新型计算机结构课件.pptx

1、2022年4月23日星期六1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2022年4月23日星期六2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2022年4月23日星期六3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2022年4月23日星期六47.1 7.1 脉动阵列计算机脉动阵列计算机 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

2、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 2022年4月23日星期六5 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。2022年4月23日星期六6Ma b c a b d MMMMMMMMMMMMMMMMMMMd=ab+ca=a, b=b脉动式二维阵列流水机2022年4

3、月23日星期六7333231232221131211aaaaaaaaaA333231232221131211bbbbbbbbbB333231232221131211cccccccccBAC31kkjikijbaC1i3,1j3 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33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。 3121111213,ccccc322223,ccc33c2022年4月2

4、3日星期六8 a11 a12 a13 0 0 t1 0 a21 a22 a23 0 t2 0 0 a31 a32 a33 t3t8 t6 c12 c13 t6 c11 c21 c31 t8 c33 t7 c23 t7 c22 c32 00000MMMMMMMMMMMMMMMMMMMt100 b31 b21 b11t20 b32 b22 b12 0t3b33 b23 b13 0 0Ma b c a b d 2022年4月23日星期六9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、

5、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。2022年4月23日星期六107.2 7.2 数据流计算机数据流计算机 数据流计算机的基本工作原理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的基本结构 数据流计算机存在的主要问题数据流计算机存在的主要问题2022年4月23日星期六117.2.1数据流计算机的基本工作原理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

6、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。 2022年4月23日星期六127.2.2 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(directed graph)，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。 2022年4月23日星期六

7、13数据流程序图中常用的结点（1）算逻运算结点： +“加”+1“加1”N“非”“与”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 2022年4月23日星期六14（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。n激发后222数据令牌 一般表示数据复制控制复制o（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。2022年4月23日星期六15（4）控制操作结点 ： 激发后T门控结点 F门控结点T aT aT激发后T aF aFT门控：仅当布尔控制端为真、且输入端有

8、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。 2022年4月23日星期六16MGT F aT激发后MGT F aMGT F aF激发后开关门控结点SWT F aTSWT F a激发后SWT F aFSWT F a激发后归并门控结点MGT F a2022年4月23日星期六17（5）条件判断结点 ： 0 x x激发后激发后T(x0)T(x0) 0 x xy yF(xy)F(x0Z=X-Y X0 oMGT F-+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

9、制复制算术运算归并2022年4月23日星期六19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。 2022年4月23日星期六20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： procedure inner_product(a,b,n) initial S0 for i from 1 to n do n

10、ew SS+(ai *bi) return S2022年4月23日星期六217.2.3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。 2022年4月23日星期六22静态数据流计算机指令存储部件指令存储部件更新部件更新部件取指令部件取指令部件处理器部件处理器部件可执行指令队列可执行指令队列结果包结果包操作包操作包：2022年4月23日星期六23动态数据流计算机指令存储部件指令

11、存储部件处理部件处理部件匹配令牌组匹配令牌组：更新更新/取指部件取指部件可执行指令队列可执行指令队列匹配部件匹配部件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。 2022年4月23日星期六247.2.4数据流机存在的主要问题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

12、加，从而使转接网络变成系统性能的新瓶颈口。 2022年4月23日星期六257.3 7.3 归归 约约 机机 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)。 2022年4月23日星期六267.3.1函数式程序设计语言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

13、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”(ProgramForming Operators)，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。 2022年4月23日星期六27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

14、归约机。 2022年4月23日星期六287.3.27.3.2面向函数式语言的归约机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(String Reduction)机和图归约(Graph Reduction)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。2022年4月23日星期六29z：*g：h：+一1y：y：x：25yx串归约串归约:28zgh52yx图归约图归约: y1Z/1+yxZ/2* (4) (7)Z以表达式z=(y-1)(y+x)为例，假定x和y分别赋以2和5。28475522022年4月23日星期六30串归约特点：是

15、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Z1、Z2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。 2022年4月23日星期六31 7.4 7.4 人工智能计算机人工智能计算机 人工智能计算特征人工智能计算特征 AIAI计算机的分类计算机的分类 AIAI计算机的研究进

16、展计算机的研究进展 RWCRWC研究计划研究计划2022年4月23日星期六327.4.17.4.1人工智能计算特征人工智能计算特征 1AI计算的主要对象是符号而不是数值 2AI计算是非确定计算 3AI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 2022年4月23日星期六33AI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。 知识的表示知识的表示：主要是对有关对象、关系、目标、动作以及处理

17、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：知识的处理：主要用于问题求解、逻辑演绎和情报检索等。 2022年4月23日星期六347.4.2 AI7.4.2 AI机的分类机的分类 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 2022年4月23日星期六357.4.3 AI7.4.3 AI计算机的研究进展计算机的研究进展 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(

18、Parallel inference machine)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。 2022年4月23日星期六367.4.4 RWC7.4.4 RWC研究计划研究计划 所谓真实世界计算机(RWCReal world computing)是指在不断产生变化的、不完全的、包含互相矛盾的、复杂相关的信息的世界。 RWC要求最终建成的柔性信息处理系统，使任何人都可以存取和利用网络上的大量信息资源而不感觉到计算机的存在。 系统应具有开放性(Openness)、强壮性(Robustness)和实时性(Real time)。 2022年4月23日星期六37本章重点回顾 数据流计算机的基本原理 数据流程序图和数据流语言2022年4月23日星期六38本课程全部结束 祝同学们学习进步！考试成功！祝同学们学习进步！考试成功！