[科普中國(guó)]-Illiac計(jì)算機(jī)

ILLIAC是一臺(tái)采用64個(gè)處理單元在統(tǒng)一控制下進(jìn)行處理的陣列機(jī)。ILLIAC的中央處理裝置分成了四個(gè)可以執(zhí)行單獨(dú)指令組的控制器，每個(gè)控制器管理數(shù)個(gè)處理單元，總共有256個(gè)處理單元。美國(guó)ILLIAC-IV計(jì)算機(jī)，是第一臺(tái)全面使用大規(guī)模集成電路作為邏輯元件和存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)，它的出現(xiàn)標(biāo)志著計(jì)算機(jī)的發(fā)展已到了第四代。

基本概念I(lǐng)LLIAC是一臺(tái)采用64個(gè)處理單元在統(tǒng)一控制下進(jìn)行處理的陣列機(jī)。為了以較低的成本得到很高的速度，ILLIAC的中央處理裝置分成了四個(gè)可以執(zhí)行單獨(dú)指令組的控制器，每個(gè)控制器管理數(shù)個(gè)處理單元，總共有256個(gè)處理單元。每個(gè)處理單元可以作為一個(gè)運(yùn)算和邏樣裝置, 具有它自己的2048字（每字64位）存片器，并能和所有其它的處理單元發(fā)生聯(lián)系。由于運(yùn)算和邏輯功能分配在256個(gè)處理單元上，因此ILLIAC可以同時(shí)完成很多類(lèi)型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作。根據(jù)這種平行機(jī)理，就要求處理單元本身是一臺(tái)快速計(jì)算機(jī)，存儲(chǔ)器周期小于300ns，64位的浮點(diǎn)加法為250ns，二個(gè)64位數(shù)的浮點(diǎn)乘法為450ns。

美國(guó)ILLIAC-IV計(jì)算機(jī)，是第一臺(tái)全面使用大規(guī)模集成電路作為邏輯元件和存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)，它的出現(xiàn)標(biāo)志著計(jì)算機(jī)的發(fā)展已到了第四代。

ILLIAC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示是ILLIAC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

它由四個(gè)單獨(dú)的CU，每個(gè)CU驅(qū)動(dòng)帶有64個(gè)PE存儲(chǔ)器的PE。各CU的連接線(xiàn)允許所有的CU精確地執(zhí)行同一指令流，在這種“聯(lián)合” 操作方式時(shí)，程序傳送是跨象限的，和是首尾相接的。

立體型設(shè)計(jì)立體型計(jì)算機(jī)一臺(tái)立體型計(jì)算機(jī)根據(jù)其功能特點(diǎn)表示為下圖：

它包括：

（1）保存操作數(shù)和指令的存儲(chǔ)器。

（2）一臺(tái)控制制器，它從存儲(chǔ)器取出指令，對(duì)指令譯碼，發(fā)出操作或驅(qū)動(dòng)的控制信號(hào)（微序列脈沖）。

（3）一臺(tái)運(yùn)算器，對(duì)由存儲(chǔ)器取出的操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算（加、邏輯操作、乘），并將結(jié)果送回存儲(chǔ)器。事實(shí)上，控制器監(jiān)視和控制在存儲(chