计算机系统结构 (2)ppt课件

1、第八章第八章 计算机系统构造计算机系统构造计算机组成原理内容简介内容简介 计算机系统构造是指机器言语一级的计算机系统构造是指机器言语一级的程序员所看到的计算机属性。本章详细引程序员所看到的计算机属性。本章详细引见流水线技术，包括先行控制技术、流水见流水线技术，包括先行控制技术、流水线原理、流水线性能分析、相关和相关的线原理、流水线性能分析、相关和相关的处置方法、超标量处置机和超流水线处置处置方法、超标量处置机和超流水线处置机等。讨论系统构造中的并行性问题、单机等。讨论系统构造中的并行性问题、单机和多机系统中并行处置的实现以及突破机和多机系统中并行处置的实现以及突破冯冯诺依曼型构造的新型计算机系

2、统构造。诺依曼型构造的新型计算机系统构造。从而了解新一代计算机的开展动向。从而了解新一代计算机的开展动向。 8-4 新型计算机系统构造8-3 多处置机8-2 向量处置机8-1 流水线技术本章主要内容流水线技术流水线技术 提高计算机的处置速度就要提高处置机指令执行的速度，人们采取的方法通常有三种：1提高处置机的任务主频。2采用更好的算法和设计更好的功能部件。3采用指令级并行技术。 3是目前和未来提高处置机指令执行速度的一条主要途径。8-1-1 先行控制技术先行控制技术1 1指令的重叠执行方式指令的重叠执行方式 处置机在执行多条指令时，有多种执处置机在执行多条指令时，有多种执行控制方式：顺序方式、

3、重叠方式、先行控制方式：顺序方式、重叠方式、先行控制方式、流水线控制方式等，我们行控制方式、流水线控制方式等，我们先从最简单的来讲。一条指令的执行过先从最简单的来讲。一条指令的执行过程可以分为多个阶段，通常，把程可以分为多个阶段，通常，把条指条指令的执行过程分为令的执行过程分为3 3个阶段。个阶段。 取指令 分析指令 执行指令时间 t 取指令阶段：按照指令计数器的内容访问主存储器，取出一条指令送到指令存放器。 分析指令阶段：对指令的操作码进展译码后，按照给定的寻址方式和地址字段中的内容构成操作数的地址，并用这个地址读取操作数，操作数能够在主存储器或存放器中。 指令阶段：是指根据操作码的要求，完

4、成指令规定的功能，在此期间，要把运算结果写到存放器或主存储器中。 指令的几种执行方式 假设取指令、分析指令和执行指令的时间都相等，每段的时间都为t，执行一条指令的时间为T1，那么T1=t取指令+t分析指令+t执行指令=3t， 1顺序执行方式如图82a所示，采用顺序执行方式执行n条指令所用时间为：Tn=3tn=3nt 2一次重叠执行方式如图82b图所示。这是一种最简单的重叠方式，把执行第k条指今与取第k十1条指令同时进展。那么执行n条指令所用的时间为： Tn=3t+2tn-1=1+2nt 3二次重叠执行方式。如图82c所示，我们假设把取第k十1条指令提早到与分析第k条指令同时进展，那么，分析第k

5、十l条指令会与执行第k条指令同时进展，那么执行n条指令所用的时间为：T=3t+tn-1=2+nt 采用一次重叠执行方式，指令的执行时间缩短了近二分之，而且各功能部件在并行任务，利用率明显提高。 采用二次重叠执行方式可以将指令的执行时间缩短近三分之二，进步提高了指令的执行速度。但是处置机中同时在取指令、分析和执行指令，因此，要把顺序执行方式中的一个集中的指令控制器分解为三个相对独立的控制器来同时发出三种控制信号，它们是主存储控制器，指令控制器，运算控制器。另外，在指令分析或指令执行过程中都要访问主存储器取指令，存在处理访问主存储器的冲突问题。 现代计算机的指令系统非常复杂，我们前面假设的情况是一

