概述

分析(1.Illiac IV阵列 2.阵列控制器 3.输入输出系统)

阵列处理机的缺点

阵列机的两种基本结构(1. 分布式存储器的阵列机 2. 共享存储器的阵列机)

概述

阵列处理机(Array Processor)也称并行处理机(Parallel Processor)通过重复设置大量相同的处理单元PE(Processing Element)，将它们按一定方式互连成阵列,在单一控制部件CU(Control Unit)控制下，对各自所分配的不同数据并行执行同一组指令规定的操作，操作级并行的SIMD计算机，它适用于矩阵运算。

阵列处理机实质上是由：专门对付数组运算的处理单元阵列组成的处理机；专门从事处理单元阵列的控制及标量处理的处理机；专门从事系统输入输出及操作系统管理的处理机，组成的一个异构型多处理机系统。

阵列处理机上并行算法的研究与结构紧密联系在一起，并行处理机处理单元阵列的结构又是适合于一定类型计算问题而专门设计的结构。

分析

1.Illiac IV阵列

Illiac IV阵列PU由64个处理单元(PE)、64个局部存储器(PEM)和存储器逻辑部件(MLU)组成。

2.阵列控制器

阵列控制器CU实际上是一台计算机。它除了对阵列的处理单元实行控制以外，还能利用本身的内部资源执行一整套指令，用以完成标量操作，且在时间上与各PE的数组操作并行进行。

阵列控制器的功能如下：

1.对指令流进行控制和译码，包括执行一整套标量指令；

2.向各处理单元发出执行数组操作指令所需的控制信号；

3.产生并向所有处理单元广播公共的地址部分；

4.产生并向所有处理单元广播公共的数据；

5.接收和处理由各PE计算出错、系统I/O操作、B6700所产生的陷阱中断信号。

阵列控制器CU与处理单元阵列之间的信息联系，共有以下四条信息通路：

CU总线 局部存储器PEM经过CU总线把指令和数据送往阵列控制器，以8个64位字为一信息块。此处的指令是指分布存放在阵列存储器中用户程序的指令；而数据可以是处理所需的公共数据，先将它们传送到CU，再利用CU的广播功能传送到各处理单元。

公共数据总线CDB 这是64位总线，用作向64个处理单元同时广播公共数据的通路。例如，作为公共乘数的常数就不必在64个PEM中重复存放，可以由CU的某一个寄存器送往各处理单元。又如，指令的操作数和地址部分也要经过CDB总线传送。

模式位线 每一个处理单元都可以经过模式位线把它的“模式寄存器”状态传送到CU中来，送来的信息中也包括该处理单元的“活动”状态位。只有那些处于“活动”状态的处理单元才执行单指令流所规定的公共操作。从64个处理单元送往CU的模式位在CU的累加寄存器中拼成一个模式字，以便在CU内部执行一定的测试指令，对此模式字进行测试，并根据测试结果进行程序转移动作。

指令控制线 指令控制线大约200根，包括处理单元微操作控制信号，处理单元存储器地址信号和读/写控制信号，由CU发送到阵列处理单元PE和存储器逻辑部件MLU中。

3.输入输出系统

Illiac IV输入输出系统有磁盘文件系统DFS、I/O分系统和B6700管理计算机组成。

磁盘文件系统DFS是两套大容量并行读写磁盘系统及其相应的控制器。每套有13台磁盘机，总容量为1E9位；每台磁盘机有128道，每道1个磁头，并行读写，数据宽度为256位，最大传输率为5.02E8位/秒；平均等待时间为19.6毫秒。如果两个通道同时发送或接收数据，则数据宽度为512位，最大传输率为1E9位/秒。

I/O系统包括三部分，即输入/输出开关IOS、控制描述字控制器CDC、输入/输出缓冲存储器BIOM。

1.IOS的功能：一是作为名副其实的开关，把DFS或可能连上的实时装置转接到阵列存储器，进行大批数据的I/O传送；二是作为DFS和PEM之间的缓冲，以平衡两边不同的数据宽度。

2.CDC的功能是对阵列控制器的I/O请求进行管理。此时，CDC将使B6700计算机中断，由它设法响应I/O请求，并通过CDC给CU送回相应的响应代码，在CU中设置好必需的控制状态字。然后，CDC促使B6700启动PEM的加载过程，由DFS向PEM送入程序和数据。在PEM加载完毕后，又由CDC向CU传送控制信号，使它开始执行Illiac IV的程序。

3.BIOM的功能：它处在DFS和B6700之间，是为了取得二者之间传送频宽上的匹配。

B6700管理计算机的作用是：管理全部系统资源，完成用户程序的编译或汇编，为Illiac IV进行作业调度、存储分配、产生I/O控制描述字送至CDC、处理中断、提供操作系统所具备的其他服务。

阵列处理机的缺点

许多问题不能很好地映射为严格的数据并行算法，

在某一时刻,阵列处理机只能执行一条指令,当程序进入条件执行并行代码时,效率会下降

很大程度上是单用户系统,不容易处理多个用户要同时执行多个并行程序情况

不适合于小规模的系统

阵列处理机是美国宝来公司和伊利诺大学合作研制生产的机器，它是最早(1972年)问世的SIMD计算机。

阵列机的两种基本结构

根据存储器模块是以分布方式存取还是集中方式存取，阵列机可分为两种基本结构：分布式存储器的阵列机和集中共享存储器的阵列机。

1. 分布式存储器的阵列机

分布式阵列处理机的基本结构如图(a)所示。这种阵列机的主要结构特征如下：

(1)具有N个相同的处理单元PE，它由处理器Pi和局部存储器Mi组成。只要数据分配得当，各个Pi主要将从自己的Mi中获取数据进行操作。各个PE将通过IN实现相互间必要的数据交换，因此，IN是单向的。

(2)CU中具有自己的存储器，以存放系统程序和用户程序，此外，它也可存放各个PE所需的共享数据。CU的主要功能是对指令译码和判别它应在何处执行。对于标量或控制类指令，CU本身中含有运算部件可以直接执行；若是向量指令，它就将此指令广播给各个PE去执行。

(3)各个PE同步执行来自CU的操作命令。但是并不一定每个操作非得所有PE都参加，CU将对PE实行屏蔽控制，只有那些未被屏蔽的活跃PE才可参加操作。CU还控制互连网络IN，使各个PE之间通过IN实现相互之间必要的数据交换。当相互需要交换数据的两个PE不直接相连时，就需要经过它们之间的中间PE来完成连接。

2. 共享存储器的阵列机

图(b)中示出了这类型的阵列机结构。它与图(a)中分布式存储器的阵列机结构的区别主要在于：

(1)每个PE没有局部存储器。存储器模块以集中形式为所有PE(通过IN)共享。

(2)互连网络受CU控制，用来构成PE和M之间的数据交换通路。要求互连网络具有同时连接PE到M或M到PE的双向性。系统中的一个PE可以与任何另一个PE实现数据交换(只要有任何一个存储模块同时与这两个PE相连接)。当两个需交换数据的PE之间没有共享的存储模块时，可能需要经过多次的传送之后，方可实现交换。