的地方直接送到其他指令需要它的地方，那么就可以避免暂停的技术就叫定向技术。
9.相关：衡量两个随机变量之间相关程度的指标。
10.向量流水处理机：是指处理机具有向量数据表示并通过向量指令对向量的各元素进行处理。
、11.定向：将计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要它的地方，或所有需要它的功能单元，避免暂停。
12.指令集的并行：当指令之间不存在相关时，它们在流水线中是可以重叠起来并行执行。
13.记分牌技术：流出和读操作数。
在没有结构冲突时,尽可能早地执行没有数据冲突的指令,实现每个时钟周期执行一条指令。
如果某条指令被暂停,而后面的指令与流水线中正在执行或被暂停的指令都不相关,是这些指令可以跨越它,继续流出和执行下去。
14.Tomasulo算法：寄存器换名是通过保留站和流出逻辑来共同完成,当指令流出时,如果其操作数还没有计算出来,则该指令中相应的寄存器换名将产生这个操作数的保留站的标识。
因此,指令流出到保留站后,其操作数寄存器或者换成了数据本身,或换成了保留站的标识,和寄存器无关。
后面指令对该寄存器的写入操作就不会产生WAR冲突。
计算机体系重叠流水和向量处理机
计算机体系重叠流水和向量处理机1. 引言计算机体系结构是指计算机硬件和软件组成的总体结构，其中包含了各个组件之间的互连关系、指令执行过程和数据传输方式等。
在计算机体系结构中，重叠流水和向量处理机是两种常见的优化技术，它们可以显著提升计算机的性能和效能。
2. 重叠流水技术重叠流水是一种通过将指令执行过程划分为多个阶段，并在不同阶段同时执行不同的指令来实现指令级并行的技术。
重叠流水的核心思想是任务重叠，即在当前指令执行的同时，下一条指令的取指阶段已经开始，上一条指令的结果也可以被下一条指令使用。
重叠流水主要包含以下几个阶段： - 取指（Instruction Fetch）：从内存中取得当前指令。
- 译码（Instruction Decode）：对指令进行解码，并获取操作数。
- 执行（Execution）：对指令所需的操作数进行运算，得到结果。
- 访存（Memory Access）：根据需要，读取或写入内存中的数据。
- 写回（Write Back）：将结果写回到目标寄存器。
2.1 重叠流水的优势重叠流水技术的优势主要表现在以下几个方面： - 提高了指令级并行处理的能力，加快了程序的执行速度。
- 充分利用了硬件资源，提高了系统的效率和吞吐量。
- 可以将计算任务划分为多个小任务，提高了系统的可扩展性和可移植性。
2.2 重叠流水的限制重叠流水技术虽然可以提高计算机的性能，但也存在一些限制： - 指令之间的依赖关系会影响重叠流水的效果，当一个指令的结果需要被后续指令使用时，需要等待该指令执行完成，从而降低了并行的效果。
- 分支指令（如if、for循环等）会导致流水线的中断和重新调整，影响了流水线的效率。
- 数据冒险（Data Hazards）和控制冒险（Control Hazards）也会对重叠流水的效果造成影响。
3. 向量处理机技术向量处理机是一种以向量为基本数据单位，以向量操作为基本操作，通过向量指令和向量寄存器实现的高性能处理机。
哈工大—并行处理—第二章流水线处理机和向量处理机
1 2 3 4
T0=m. Δt0
(m-1). Δt0
2 3 4 5 时间
n.Δt0
段数 m=4
第1个任务从流入到流出需要T0=m. Δt0的流水建 立时间；之后每隔Δt0流出一个任务。完成n个任务共 需时间 T= m .Δt0+(n-1). Δt0
实际吞吐率为：
n 1 TP= = m .Δt0+(n-1). Δt0 Δt0(1+ =
m
△ α i· t i)
i =1
α i[ Δt i (n 1)Δt j]
i 1
m
对于复杂的非线性流水线，吞吐率和效率需要通过 画实际的时空图才能用下面两个式子求得：
▲
TP=
任务数n
从开始流入到n个任务全部流出的时间T
η=
N个任务的总的加权时空区 m 个段的总的加权时空区
如果线性流水线各段经过的 tc不等，其中瓶颈的时 间为 tj，则完成几个任务所能达到的实际吞吐率
η1= η2=… ηm=
n△t0 T
=
n =η0 m+n-1
●整个流水线的效率为η=
η1+η2+…+ηm m
= m.n△t0 m.T
=η0
