新型计算机结构

2020年1月14日星期二 1 第1章计算机系统的设计基础第2章数据表示与指令系统第3章输入输出系统第4章存贮系统第5章流水技术和向量处理第6章并行处理技术第7章新型计算机结构 2020年1月14日星期二 2 本章学习要求 了解几种非传统计算机结构的概念和工作原理掌握数据流计算机的工作原理和结构特点了解人工智能计算机的研制情况 2020年1月14日星期二 3 第7章新型计算机结构 脉动阵列计算机数据流计算机归约机人工智能计算机 2020年1月14日星期二 4 7 1脉动阵列计算机 脉动阵列结构是由一组相同的处理单元PE构成的阵列机 每个PE可完成少数基本的算术逻辑运算操作工作原理 阵列内所有处理单元的数据锁存器都受同一个时钟控制 运算时数据在阵列结构的各个处理单元间沿各自的方向同步向前推进 就像血液受心脏有节奏地搏动在各条血管中同步向前流动一样 2020年1月14日星期二 5 脉动阵列机主要适用要求计算量很大的信号 图像的处理 以及某些特定计算类算法题目的求解 特别是需要对大量数据执行重复计算的运算受限类问题的求解 根据具体计算的问题不同 脉动阵列可以有一维线形 二维矩形 六边形 二叉树形三角形等阵列互连构形 2020年1月14日星期二 6 脉动式二维阵列流水机 2020年1月14日星期二 7 1 i 3 1 j 3 现有矩阵A B如下 要在二维脉动阵列机上求两矩阵的乘积C 其中 在图中给出了在t1 t2 t3时刻送入数据 到t6时 从45 方向上将同时输出的值 t7时输出的值 t8时输出的值 可以看出 总共只需用8拍就可以完成两个3 3矩阵相乘 比单处理机上循环执行所需的27拍 速度提高了两倍多 2020年1月14日星期二 8 a11a12a1300t1 0a21a22a230t2 00a31a32a33t3 0 0 0 0 0 t100b31b21b11 t20b32b22b120 t3b33b23b1300 2020年1月14日星期二 9 脉动阵列计算机具有如下特点 1 结构简单 规整 模块化强 可扩充性好 非常适合于超大规模集成电路的实现 2 PE间数据通信距离短 规则 使数据流和控制流的设计 同步控制简单规整 3 具有极高的计算并行性 可通过流水获得很高的运算效率和吞吐率 4 脉动阵列结构的构形与特定的计算任务和算法密切相关 限制了其应用范围 脉动阵列机的发展目标 研制通用型脉动阵列机 2020年1月14日星期二 10 7 2数据流计算机 数据流计算机的基本工作原理数据流程序图和数据流语言数据流计算机的基本结构数据流计算机存在的主要问题 2020年1月14日星期二 11 7 2 1数据流计算机的基本工作原理 数据驱动的数据流方式 只要一条或一组指令所要求的操作数全部准备就绪 就可立即激发相应的指令或指令组执行 特点 指令的执行基本上是无序的 完全受数据流的驱动 没有程序计数器PC 取而代之的是 数据令牌 数据令牌 是一种表示某一操作数或参数已准备就绪的标志 2020年1月14日星期二 12 7 2 2数据流程序图和数据流语言 数据流程序图 是一种用来表示指令级的数据流程序的有向图 directedgraph 它由多个结点 node 和一些连接它们的弧所组成 它说明了指令之间执行顺序的约束条件 数据流程序图中的结点除表示一般的算术逻辑操作外 还可表示常数产生 复制操作 判定操作和控制操作等 2020年1月14日星期二 13 数据流程序图中常用的结点 1 算逻运算结点 算术运算结点 加 减 乘 除 加l 减1等布尔运算结点 与 或 异或 非等 2020年1月14日星期二 14 2 常数结点 常数结点的功能是用来产生一个常数 常数产生结点没有输入端 只有一条输出线 激发后 2 数据令牌 一般表示 数据复制 控制复制 3 复制结点 数据复制结点 图中圆点和箭头用实心表示 控制量 布尔量 复制结点 图中的圆点和箭头用空心表示 2020年1月14日星期二 15 4 控制操作结点 T门控结点 F门控结点 T门控 仅当布尔控制端为真 且输入端有数据令牌时才能激发 然后在输出端产生数据令牌而输入端的数据令牌消失 F门控 仅当布尔控制端为假 且输入端有数据令牌时才能激发 然后在输出端产生数据令牌而输入端的数据令牌消失 2020年1月14日星期二 16 开关门控结点 归并门控结点 2020年1月14日星期二 17 5 条件判断结点 判断输入数据 通常是单个或两个 是否满足某种条件 如输入数据是否小于 等于 大于0 两个输入数据的大小比较等 当满足条件时 将在输出端产生T的控制令牌 否则便产生F的控制令牌 利用上述常用结点 可以画出一些程序结构的数据流程图 2020年1月14日星期二 18 Z Z X YX 0Z X YX 0 数据流程序图举例 问题 图中有多少个结点 出现了多少种结点 复制 判断 开关 控制复制 算术运算 归并 2020年1月14日星期二 19 数据流语言 数据流语言的结构类似于命令式程序设计语言 但又要能方便地被编译成数据流程图 数据流语言大都是单赋值语言 单赋值的含义是指 在程序中每个变量只能赋值一次 即同一变量在赋值语句的左部只允许出现一次 不允许对同一变量进行多次赋值 常用的数据流语言有美国的ID和VAL 法国的LAU以及英国曼彻斯特大学的SISAL语言等 2020年1月14日星期二 20 数据流语言举例 对于点积操作 