6、种理想形状，在实践当中，各种指令难以做到“分析与“执行时间一直相等，所以二次重叠执行方式是种理想的指令执行方式。2 2先行控制技术先行控制技术 要处理二次重叠执行方式中存在的访问主存储要处理二次重叠执行方式中存在的访问主存储器的冲突问题，方法有三种：器的冲突问题，方法有三种：第一，把主存储器分成两个独立编址的存储器，第一，把主存储器分成两个独立编址的存储器，一个专门存放指令，称为指令存储器，另一个专一个专门存放指令，称为指令存储器，另一个专门存放操作数，称为数据存储器。两个存储器同门存放操作数，称为数据存储器。两个存储器同时独立访问，处理了取指令和读操作数的冲突。时独立访问，处理了取指令和读操

7、作数的冲突。第二，指令和数据依然混合存放在同一个主存作第二，指令和数据依然混合存放在同一个主存作储器内，采用低位交叉存取方式。储器内，采用低位交叉存取方式。第三，处理访问存储器冲突的根本方法是处置机第三，处理访问存储器冲突的根本方法是处置机构造作较大的改动，采用先行控制技术。构造作较大的改动，采用先行控制技术。 先行控制的根本思想是使分析部件和执行部件能分别延续不断地分析和执行指令，这种技术实践上是预处置技术和缓冲技术的结合，即经过对指令流和数据流的预处置和缓冲，可以尽量使指令分析器和指令执行部件独立地任务，并一直处于忙碌形状。这样，就可以使取指令、分析指令和执行指令重叠起来执行。使指令分析器

8、和执行部件能尽量地延续任务。而且，在采用了缓冲技术和预处置技术之后，运算器可以专心干数据的运算、从而大幅度提高指令的执行速度。在正常情况下，处置机中同时有三条指令在执行。 先行控制技术最早在IBM公司研制的机器中采用。目前，先行控制技术是现代计算机系统中被普遍采用的一项重要技术，许多处置机中都曾经采用了这种技术，包括超流水线处置机和超标量处置机等。8-1-2 流水线流水线 流水处置技术是在重叠、先行控制方式的根底上开展起来的，它基于重叠的原理，但却是在更高程度上的重叠。 流水线方式是把一个反复的过程分解为假设干个子过程，每个子过程可以与其他子过程同时进展。由于这种任务方式与工厂中消费流水线非常

9、类似，因此，把它称为流水线任务方式。 1 1流水线任务原理流水线任务原理 根据上面的重叠技术和先行控制技术根据上面的重叠技术和先行控制技术, ,进一进一步开展运用就是标量流水技术。假设把一条步开展运用就是标量流水技术。假设把一条指令的解释过程进一步细分成取指、译码、指令的解释过程进一步细分成取指、译码、执行、访存、写回存放器五个子过程，并用执行、访存、写回存放器五个子过程，并用五个独立的功能部件分别处置每个子过程。五个独立的功能部件分别处置每个子过程。那么就像工厂中的流水线，五个子部件可以那么就像工厂中的流水线，五个子部件可以同时对不同的五条指令中的相对应的子过程同时对不同的五条指令中的相对应

10、的子过程进展操作。进展操作。 在流水技术中有如下一些特点：在流水技术中有如下一些特点：1 1一条流水线由多个流水段组成。一条流水线由多个流水段组成。2 2每个流水段有专门的功能部件对指令进每个流水段有专门的功能部件对指令进展某种加工。展某种加工。3 3各流水段所需时间是一样的。各流水段所需时间是一样的。4 4在理想情况下，在流水线上，每隔在理想情况下，在流水线上，每隔tt时间将会有一个结果流出流水线。时间将会有一个结果流出流水线。 描画流水线常用的方法是用“时空图。在时空图中，横坐标表示时间，也就是输入到流水线中的各个义务在流水线中所经过的时间。当流水线中的各个功能部件的执行时间都相等时、横坐

11、标被分割成相等长度的时间段，纵坐标表示空间，即流水线的各个子过程。在时空图中，流水线的一个子过程通常称为“功能段。前面的例子用时空图描画如图8-3所示。 2 2流水线的分类流水线的分类 从不同的角度，按照不同的观念可以把流水从不同的角度，按照不同的观念可以把流水线分成多种不同的种类。从称号上能反映这种流线分成多种不同的种类。从称号上能反映这种流水线在某一方面的特点或性能。水线在某一方面的特点或性能。 1 1按流水线构造分类按流水线构造分类 如图如图8-48-4a a所示，按照流水线的各个功能段所示，按照流水线的各个功能段之间能否有反响信号之间能否有反响信号, ,可以把流水线分为线性与非可以把流