▲
若各段经过时间均相同的线性流水，其效率与吞吐率 是成正比的，即: η=TP·△t0 n>>m时，η才趋近于1
▲如果流水线各段经过的时间不等，各段的效率就会不等。
时
空图
2a
入
1
Δt0
出
2b 2c 3 Δt0 3
Δt0
4
Δt0
空间
4
3 2c
2b 2a
1 1
流水线技术-向量处理机
向量处理机概述
向量处理机是一种专门用于处理大规模向量运算的计算机系 统。它通过并行处理多个数据元素，能够高效地完成矩阵运 算、信号处理、图像处理等计算密集型任务。
流水线并行处理
01
02
03
数据并行
将数据划分为多个子集， 每个子集在流水线的一个 阶段进行处理，实现数据 并行处理。
任务并行
将任务划分为多个子任务， 每个子任务在流水线的一 个阶段进行处理，实现任 务并行处理。
指令并行
在同一时间内，流水线可 以执行多个指令，实现指 令并行处理。
流水线冲突解决
数据冲突
并行处理单元
增加并行处理单元，如多核处理器、GPU等，进一步提高计算性能。
05
流水线技术-向量处理机的应用场景
科学计算
数值模拟
向量处理机在科学计算中广泛应用于数 值模拟，如流体动力学、气象预报、地 震数据处理等。
VS
统计分析
向量处理机能够高效处理大规模数据集， 适用于统计分析、数据挖掘等领域。
图像处理
图像增强
向量处理机能够并行处理像素数据，适用于 图像增强技术，如锐化、色彩校正等。
图像分析
在图像识别和目标检测等任务中，向量处理 机能够加速特征提取和比对过程。
机器学习
模型训练
向量处理机能够高效处理大规模数据和矩阵运算，适用于机器学习模型的训练和推理。
并行算法
向量处理机支持并行算法，能够加速机器学习算法的实现和优化。
向量处理机通常采用特殊的硬件架构和指令集，以最大化并 行处理能力。它通过将数据存储在特殊的向量寄存器中，并 执行一组长指令来处理这些数据，从而实现高效的向量计算 。
计算机系统结构--向量处理机
如果程序的90％是向量运算，10％是标 量运算。则向量平衡点为0.9。硬件利用 率最高。 向量处理机的向量平衡点必须与用户程序 的向量化程度相匹配。 IBM向量计算机的设计思想与上述方法不 同，它维持较低的向量与标量比例，定 在3～5的范围之间。这种做法能够适应 通用应用问题对标量和向量处理要求。
6.2.1 存储器－存储器结构
向量处理机中有多个高速流水线运算部件， 存储器的访问速度是关键 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个存储体交叉， 每个存储体并行读出8个64位数据 我国研制的YH-1向量计算机有37个 存储体
把存储器-存储器结构中的缓冲栈改为向量 寄存器，运算部件需要的操作数从向量 寄存器中读取，运算的中间结果也写到 向量寄存器中。 向量寄存器与标量寄存器的主要差别是： 一个向量寄存器能够保存一个向量， 例如：64个64位寄存器。 连续访问一个向量的各个分量。 需要有标量寄存器和地址寄存器等。
采用寄存器-寄存器结构的主要优点：降低 主存储器的流量。 例如：采用寄存器-寄存器结构的 CRAY-1与采用存储器-存储器结构的 STAR-100比较，运算速度高3倍多，而 主存流量低2.5倍。 STAR-100的主存储器流量： 32×8W/1.28us=200MW/S CRAY-1的主存储器流量： 4W/50ns=80MW/S
6.3 向量处理方式
要根据向量运算的特点和向量处理机的 类型选择向量的处理方式。 有三种处理方式： 1．横向处理方式，又称为水平处理方 式，横向加工方式等。向量计算是按 行的方式从左至右横向地进行。 2．纵向处理方式，又称为垂直处理方 式，纵向加工方式等。向量计算是按 列的方式自上而下纵向地进行。 3．纵横处理方式，又称为分组处理方
第4章 流水技术与向量处理
3．同步 分析与执行所需的时间不同，要求的是一次 重叠 一 次 重 叠 ： 任 何 时 间 都 是 “ 分 析 K+1” 与 “执行K”的重叠 =>相邻两条指令的重叠
分析K 执行K 分析K+1 执行K+1
T=(n+1)t
2018/11/17 14
4．转移
无条件转移 / 条件转移 当转移成功时，重叠预 取无效，变为顺序执行 应尽可能不使用或少使用条件转移指令
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3、流水线的预约表
