[其他]大规模并行陈列处理系统

说明书

本发明涉及数字数据处理系统技术领域，特别涉及具有大量处理器的阵列处理系统。这些处理器有规律地互相联结成一定的结构，所有这些处理器都从一个共同的控制装置接收相同的指令。

数字数据处理系统包括三个基本单元，即存贮单元、输入/输出单元和处理单元。该存贮单元在可寻址存贮单元存贮信息，这一信息包括用于处理该数据的数据和指令。该处理器单元从存储单元取出信息，把该信息作为指令或数据这二者之中的一种，并按照指令处理该数据，并把被处理的数据送回存贮单元。该输入/输出单元在处理器单元的控制下也同存贮单元通信，以便传递信息（这些信息包括被处理过的指令和数据）到存贮器以及从该存贮器获取处理过的数据。

大部分现代数据处理系统被认为是“冯·诺埃曼”（Von.Neuman）机，因为它们是根据Johu    Von    Neuman的构思而构成的。冯·诺埃曼机的特征在于具有一个处理单元、一个在该系统中存贮所有信息的公用的存贮器和一个能识别被执行的指令在公用存贮器中的存贮单元的程序计数器。该处理单元一次执行一条指令，也就是该指令由程序计数器来识别。当一条指令被执行的时候，该程序计数器予先识别下一条将被执行的指令的存贮单元。（在大多数现代系统中，在处理器完成处理现行指令前，该程序计数器实际已予先处理了。）

冯·诺埃曼系统的设计和程序的方案并不复杂，因为在同一时间仅进行一种操作，因而它们也就相对地要慢。对于最初的冯·诺埃曼系统来说，它的一些优点在于允许该系统有各种不同的部分（尤其是各种不同的处理器单元）以便于操作上相对地独立并使处理速度得以提高，这种优点首先是执行一条指令的各种步骤采用了流水线的方式，这些步骤包括指令的获取、操作码的译码（一条典型的指令包括能识别被执行的操作的操作码和在大多数情况下识别用于执行指令的操作数或数据的一个或多个操作数区分符）、取操作数、执行（即在取得操作码和操作数的基础上，完成下面的操作步骤）和存贮被处理的数据，它是由处理器中单独的硬件相对独立地完成的。在流水线方式的处理器中，该处理的取指令硬件取出一条指令，同时另外的硬件对另外的操作码进行译码，取出另外的操作数，还执行另外的指令和存储第5条指令处理过的数据。流水线方式不能提高单条指令的处理速度，但是因为在完成对第一条的处理之前处理器开始对第二条指令的处理，所以提高了对指令串的处理速度。

流水线方式也可以使用在含有处理器的若干电路中，值得注意的是这些电路可以完成一定的算术运算，以便提高一系列计算的处理速度。类似的指令处理的流水线方式，流水线的算术运算不能提高单项计算的速度，但它提高了一系列计算的处理速度。

流水线方式的处理器比冯·诺埃曼系统中单纯的处理器要明显地复杂，它不仅需要各种电路以完成每一种操作（在单纯的冯·诺埃曼系统中，许多电路都可用来完成不同的操作）而且控制电路也要去调整各种电路的工作状态。然而，这种系统可以明显地提高速度。

近来，出现了一些带有执行硬件的处理器，这些硬件包括多功能单元，每个单元被设计为能完成一定类型的数学运算。例如，某些处理器具有单独功能单元用来完成整数算术运算和浮点算术运算，因为浮点算术运算需要处理一个浮点数的两部分，即小数部分和指数部分，而整数算术中的数只有一部分。某些处理器，例如由ContralDate    Corporation（数据控制有限公司）生产的CDC    6600，包括有若干个单独功能单元，每个单元能完成一种或几种类型的算术运算，包括加、乘、除、转移和逻辑运算，所有这些运算都能同时完成，这对加速确定的计算是有利的，特别是为了完成计算，可以同时利用这几个功能单元。

在具有流水线方式或多功能单元（或者两者都有，因为这两者均可被结合在一个处理器中）的处理器中，一条单独的指令序列操作一单独的数据序列，也就是每条指令操作数据同时产生一种计算。这样的处理器称之为用于“单条指令-单条数据”的“SISD”。但是，如果一个程序要求程序中的一段用来操作某些不同的数据元素，以产生某些计算，那么为了进行每一种计算，该程序使得处理器循环通过那一段程序。在有些情况，该程序段较短或仅有少量的数据元素则需要完成该数据的计算的时间不会太长。

然而，对于许多类型的这种程序，SISD处理器要完成所有这些所要求的计算将需要很长的时间。因此，处理器进而同大量的处理单元相结合，在相同指令下所有的操作同时进行，每一个处理单元处理一个单独的数据序列。这些处理器称之为“SIMD”处理器，用于“单条指令-多条数据”工作。