12、水线分为线性与非线性流水线两类。线性流水线两类。 线性流水线中，输入数据从流水线的一端进入，线性流水线中，输入数据从流水线的一端进入，另一端输出，各功能段逐个串接起来。如图另一端输出，各功能段逐个串接起来。如图8-48-4a a所示，这种方式下，数据在流水线中的各个所示，这种方式下，数据在流水线中的各个功能段仅仅流过一次。所以通常一条线性流水线功能段仅仅流过一次。所以通常一条线性流水线只能完成只能完成种固定的功能。种固定的功能。 非线性流水线中，除有串行衔接通路外，还有非线性流水线中，除有串行衔接通路外，还有反响回路，在流水过程中，某些功能段要反复运反响回路，在流水过程中，某些功能段要反复运用

13、。如图用。如图8-48-4b b所示，功能段所示，功能段S2S2的输出又被反的输出又被反响回送给响回送给S2S2的输入端。由于，功能段的输入端。由于，功能段S2S2能够要被能够要被多次调用，所以这时流水线中数据由输入端到输多次调用，所以这时流水线中数据由输入端到输出端不再是经过原来的三个时钟周期，还要加上出端不再是经过原来的三个时钟周期，还要加上反响回路多次调用的执行周期。反响回路多次调用的执行周期。 非线性流水线中，除有串行衔接通路外，还有反响回路，在流水过程中，某些功能段要反复运用。如图8-4b所示，功能段S2的输出又被反响回送给S2的输入端。由于，功能段S2能够要被多次调用，所以这时流水

14、线中数据由输入端到输出端不再是经过原来的三个时钟周期，还要加上反响回路多次调用的执行周期。 图84 线性与非线性流水线 在非线性流水线中，只用图8-4b这样一种衔接图不能表示出一个义务在非线性流水线中的实践流动的过程，还要用一张“约定表，两者共同来表示流水线的任务情况。在约定表中可以很清楚地表示出反响回路的运用次数。如图8-5所示，它表示图8-4b中S2在反响回路仅反复运用次的约定表，图中用“表示功能段在相应的这一段时间内有效，即义务经过了这一个功能段。条非线性流水线可以对应有很多张约定表，一张约定表表示非线性流水线的一种任务方式。图85 非线性流水线约定表 3 3流水线的性能流水线的性能 衡

15、量流水线性能的主要目的有吞吐率、加衡量流水线性能的主要目的有吞吐率、加速比和效率。速比和效率。1 1流水线吞吐率流水线吞吐率 最大吞吐率指流水线到达稳定形状后，最大吞吐率指流水线到达稳定形状后，单位时间内处置的义务总数。实践吞吐率是单位时间内处置的义务总数。实践吞吐率是指单位时间内能处置的义务数或输出结果的指单位时间内能处置的义务数或输出结果的数量，它总是小于最大吞吐率。由于流水线数量，它总是小于最大吞吐率。由于流水线有有“装入时间和装入时间和“排空时间，以及其他要排空时间，以及其他要素也会影响流水线的延续流动。素也会影响流水线的延续流动。2 2加速比：不运用流水线所用的时间与加速比：不运用流

16、水线所用的时间与运用流水线所用的时间之比称为流水线的加运用流水线所用的时间之比称为流水线的加速比，即采用流水方式后的任务速度与顺序速比，即采用流水方式后的任务速度与顺序串行方式的任务速度之比。串行方式的任务速度之比。3 3流水线效率：指流水线中各功能部件流水线效率：指流水线中各功能部件的利用率。的利用率。4 4数据相关与控制相关数据相关与控制相关 由于流水线中同时要处置多条指令，所以各由于流水线中同时要处置多条指令，所以各种各样的冲突几率就会很大，比如在执行一种各样的冲突几率就会很大，比如在执行一条指令的过程中，假设用到的指令、操作数、条指令的过程中，假设用到的指令、操作数、变址偏移量等正好是