时间 流水段
1
X
2
3
4
X
5
6
7
X
S1 S2
X
X
S3
S4
X
X
X
2018/11/17
24
三、流水线工作方式
1、流水线的结构
流水线的基本结构中主要包括三大部分：锁存器、时钟、 功能段。
流水线中每个段都是由一些执行算术和逻辑功能的组合逻 辑线路组成的，它们可以互相独立地对流过的信息进行某种操 作，相邻两站由高速锁存器（ latch ）隔开，信息在各段间的 流动靠同时送到各站的时钟信号来控制。
2018/11/17 7
指令的重叠解释与先行控制
• 计算机系统中广泛存在着重叠工作方式 • 指令的解释方式一般只有三种：顺序、 重叠和流水 • 重叠和流水给指令的执行带来了高的吞 吐率和加速比，同时也给系统增加了障 碍
2018/11/17
8
指令的解释过程
ALU LOAD/STORE
取指
译码、读寄存器堆
5．相关
邻近指令之间出现某种关联，为避免出错而不 能同时执行的现象。
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重庆大学计算机学院
计算机系统结构
向量流水处理机的结构
• 按向量元素和结果存放分M-M和R-R两类。 • 存储器－存储器结构
–多个独立的存储器模块并行工作 –处理机结构简单 –对存储系统的访问速度要求很高
• 寄存器－寄存器结构
–运算通过向量寄存器进行 –需要大量高速寄存器 –对存储系统访问速度的要求降低
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计算机系统结构
向量流水处理机的结构
基本结构 主
向量存取 部件
标量寄存器
标量功能部件
向量功能部件
向量寄存器/ 向量缓冲器
向量指令 控制部件
向量功能部件
存
指令 处理部件
向量功能部件
控制部分：控制部件和缓冲部件（中间REG） 标量流水：功能部件和标量寄存器(S) 向量流水：功能、存取部件和寄存器(V、VM、VL)
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计算机系统结构
纵横处理法
• 当向量长度N大于向量寄存器长度n时，需要分组 处理。 • 分成k组，组内采用纵向处理方式，组间采用横向 处理方式。 • 分组方法： n=k*m+r
其中：m为每组长度，r为第k+1组剩余分量 Bi+CiKi Ki*AiDi …… Bi+CiKi Ki*AiDi …… (1到m) (1到m) (m+1到2m) (m+1到2m)
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计算机系统结构
纵横处理法
• 每组用两条向量指令， • 每组发生相关两次，其中组内发生数据相 关一次，组间切换时发生相关一次。 • 主要优点：
–减少访问主存储器的次数 例如：中间变量K不写入主存储器
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重庆大学计算机学院
计算机系统结构
• 向量处理的基本概念 • 向量流水处理机的结构 • 提高向量流水处理机性能的方法
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计算机系统结构
纵向处理法
用向量指令形式来表示，则变成： K＝ B＋ C D＝ K× A • 只需要两条指令就能实现 VADD B， C， K VMUL K， A， D • 显然，当采用流水方式计算时，数据相关 在两条向量指令间仅有1次，而流水线加、 乘功能的切换只需1次。因此，纵向处理方 法可获得较高的吞吐率，适合于在向量处 理机中应用。
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重庆大学计算机学院
计算机系统结构
存储器-存储器结构
• 向量处理机的基本思想是把两个向量的对应分量 进行计算，产生一个结果向量。 • 参加运算的向量数据在存储器中，运算的结果也 送到存储器中，其结构与数据流的示意图如下图 所示。如果以向量加法为例子：C=A+B
A B C
流水线运算部件
多端口 存储系统
• 要根据向量运算的特点和向量处理机的类型选择 向量的处理方式。
