新型計算機結(jié)構(gòu)

2020年1月14日星期二 1 第1章計算機系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)第2章數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)第3章輸入輸出系統(tǒng)第4章存貯系統(tǒng)第5章流水技術(shù)和向量處理第6章并行處理技術(shù)第7章新型計算機結(jié)構(gòu) 2020年1月14日星期二 2 本章學(xué)習(xí)要求 了解幾種非傳統(tǒng)計算機結(jié)構(gòu)的概念和工作原理掌握數(shù)據(jù)流計算機的工作原理和結(jié)構(gòu)特點了解人工智能計算機的研制情況 2020年1月14日星期二 3 第7章新型計算機結(jié)構(gòu) 脈動陣列計算機數(shù)據(jù)流計算機歸約機人工智能計算機 2020年1月14日星期二 4 7 1脈動陣列計算機 脈動陣列結(jié)構(gòu)是由一組相同的處理單元PE構(gòu)成的陣列機 每個PE可完成少數(shù)基本的算術(shù)邏輯運算操作工作原理 陣列內(nèi)所有處理單元的數(shù)據(jù)鎖存器都受同一個時鐘控制 運算時數(shù)據(jù)在陣列結(jié)構(gòu)的各個處理單元間沿各自的方向同步向前推進 就像血液受心臟有節(jié)奏地搏動在各條血管中同步向前流動一樣 2020年1月14日星期二 5 脈動陣列機主要適用要求計算量很大的信號 圖像的處理 以及某些特定計算類算法題目的求解 特別是需要對大量數(shù)據(jù)執(zhí)行重復(fù)計算的運算受限類問題的求解 根據(jù)具體計算的問題不同 脈動陣列可以有一維線形 二維矩形 六邊形 二叉樹形三角形等陣列互連構(gòu)形 2020年1月14日星期二 6 脈動式二維陣列流水機 2020年1月14日星期二 7 1 i 3 1 j 3 現(xiàn)有矩陣A B如下 要在二維脈動陣列機上求兩矩陣的乘積C 其中 在圖中給出了在t1 t2 t3時刻送入數(shù)據(jù) 到t6時 從45 方向上將同時輸出的值 t7時輸出的值 t8時輸出的值 可以看出 總共只需用8拍就可以完成兩個3 3矩陣相乘 比單處理機上循環(huán)執(zhí)行所需的27拍 速度提高了兩倍多 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 脈動陣列計算機具有如下特點 1 結(jié)構(gòu)簡單 規(guī)整 模塊化強 可擴充性好 非常適合于超大規(guī)模集成電路的實現(xiàn) 2 PE間數(shù)據(jù)通信距離短 規(guī)則 使數(shù)據(jù)流和控制流的設(shè)計 同步控制簡單規(guī)整 3 具有極高的計算并行性 可通過流水獲得很高的運算效率和吞吐率 4 脈動陣列結(jié)構(gòu)的構(gòu)形與特定的計算任務(wù)和算法密切相關(guān) 限制了其應(yīng)用范圍 脈動陣列機的發(fā)展目標(biāo) 研制通用型脈動陣列機 2020年1月14日星期二 10 7 2數(shù)據(jù)流計算機 數(shù)據(jù)流計算機的基本工作原理數(shù)據(jù)流程序圖和數(shù)據(jù)流語言數(shù)據(jù)流計算機的基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流計算機存在的主要問題 2020年1月14日星期二 11 7 2 1數(shù)據(jù)流計算機的基本工作原理 數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)流方式 只要一條或一組指令所要求的操作數(shù)全部準備就緒 就可立即激發(fā)相應(yīng)的指令或指令組執(zhí)行 特點 指令的執(zhí)行基本上是無序的 完全受數(shù)據(jù)流的驅(qū)動 沒有程序計數(shù)器PC 取而代之的是 數(shù)據(jù)令牌 數(shù)據(jù)令牌 是一種表示某一操作數(shù)或參數(shù)已準備就緒的標(biāo)志 2020年1月14日星期二 12 7 2 2數(shù)據(jù)流程序圖和數(shù)據(jù)流語言 數(shù)據(jù)流程序圖 是一種用來表示指令級的數(shù)據(jù)流程序的有向圖 directedgraph 它由多個結(jié)點 node 和一些連接它們的弧所組成 它說明了指令之間執(zhí)行順序的約束條件 數(shù)據(jù)流程序圖中的結(jié)點除表示一般的算術(shù)邏輯操作外 還可表示常數(shù)產(chǎn)生 復(fù)制操作 判定操作和控制操作等 2020年1月14日星期二 13 數(shù)據(jù)流程序圖中常用的結(jié)點 1 算邏運算結(jié)點 算術(shù)運算結(jié)點 加 減 乘 除 加l 減1等布爾運算結(jié)點 