向量處理機

向量處理機（vector computer），面向向量型並行計算，以流水線結構為主的並行處理計算機。 採用先行控制和重疊操作技術、運算流水線、交叉訪問的並行存儲器等並行處理結構，對提高運算速度有重要作用。但在實際運行時還不能充分發揮並行處理潛力。向量運算很適合於流水線計算機的結構特點。向量型並行計算與流水線結構相結合，能在很大程度上克服通常流水線計算機中指令處理量太大、存儲訪問不均勻、相關等待嚴重、流水不暢等缺點，並可充分發揮並行處理結構的潛力，顯著提高運算速度。

基本介紹

• 中文名：向量處理機
• 類型：並行處理計算機
• 技術：先行控制和重疊操作
• 缺點：流水不暢

基本信息

向量處理機（vector computer），面向向量型並行計算，以流水線結構為主的並行處理計算機。

向量運算是一種較簡單的並行計算，適用面很廣，機器實現比較容易，使用也比較方便，因此向量處理機(向量機)獲得了迅速發展。TI ASC(1972年)和CDC STAR-100 (1973年）是世界上第一批向量巨型計算機（巨型機）。到1982年底，世界上約有60台巨型機，其中大多數是向量機。中國於1983年研製成功的每秒千萬次的757機和億次的“銀河”機也都是向量機。

向量機適用於線性規劃、傅立葉變換、濾波計算以及矩陣、線性代數、偏微分方程、積分等數學問題的求解，主要解決氣象研究與天氣預報、航空航天飛行器設計、原子能與核反應研究、地球物理研究、地震分析、大型工程設計，以及社會和經濟現象大規模模擬等領域的大型計算問題。

向量運算

在普通計算機中，機器指令的基本操作對象是標量，而向量機除了有標量處理功能外還具有功能齊全的向量運算指令系統。

對一個向量的各分量執行同一運算，或對同樣維數的兩個向量的對應分量執行同一運算，或一個向量的各分量都與同一標量執行同一運算，均可產生一個新的向量，這些是基本的向量運算。此外，尚可在一個向量的各分量間執行某種運算，如連加、連乘或連續比較等操作，使之綜合成一個標量。為了提高向量處理能力，基本型向量運算在執行中可以有某種靈活性，如在位向量控制下使某些分量不執行操作 ，或增加其他特殊向量操作，如兩個維數不等的單調上升整數向量的邏輯合併、向量的壓縮和還原。

流水處理

在向量各分量上執行的運算操作一般都是彼此無關、各自獨立的，因而可以按多種方式並行執行，這就是向量型並行計算。向量運算的並行執行，主要採用流水線方式和陣列方式兩種。

主存儲器

主存儲器（主存）容量的大小限定了機器的解題規模。向量機主要用於求解大型問題，必須具有大容量的主存，而且應該是集中式的公共存儲器，以方便用戶使用和程式編制。當高速運算流水線開動時，需要源源不斷地供給運算元和取走運算結果，還要求主存具有很高的數據傳輸率，否則便不能維持高速運算。

存儲器的速度總是低於運算部件，存儲器與運算部件之間的數據通路，是阻礙速度提高的“瓶頸”，而主存容量的增大又與提高存取速度相矛盾。所以，如何在速度上使主存與運算相匹配，是向量機設計中的關鍵問題之一。

縱向

這種機器採用向量全長的縱向加工方式，每執行一個向量運算都要從頭至尾執行全部分量的運算，運算元或結果向量都直接取自主存或寫入主存。主存的數據傳輸率須按運算部件速度的3～4倍來配置。縱向加工向量機設定交叉訪問的、數量眾多的存儲體和很寬的數據通路，並以超長字為單位進行訪問，以便滿足要求。這樣，就使成本高、主存系統靈活性差，難以實現對繁多的主存向量的高效存取。此外，向量運算的起步時間長，短向量運算速度下降幅度大。

縱橫

這種機器採用向量分段縱橫加工方式，並設定有小容量高速度的多個向量運算暫存器。計算向量運算表達式時，每個向量運算每次只執行一段分量。從主存取出的運算元向量和運算產生的中間結果向量，可以逐段存放在向量暫存器中，運算部件主要訪問向量暫存器組。這樣，就能保證運算部件進行高速運算，同時又能減輕主存的負擔，使對主存數據傳輸率的要求比縱向加工下降70%左右。美國的CRAY-1機和中國的757機都屬於這種型式。

軟體與套用

向量機一般配有向量彙編和向量高級語言，供用戶編制能發揮具體向量機速度潛力的向量程式。只有研製和採用向量型並行算法，使程式中包含的向量 運算越多、向量越長，運算速度才會越高。面向各種套用領域的向量程式庫的建立，能方便用戶使用和提高向量機的解題效率。向量識別程式是編譯程式中新開發的一部分，用於編譯時自動識別採用通常串列算法的源程式中的向量運算成分，並編譯成相應的向量運算目標程式，以提高向量機計算大量現存非向量程式的計算速度。向量識別技術還有待進一步發展和完善，以提高識別水平。

向量處理機的發展方向是多向量機系統或細胞結構向量機。實現前者須在軟體和算法上取得進展，解決如任務劃分和分派等許多難題；後者則須採用適當的互連網路，用硬體自動解決因用戶將分散的主存當作集中式的共存使用而帶來的矛盾，才能構成虛共存的細胞結構向量機。它既具有陣列機在結構上易於擴大並行台數以提高速度的優點，又有向量機使用方便的優點。