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计算机系统结构
向量处理方式
• 例如：向量计算：A*(B+C) 的 循环程序 用C语言为 for(i=1; i<=n; i++) di= ai * (bi+ci)
• 水平处理法(横向)
d1=a1*(b1+c1) d2=a2*(b2+c2) · · dn=an*(bn+cn)
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计算机系统结构
向量处理方式
• 有三种处理方式：
–横向处理方式，又称为水平处理方式，横向加工方式 等。向量计算是按行的方式从左至右横向地进行。 –纵向处理方式，又称为垂直处理方式，纵向加工方式 等。向量计算是按列的方式自上而下纵向地进行。 –纵横处理方式，又称为分组处理方式，纵横向加工方 式等。横向处理和纵向处理相结合的方式。
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重庆大学计算机学院
计算机系统结构
水平处理法
• 假设中间结果为t(i) • 计算第1个分量： t(1) ＝b(1)＋c(1) d(1) ＝a(1)×t(1) • 计算第2个分量： T(2) ＝b(2)＋c(2) d(2) ＝a(2)×t(2) • …… • 计算第N个分量： t(N) ＝b(N)＋c(N) d(N) ＝a(N)×t(N) • 当采用流水方式计算 时，在每个向量加乘 运算中都会发生数据 相关。而且当使用静 态流水线时，还要进 行2次乘和加功能的转 移。这样共出现N次相 关，2N次功能转换。 因此，横向处理方法 不适合于向量流水处 理。
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重庆大学计43;B向量处理时序图
功能部件4 功能部件3 1 1 1 2 2 3 1 2 3 4 2 3 4 5 3 4 5 6 4 5 6 7 5 6 7 8 6 7 8 7 8 8
重庆大学计算机学院
计算机系统结构
计 算 机 系 统 结 构
第十四讲
向量流水处理机
重庆大学计算机学院
计算机系统结构
• 向量处理的基本概念 • 向量流水处理机的结构 • 提高向量流水处理机性能的方法
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计算机系统结构
向量处理的基本概念
• 从数学的概念上讲，标量是指单个量，而向量是 指一组标量。例如，有一个数组A＝（a1，a2， a3，…，an），其中括号内的每一个元素ai就是 一个标量。而A称为向量，它由一组标量组成。 • 一条向量指令可以处理N个或N对操作数。我们把 这N个互相独立的数叫做向量，对这样一组数的运 算叫做向量处理。因此，向量指令的处理效率要 比标量指令的处理效率高得多。
6
重庆大学计算机学院
计算机系统结构
纵向处理法
• 向量计算是按列的方式自上而下纵向地进行。 • 即先是所有B和C向量元素对的相加运算，中间结 果暂存到k1～kN中；然后再纵向加工所有对应元 素的乘法运算。 d1＝a1× （b1＋c1） k1 d2＝a2× （b2＋c2） k2 : dN＝aN× （bN＋cN） kN
一种能实现两个向量相加的流水结构的加法器
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重庆大学计算机学院
计算机系统结构
多模块存储器系统的向量处理机
a1 b1
M1 M2
M3 M4 A
加法流水线部件
1 2 3 4
B
M5
c1
C=A+B
M6
M7 M8
A、B、C的向量长度为8， 加法流水线分为4个功能段， 主存储器采取了8个存储体
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计算机系统结构
向量计算C=A+B的时空图
• 假设一个存取周期等于两个时钟周期，并 假设向量A、B、C各有8个，那么理想实现C ＝A＋B向量计算的时空图如图所示。 • 为了不发生读写冲突，各向量元素在存储 模块中的位置是有意安排的。由于运算流 水线分为4段，因此输入数据进入流水线4 个时钟周期之后才能产生相应的输出值。 当数据充满后，流水线就一直处于忙碌状 态。