與 或 異或 非等 2020年1月14日星期二 14 2 常數(shù)結(jié)點 常數(shù)結(jié)點的功能是用來產(chǎn)生一個常數(shù) 常數(shù)產(chǎn)生結(jié)點沒有輸入端 只有一條輸出線 激發(fā)后 2 數(shù)據(jù)令牌 一般表示 數(shù)據(jù)復(fù)制 控制復(fù)制 3 復(fù)制結(jié)點 數(shù)據(jù)復(fù)制結(jié)點 圖中圓點和箭頭用實心表示 控制量 布爾量 復(fù)制結(jié)點 圖中的圓點和箭頭用空心表示 2020年1月14日星期二 15 4 控制操作結(jié)點 T門控結(jié)點 F門控結(jié)點 T門控 僅當(dāng)布爾控制端為真 且輸入端有數(shù)據(jù)令牌時才能激發(fā) 然后在輸出端產(chǎn)生數(shù)據(jù)令牌而輸入端的數(shù)據(jù)令牌消失 F門控 僅當(dāng)布爾控制端為假 且輸入端有數(shù)據(jù)令牌時才能激發(fā) 然后在輸出端產(chǎn)生數(shù)據(jù)令牌而輸入端的數(shù)據(jù)令牌消失 2020年1月14日星期二 16 開關(guān)門控結(jié)點 歸并門控結(jié)點 2020年1月14日星期二 17 5 條件判斷結(jié)點 判斷輸入數(shù)據(jù) 通常是單個或兩個 是否滿足某種條件 如輸入數(shù)據(jù)是否小于 等于 大于0 兩個輸入數(shù)據(jù)的大小比較等 當(dāng)滿足條件時 將在輸出端產(chǎn)生T的控制令牌 否則便產(chǎn)生F的控制令牌 利用上述常用結(jié)點 可以畫出一些程序結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流程圖 2020年1月14日星期二 18 Z Z X YX 0Z X YX 0 數(shù)據(jù)流程序圖舉例 問題 圖中有多少個結(jié)點 出現(xiàn)了多少種結(jié)點 復(fù)制 判斷 開關(guān) 控制復(fù)制 算術(shù)運算 歸并 2020年1月14日星期二 19 數(shù)據(jù)流語言 數(shù)據(jù)流語言的結(jié)構(gòu)類似于命令式程序設(shè)計語言 但又要能方便地被編譯成數(shù)據(jù)流程圖 數(shù)據(jù)流語言大都是單賦值語言 單賦值的含義是指 在程序中每個變量只能賦值一次 即同一變量在賦值語句的左部只允許出現(xiàn)一次 不允許對同一變量進行多次賦值 常用的數(shù)據(jù)流語言有美國的ID和VAL 法國的LAU以及英國曼徹斯特大學(xué)的SISAL語言等 2020年1月14日星期二 20 數(shù)據(jù)流語言舉例 對于點積操作 用ID語言則可寫成如下的過程 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數(shù)據(jù)流計算機的基本結(jié)構(gòu) 依據(jù)處理數(shù)據(jù)令牌的不同 數(shù)據(jù)流機可分成靜態(tài)和動態(tài)兩大類 靜態(tài)數(shù)據(jù)流機的數(shù)據(jù)令牌不帶任何標(biāo)號 在任何一條弧上只允許存在一個數(shù)據(jù)令牌 動態(tài)數(shù)據(jù)流機的數(shù)據(jù)令牌帶有標(biāo)號 這樣就可使數(shù)據(jù)流程序圖中的任一條弧上同時存在帶有不同標(biāo)號 或稱顏色 的數(shù)據(jù)令牌 2020年1月14日星期二 22 靜態(tài)數(shù)據(jù)流計算機 2020年1月14日星期二 23 動態(tài)數(shù)據(jù)流計算機 由于任一條弧上同時存在帶有不同標(biāo)號 或稱顏色 的數(shù)據(jù)令牌只要對令牌標(biāo)號進行符合比較就可加以識別 為此 需要有一個稱為匹配部件的硬件機構(gòu)將標(biāo)號附加到數(shù)據(jù)令牌上 并完成標(biāo)號的匹配工作 2020年1月14日星期二 24 7 2 4數(shù)據(jù)流機存在的主要問題 1 指令級的數(shù)據(jù)驅(qū)動導(dǎo)致每條指令的執(zhí)行有較大的時間開銷 因為在運行時需要對每一個和每一次操作進行數(shù)據(jù)相關(guān)分析 2 由于數(shù)據(jù)流程序的操作包代碼長度較長 將占用較多的存儲空間 3 當(dāng)機器規(guī)模變大時 接到轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)上的流水環(huán)數(shù)將增加 從而使轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)變成系統(tǒng)性能的新瓶頸口 2020年1月14日星期二 25 7 3歸約機 歸約機和數(shù)據(jù)流機一樣 