17、前面指令的执行结果，变址偏移量等正好是前面指令的执行结果，那么必需等待前面的指令执行完成，并把结那么必需等待前面的指令执行完成，并把结果写到主存或通用存放器中之后，本条指令果写到主存或通用存放器中之后，本条指令才干开场执行；当后继指令的操作数刚好是才干开场执行；当后继指令的操作数刚好是前一指令的运算结果的情况下，也会发生不前一指令的运算结果的情况下，也会发生不协调的情况等等，类似这些冲突我们称之为协调的情况等等，类似这些冲突我们称之为相关。相关。 在流水线中相关分为两大类，在流水线中相关分为两大类，类是数据类是数据相关，另一类是控制相关。流水线技术必需相关，另一类是控制相关。流水线技术必需较好

18、的处了解这些相关问题。较好的处了解这些相关问题。1 1数据相关数据相关 在采用先行控制方式的处置机中，数据相关有在采用先行控制方式的处置机中，数据相关有四种情况：它们是指令相关、主存操作数相关、四种情况：它们是指令相关、主存操作数相关、通用存放器相关和变址相关等。处理数据相关的通用存放器相关和变址相关等。处理数据相关的方法有两种：方法有两种： 一种方法是推后分析法，即在遇到数据相关时，一种方法是推后分析法，即在遇到数据相关时，就停顿后继指令的执行，直到前面指令的结果曾就停顿后继指令的执行，直到前面指令的结果曾经生成后再继续。另一种方法是设置公用路，即经生成后再继续。另一种方法是设置公用路，即旁

19、路技术，旁路技术，: :就是运用专门设置的通路将产生的结就是运用专门设置的通路将产生的结果直接送往需求它的地方而不是经过存放器再访果直接送往需求它的地方而不是经过存放器再访问，这样就可使流水线不发生停顿。问，这样就可使流水线不发生停顿。 在按序流动的流水线中，只能够出现主操作数在按序流动的流水线中，只能够出现主操作数相关。可经过定向传送的方法处理。在非按序流相关。可经过定向传送的方法处理。在非按序流动的流水线中，那么各种相关都能够发生。在动的流水线中，那么各种相关都能够发生。在RISCRISC机流水线中，还存在一种装入延迟。处理这机流水线中，还存在一种装入延迟。处理这种装入延迟的方法是采用硬件

20、联锁或重排指令的种装入延迟的方法是采用硬件联锁或重排指令的优化编译方法。优化编译方法。2 2控制相关控制相关 控制相关是指由条件分支指令、转子程控制相关是指由条件分支指令、转子程序指令、中断等引起的相关。例如：在执行序指令、中断等引起的相关。例如：在执行条件转移指令，前一条指令还没有生成条件条件转移指令，前一条指令还没有生成条件码，当转移发生时，将使流水线的流动遭到码，当转移发生时，将使流水线的流动遭到破坏。为了减少因转移引起的流水线性能损破坏。为了减少因转移引起的流水线性能损失，可采用下述方法：失，可采用下述方法： 一种是同数据相关的推后法。另一种是一种是同数据相关的推后法。另一种是猜测法。

21、尽早判别转移能否发生，尽早生成猜测法。尽早判别转移能否发生，尽早生成转移目的地址，加快和提早构成条件码。推转移目的地址，加快和提早构成条件码。推后法实现起来简单，但是由于等待而降低了后法实现起来简单，但是由于等待而降低了流水线效率，其他处理相关的方法在控制上流水线效率，其他处理相关的方法在控制上要复杂一些。要复杂一些。8-1-3 超标量处置机与超流水线处置机超标量处置机与超流水线处置机 普通的流水线处置机只需一条指令流水线，一个多功能的操作部件，每个时钟周期“取指令和“分析完成一条指令。另一种流水线处置机虽然也只需一条指令流水线，每个时钟周期“取指令和“分析完成一条指令，但是有多个独立的操作部

22、件，可以同时并行任务，例如，定点算术逻辑部件、浮点加减法部件、乘除法部件、取数存数部件等。这种处置机通常称为多操作部件处置机。1超标量处置机 超标量处置机：一个时钟周期内可以同时发射多条指令的处置机称为超标量处置机。超标量处置机最根本的要求是必需有两套或两条以上完好的指令执行部件，它是利用硬件资源反复来实现空间的并行操作。主要特点是：有多个性能不同的处置部件，将可并行执行的指令送往不同的执行部件，构成多条流水线并行处置。 由于超标量处置机在一个时钟周期内可以发射多条指令，因此，它对指令序列的要求与单流水线的标量处置机不同。在单流水线的标量处置机中，只需延续出现一样操作的指令序列时，流水线才干不