用ID语言则可写成如下的过程 procedureinner product a b n initialS 0forifrom1tondonewS S a i b i returnS 2020年1月14日星期二 21 7 2 3数据流计算机的基本结构 依据处理数据令牌的不同 数据流机可分成静态和动态两大类 静态数据流机的数据令牌不带任何标号 在任何一条弧上只允许存在一个数据令牌 动态数据流机的数据令牌带有标号 这样就可使数据流程序图中的任一条弧上同时存在带有不同标号 或称颜色 的数据令牌 2020年1月14日星期二 22 静态数据流计算机 2020年1月14日星期二 23 动态数据流计算机 由于任一条弧上同时存在带有不同标号 或称颜色 的数据令牌只要对令牌标号进行符合比较就可加以识别 为此 需要有一个称为匹配部件的硬件机构将标号附加到数据令牌上 并完成标号的匹配工作 2020年1月14日星期二 24 7 2 4数据流机存在的主要问题 1 指令级的数据驱动导致每条指令的执行有较大的时间开销 因为在运行时需要对每一个和每一次操作进行数据相关分析 2 由于数据流程序的操作包代码长度较长 将占用较多的存储空间 3 当机器规模变大时 接到转接网络上的流水环数将增加 从而使转接网络变成系统性能的新瓶颈口 2020年1月14日星期二 25 7 3归约机 归约机和数据流机一样 都是基于数据流的计算模型 只是其采用的驱动方式不同 数据流机是采用数据驱动 执行的操作序列取决于输入数据的可用性 归约机则是需求驱动 执行的操作序列取决于对数据的需求 对数据的需求又来源于函数式程序设计语言对表达式的归约 Reduction 2020年1月14日星期二 26 7 3 1函数式程序设计语言 函数式语言是由所有函数表达式的集合 所有目标 也是表达式 的集合及所有由函数表达式到目标的函数集合三部分组成 函数是其基本成分 是从一批目标到另一批目标的映射 从函数程序设计的角度看 一个程序就是一个函数的表达式 通过定义一组 程序形成算符 Program FormingOperators 可以用简单函数 即简单程序 构成任意复杂的程序 也就是构成任意复杂函数的表达式 2020年1月14日星期二 27 以表达式z y 1 y x 为例 可以理解成z f u 而f u 等价于g v h w 其中g V y 1 h w y x 也就是说 函数z f u 的求解可归约成求两个子函数g v 和h w 的积 而g v 和h w 又可以分别继续向下归约 针对函数程序设计语言的特点和问题来设计支持函数式程序运行的新计算机 这就是归约机 2020年1月14日星期二 28 7 3 2面向函数式语言的归约机 归约机按其归约模型可分为串归约 StringReduction 机和图归约 GraphReduction 机两类 两者的区分主要是对函数表达式所使用的存储方式不同 前者以字符串形式存储而后者则以图的形式存储 2020年1月14日星期二 29 z 串归约 z 图归约 以表达式z y 1 y x 为例 假定x和y分别赋以2和5 28 4 7 5 5 2 2020年1月14日星期二 30 串归约特点 是一种不断地在定义表达式集合中去查找和复制的过程 而且对每次函数作用都要重复执行 因而时间和空间的辅助开销都比较大 图归约方式与串归约方式主要的不同在于 定义表达式时设置了Z 1 Z 2等指针 这样 下一层作用的返回结果将直接取代上一层作用的自变量 省去了归约时的复制开销 同时 实现了自变量返回值的共享 不用对同一函数作用重复执行 就可以直接引用此函数求值的结果 归约方式体现了按需求驱动的思想 根据对函数求值的需求来激活相应指令 2020年1月14日星期二 31 7 4人工智能计算机 人工智能计算特征AI计算机的分类AI计算机的研究进展RWC研究计划 2020年1月14日星期二 32 7 4 1人工智能计算特征 1 AI计算的主要对象是符号而不是数值2 AI计算是非确定计算3 AI计算是动态进行的4 具有并行和分布处理的巨大潜力5 知识管理问题 2020年1月14日星期二 33 AI处理的基本要点 有关知识的获取 表示和智慧地加以使用 知识处理 知识的获取 AI系统应能从视觉 声音和书写等各种信息源获取信息 由于这些信息的来源往往是不完整 不精确甚至是相互矛盾的 因此必须对它们进行止确的识别和理解 知识的表示 主要是对有关对象 关系 目标 动作以及处理过程的信息加以编码 形成数据结构和编写成过程 知识的处理 主要用于问题求解 逻辑演绎和情报检索等 2020年1月14日星期二 34 7 4 2AI机的分类 1 基于语言的AI计算机2 基于知识的AI计算机3 连接式 Connectionist AI计算机4 带智能接口的AI计算机 2020年1月14日星期二 35 7 4 3AI计算机的研究进展 日本五代机的研究计划分三个阶段进行 第一阶段为3年 主要是对并行推理机的基本结构 并行推理机制以及知识库机结构等进行研究和模拟试验 第二阶段用了4年时间 侧重研究并行推理机PIM Parallelinferencemachine 以及知识库子系统的管理软件系统 最后阶段的3年 主要是构成一个智能信息处理系统 它以VLSI技术实现的知识库机和并行推理机为硬件核心 并配以基本核心软件和应用软件 2020年1月14日星期二 36 7 4 4RWC研究计划 所谓