都是基于數(shù)據(jù)流的計算模型 只是其采用的驅(qū)動方式不同 數(shù)據(jù)流機是采用數(shù)據(jù)驅(qū)動 執(zhí)行的操作序列取決于輸入數(shù)據(jù)的可用性 歸約機則是需求驅(qū)動 執(zhí)行的操作序列取決于對數(shù)據(jù)的需求 對數(shù)據(jù)的需求又來源于函數(shù)式程序設(shè)計語言對表達式的歸約 Reduction 2020年1月14日星期二 26 7 3 1函數(shù)式程序設(shè)計語言 函數(shù)式語言是由所有函數(shù)表達式的集合 所有目標(biāo) 也是表達式 的集合及所有由函數(shù)表達式到目標(biāo)的函數(shù)集合三部分組成 函數(shù)是其基本成分 是從一批目標(biāo)到另一批目標(biāo)的映射 從函數(shù)程序設(shè)計的角度看 一個程序就是一個函數(shù)的表達式 通過定義一組 程序形成算符 Program FormingOperators 可以用簡單函數(shù) 即簡單程序 構(gòu)成任意復(fù)雜的程序 也就是構(gòu)成任意復(fù)雜函數(shù)的表達式 2020年1月14日星期二 27 以表達式z y 1 y x 為例 可以理解成z f u 而f u 等價于g v h w 其中g(shù) V y 1 h w y x 也就是說 函數(shù)z f u 的求解可歸約成求兩個子函數(shù)g v 和h w 的積 而g v 和h w 又可以分別繼續(xù)向下歸約 針對函數(shù)程序設(shè)計語言的特點和問題來設(shè)計支持函數(shù)式程序運行的新計算機 這就是歸約機 2020年1月14日星期二 28 7 3 2面向函數(shù)式語言的歸約機 歸約機按其歸約模型可分為串歸約 StringReduction 機和圖歸約 GraphReduction 機兩類 兩者的區(qū)分主要是對函數(shù)表達式所使用的存儲方式不同 前者以字符串形式存儲而后者則以圖的形式存儲 2020年1月14日星期二 29 z 串歸約 z 圖歸約 以表達式z y 1 y x 為例 假定x和y分別賦以2和5 28 4 7 5 5 2 2020年1月14日星期二 30 串歸約特點 是一種不斷地在定義表達式集合中去查找和復(fù)制的過程 而且對每次函數(shù)作用都要重復(fù)執(zhí)行 因而時間和空間的輔助開銷都比較大 圖歸約方式與串歸約方式主要的不同在于 定義表達式時設(shè)置了Z 1 Z 2等指針 這樣 下一層作用的返回結(jié)果將直接取代上一層作用的自變量 省去了歸約時的復(fù)制開銷 同時 實現(xiàn)了自變量返回值的共享 不用對同一函數(shù)作用重復(fù)執(zhí)行 就可以直接引用此函數(shù)求值的結(jié)果 歸約方式體現(xiàn)了按需求驅(qū)動的思想 根據(jù)對函數(shù)求值的需求來激活相應(yīng)指令 2020年1月14日星期二 31 7 4人工智能計算機 人工智能計算特征AI計算機的分類AI計算機的研究進展RWC研究計劃 2020年1月14日星期二 32 7 4 1人工智能計算特征 1 AI計算的主要對象是符號而不是數(shù)值2 AI計算是非確定計算3 AI計算是動態(tài)進行的4 具有并行和分布處理的巨大潛力5 知識管理問題 2020年1月14日星期二 33 AI處理的基本要點 有關(guān)知識的獲取 表示和智慧地加以使用 知識處理 知識的獲取 AI系統(tǒng)應(yīng)能從視覺 聲音和書寫等各種信息源獲取信息 由于這些信息的來源往往是不完整 不精確甚至是相互矛盾的 因此必須對它們進行止確的識別和理解 知識的表示 主要是對有關(guān)對象 關(guān)系 目標(biāo) 動作以及處理過程的信息加以編碼 形成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和編寫成過程 知識的處理 主要用于問題求解 邏輯演繹和情報檢索等 2020年1月14日星期二 34 7 4 2AI機的分類 1 基于語言的AI計算機2 基于知識的AI計算機3 連接式 Connectionist AI計算機4 帶智能接口的AI計算機 2020年1月14日星期二 35 7 4 3AI計算機的研究進展 日本五代機的研究計劃分三個階段進行 第一階段為3年 主要是對并行推理機的基本結(jié)構(gòu) 并行推理機制以及知識庫機結(jié)構(gòu)等進行研究和模擬試驗 第二階段用了4年時間 側(cè)重研究并行推理機PIM Parallelinferencemachine 以及知識庫子系統(tǒng)的管理軟件系統(tǒng) 最后階段的3年 主要是構(gòu)成一個智能信息處理系統(tǒng) 它以VLSI技術(shù)實現(xiàn)的知識庫機和并行推理機為硬件核心 并配以基本核心軟件和應(yīng)用軟件 2020年1月14日星期二 36 7 4 4RWC研究計劃 所謂