23、“断流，功能部件的效率才干得到充分发扬。2超流水线处置机 超流水线处置机的任务方式与超标量处置机不同，在一个时钟周期内可以分时发射多条指令的处置机称为超流水处置机。它只需求添加少量硬件，经过各部分硬件的充分重叠任务来提高处置机性能。而超流水线处置机采用的是时间并行性。 为了进一步提高处置机的指令级并行度、可以把超标量技术与超流水线技术结合在一同，这就是超标量超流水线处置机。8-2-1 向量流水的根本概念向量流水的根本概念1 1向量数据向量数据 向量数据是一组不相关数据的集合，向量数据是一组不相关数据的集合，向量元素之间的次序是固定的，而且一向量元素之间的次序是固定的，而且一切的数据元素具有一样

24、的构造，如数据切的数据元素具有一样的构造，如数据类型、数据长度等属性一样。所谓不相类型、数据长度等属性一样。所谓不相关即对向量中恣意一个数据元素的操作，关即对向量中恣意一个数据元素的操作，结果不影响到其他向量元素。比如有一结果不影响到其他向量元素。比如有一个数组，我们要使数组中的每一个元素个数组，我们要使数组中的每一个元素AiAi都乘以一个数都乘以一个数b b，它们的结果互不影响，它们的结果互不影响，各自独立。各自独立。向量数据的参数有：向量数据的参数有：起始地址：即第一个向量元素存放的地址。起始地址：即第一个向量元素存放的地址。向量长度：即向量元素的数量。向量长度：即向量元素的数量。向量间距

25、：即相邻两个向量元素之间的间向量间距：即相邻两个向量元素之间的间隔。隔。2 2向量流水的主要特点向量流水的主要特点 由于一个向量数据中，包含有由于一个向量数据中，包含有N N个数据个数据元素，对这个向量数据处置一次，就是处元素，对这个向量数据处置一次，就是处置了置了N N次数据，所以，一条向量指令就相当次数据，所以，一条向量指令就相当于多个标量数据的循环，而且向量指令所于多个标量数据的循环，而且向量指令所要访问的向量元素均相邻，可以依次访问要访问的向量元素均相邻，可以依次访问它们，比一串标量指令操作快，并且消除它们，比一串标量指令操作快，并且消除了标量数据中由循环引起的控制相关。了标量数据中由

26、循环引起的控制相关。 向量流水线由于无数据相关、无程序转向量流水线由于无数据相关、无程序转移，流水线可以充溢，从而获得较高的吞移，流水线可以充溢，从而获得较高的吞吐率和流水线效率。由于取一次指令便可吐率和流水线效率。由于取一次指令便可以完成很长的向量运算，所以要求向量计以完成很长的向量运算，所以要求向量计算机的存储器系统能提供应运算器延续不算机的存储器系统能提供应运算器延续不断的数据流，以及接纳来自运算器的延续断的数据流，以及接纳来自运算器的延续不断的运算结果，这是设计存储器系统的不断的运算结果，这是设计存储器系统的困难之处。困难之处。8-2-2 向量处置机的构造与性能 1 1向量处置机的构造

27、向量处置机的构造系统构造设计中所面临的主要问题是，如何设计出一个系统构造设计中所面临的主要问题是，如何设计出一个能满足运算器带宽要求的存储器系统。目前向量计算能满足运算器带宽要求的存储器系统。目前向量计算机采用两种方法：机采用两种方法：1 1利用几个独立的存储器完成对相互独立的数据的并利用几个独立的存储器完成对相互独立的数据的并发访问。从而到达所要求的存储器带宽，即存储器发访问。从而到达所要求的存储器带宽，即存储器存储器构造。存储器构造。2 2构造一个具有所要求带宽的高速中间存储器，并能构造一个具有所要求带宽的高速中间存储器，并能实现该高速中间存储器与主存储器之间的快速数据交实现该高速中间存储

28、器与主存储器之间的快速数据交换，即存放器换，即存放器存放器构造。存放器构造。 存储器-存储器构造的向量处置机的任务特点，是向量操作的源向量都取自内存，且操作生成的结果向量也存放到内存中；而存放器存放器构造的向量处置机，那么都取自或存放到向量存放器中。 在向量机中，为了加快向量操作，采用多个独立的功能部件，并使它们并行任务。由于这些部件都是独立的，所以只需符合下面的条件，它们就可以并行任务：(1) 不存在向量存放器运用冲突：向量存放器运用冲突就是指多条并行任务的向量指令中的源向量或结果向量运用一样的向量存放器。 (2)不存在功能部件运用冲突：功能部件冲突是指多条向量指令都要运用同一个功能部件，如

29、两条向量指令都是加法运算时，浮点加的功能部件就无法同时满足，而发生冲突。 8-3 多处置机系统1 1多处置机系统的组成多处置机系统的组成多处置机系统的组成有以下几部分：多处置机系统的组成有以下几部分：(1)(1)两个或两个以上功能大致一样的处置器；两个或两个以上功能大致一样的处置器；(2)(2)由一切处置器共享的一个公共主存和由一切处置器共享的一个公共主存和I/OI/O通道、通道、控制器和外设；控制器和外设；(3)(3)在处置器和程序之间实现作业、义务、程序在处置器和程序之间实现作业、义务、程序段、数组和数组元素等各级的全面并行。必需段、数组和数组元素等各级的全面并行。必需有一致控制的操作系统

30、。有一致控制的操作系统。2 2多处置机系统的特点多处置机系统的特点 多处置机系统属于多指令流多数据流多处置机系统属于多指令流多数据流MIMDMIMD构造，与属于单指令流多数据流构造，与属于单指令流多数据流SIMDSIMD计算机有计算机有很大的不同，流水线机、并行处置机都属于很大的不同，流水线机、并行处置机都属于SIMDSIMD计计算机，多处置机实现的是义务作业一级的并行，算机，多处置机实现的是义务作业一级的并行，SIMDSIMD计算机只能实现指令间的并行操作。所谓义务计算机只能实现指令间的并行操作。所谓义务级是指比较独立的程序段，也就是同时并行执行多级是指比较独立的程序段，也就是同时并行执行多

31、段程序。在构造上多处置机系统中的每个处置机都段程序。在构造上多处置机系统中的每个处置机都需求有各自的控制部件，以执行各自的程序，并用需求有各自的控制部件，以执行各自的程序，并用复杂的互连网络实现各个处置机间的通讯；在算法复杂的互连网络实现各个处置机间的通讯；在算法上也不局限于某种算法，而是充分利用通用算法的上也不局限于某种算法，而是充分利用通用算法的各种并行性；在系统软件上要处理多处置机的资源各种并行性；在系统软件上要处理多处置机的资源的管理与进程调度等多种问题。因此，多处置机具的管理与进程调度等多种问题。因此，多处置机具有较强的通用性，适用于向量、标量、各种数据的有较强的通用性，适用于向量、

32、标量、各种数据的不同处置，也适用于多种算法，构造灵敏，可以实不同处置，也适用于多种算法，构造灵敏，可以实现多种机间衔接，图现多种机间衔接，图8-88-8是一种多处置机构造。是一种多处置机构造。 8-3-2多处置机构造 多处置机在系统构造上分为两类：紧耦合系统和松耦合系统。1松耦合系统 松耦合系统也称为间接耦合系统，通常经过通道或通讯线路实现机间联络，经过音讯传送方式来实现处置机间的相互通讯，信息传送的速度较慢，而且每个处置机是一个独立性较强的计算机模块。8-3-2多处置机构造2紧耦合系统 紧耦合系统也称为直接耦合系统，目前大多数多处置机系统都属于紧耦合系统。紧耦合是经过共享主存实现处置机间的相

33、互通讯，主存储器对一切的处置机有一个一致的地址编址。系统中的各台处置机既可以共同执行一个义务，也可以同时执行几个程序。各处置机经过一个公共的硬件资源衔接在一同，处置机间的相互联络比较严密。按所用途置机类型能否一样及对称，又可分为同构或异构及对称或非对称的方式。常见组合是同构对称式和异构非对称式多机系统。8-4-1计算机系统构造的新概念 各种不同的系统构造按照计算机内部的控制机制各种不同的系统构造按照计算机内部的控制机制可分为控制驱动、数据驱动、需求驱动和方式可分为控制驱动、数据驱动、需求驱动和方式匹配四种类型。匹配四种类型。 1.1.控制驱动控制驱动这是传统的冯这是传统的冯诺依曼系统构造运用的

34、控制方式，诺依曼系统构造运用的控制方式，计算机中有一个程序计数器计算机中有一个程序计数器PCPC，每执行一条指，每执行一条指令，程序计数器就自动加令，程序计数器就自动加“1 1，指向下一条指，指向下一条指令的地址单元，可见程序的执行是在程序计数令的地址单元，可见程序的执行是在程序计数器的控制下进展的，当它指向某条指令时，才器的控制下进展的，当它指向某条指令时，才驱动该条指令的执行。我们把这种方式称为控驱动该条指令的执行。我们把这种方式称为控制驱动。制驱动。2 2数据驱动数据驱动 数据驱动控制方式，与上面的控制驱数据驱动控制方式，与上面的控制驱动方式不同，它的指令不是在控制下顺动方式不同，它的指

35、令不是在控制下顺序执行的，当且仅当指令所需求的数据序执行的，当且仅当指令所需求的数据可用时，指令就可执行，即任何指令只可用时，指令就可执行，即任何指令只需它所需求的操作数全部齐备且可用时，需它所需求的操作数全部齐备且可用时，这些指令就可以同时执行，不需求程序这些指令就可以同时执行，不需求程序计数器。可见指令的执行不受其他控制计数器。可见指令的执行不受其他控制条件的约束。这种方式中，不运用变量，条件的约束。这种方式中，不运用变量，不存在数据共享等。数据驱动的原理构不存在数据共享等。数据驱动的原理构成了两个优点：指令的执行是无序的，成了两个优点：指令的执行是无序的，完全受数据流的驱动，与指令在程序

36、中完全受数据流的驱动，与指令在程序中出现的先后顺序无关。直接支持函数言出现的先后顺序无关。直接支持函数言语，有利于开发程序中各级的并行性，语，有利于开发程序中各级的并行性，而且有利于改善软件环境，缩短软件的而且有利于改善软件环境，缩短软件的研制时间。研制时间。3 3需求驱动需求驱动在需求驱动的系统构造中，需求执行在需求驱动的系统构造中，需求执行哪一条指令时，该指令就被驱动执行，哪一条指令时，该指令就被驱动执行，我们举例阐明，例如：求我们举例阐明，例如：求X=X=Y+ZY+Z/ /1-Y1-Y，用函数的方式可以表示成，用函数的方式可以表示成，求求X=fX=fu u,f (u )=h (v )+

37、g (w),f (u )=h (v )+ g (w)，h(v)=Y+zh(v)=Y+z，g(w)=1-yg(w)=1-y，需求驱动的执，需求驱动的执行过程是这样的：求行过程是这样的：求X X，就必需求，就必需求f fu u，求，求f (u )f (u )就必需求就必需求h (v )h (v )和和 g g (w)(w)。4 4方式匹配驱动方式匹配驱动方式驱动控制方式是，给定方式匹配方式驱动控制方式是，给定方式匹配符号串，搜索与该对象相匹配的对象，符号串，搜索与该对象相匹配的对象，一旦匹配就驱动执行该指令。一旦匹配就驱动执行该指令。8-4-2新概念系统构造计算机 1 1数据流计算机数据流计算机1

38、 1驱动原理驱动原理 在数据流计算机中有两种驱动方在数据流计算机中有两种驱动方式，式，种是数据驱动方式。只需某一个种是数据驱动方式。只需某一个操作所要求的输入数据全部到齐而且可操作所要求的输入数据全部到齐而且可用时。该操作就可以立刻执行，另一种用时。该操作就可以立刻执行，另一种是需求驱动驱动方式。只需当某一个函是需求驱动驱动方式。只需当某一个函数需求某数需求某个自变量时才驱动对该自变个自变量时才驱动对该自变量的求值操作，在数据流计算机没有变量的求值操作，在数据流计算机没有变量的概念，在指令之间直接传送数据，量的概念，在指令之间直接传送数据，有纯函数的特点。数据流计算机中数据有纯函数的特点。数据

39、流计算机中数据流运算具有异步性、并行性、函数性和流运算具有异步性、并行性、函数性和部分性的特点。部分性的特点。 需求驱动方式与数据驱动方式相比可以减少许多不用要的操作，有助于提高处置机的任务效率。但需求驱动方式实现起来更为困难，目前的数据流计算机普通采用数据驱动方式。2数据流计算机模型 在数据流计算机中，信息项以操作包和数据“令牌方式出现。操作包由操作码、操作数和其后继指令所在地组成。令牌本质是一种表示某一操作数或参数已预备就绪的标志数据。数据流机根据对数据令牌处置方式的不同，可以分为静态和动态两类构造。2 2面向函数程序设计言语的归约机面向函数程序设计言语的归约机 归约机和数据流机一样，都是

40、基于归约机和数据流机一样，都是基于数据流的计算模型，但其驱动方式是采数据流的计算模型，但其驱动方式是采用需求驱动。在这种模型中，某条指令用需求驱动。在这种模型中，某条指令的执行，仅当其他指令需求用它时才会的执行，仅当其他指令需求用它时才会进展。进展。 归约机是一种面向函数程序设计言归约机是一种面向函数程序设计言语的计算机，指令的执行顺序取决于这语的计算机，指令的执行顺序取决于这些指令产生结果数据的需求，而这种需些指令产生结果数据的需求，而这种需求又源于函数式程序设计言语对表达式求又源于函数式程序设计言语对表达式的归约。的归约。 归约机按其归约模型可分为串归约归约机按其归约模型可分为串归约机和图

41、归约机两类。两者的主要区别是机和图归约机两类。两者的主要区别是对函数表达式所运用的存储方式不同，对函数表达式所运用的存储方式不同，前者以字符串方式存储而后者以图的方前者以字符串方式存储而后者以图的方式存储。式存储。 3 3人工智能计算机人工智能计算机 随着计算机运用领域的不断扩展，计随着计算机运用领域的不断扩展，计算机在人工智能算机在人工智能AIAI领域中的开展极为迫切。领域中的开展极为迫切。智能机是一个知识信息处置系统，必需处理智能机是一个知识信息处置系统，必需处理好有关知识的获取、表示、存储、处置和运好有关知识的获取、表示、存储、处置和运用等诸方面的问题，使计算机能更好地模拟用等诸方面的问

42、题，使计算机能更好地模拟人类大脑的思想活动。这一领域中的处置有人类大脑的思想活动。这一领域中的处置有着其特殊性，主要表如今：着其特殊性，主要表如今：1 1AIAI主要的处置的对象是符号，不是主要的处置的对象是符号，不是数值。这是由于人们在现实生活中遇到的问数值。这是由于人们在现实生活中遇到的问题大多数是非数值问题。题大多数是非数值问题。2 2AIAI系统由于可以实现数据和知识的系统由于可以实现数据和知识的采集、存储、查询、删除和修正等功能，可采集、存储、查询、删除和修正等功能，可以有效维护数据库和知识库的以有效维护数据库和知识库的致性及完好致性及完好性，所以数据具有动态的不确定性。性，所以数据

43、具有动态的不确定性。3 3AIAI系统由于大量的知识存储，所以系统由于大量的知识存储，所以存在知识管理问题等。存在知识管理问题等。 目前，人工智能计算机系统分为三类：它们分别是基于言语的智能机、基于知识的智能机和智能化的I/O接口。它们都具有非常庞大的数据和知识的存储器，并可以采集、运用、存储和处置大量的数据和各种各样的人类知识。AI的关键技术是如何对数据进展快速的处置和传送，即高速数据处置技术。 习 题8.1 什么是先行控制？8.2 什么是流水线的吞吐率？最大、实践吞吐率？加速比？效率？8.3 什么是数据相关冲突、控制转移冲突？如何处理？8.4 流水线中处置的数据分哪两种？特点是什么？8.5

44、 多处置机操作系统的组成有什么？8.6计算机按控制机制可分为哪几类？各类有何特点？传统的系统构造、数据流构造、归约机构造各属于什么驱动？8.7 静态数据流机有何特点？动态数据流机有何特点？8.8 什么是归约机？可分为哪两类？它们是如何区分的？8.9 人工智能机有哪些特征？8.10 AI计算机可分为哪几类？ NbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8

45、G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjR

46、gOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$r

47、ZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdMaI7F3

48、C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeN

49、bK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYm

50、VjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+

51、x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C

52、0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXl

53、TiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*

54、t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x-x*t$qYnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnZnVkS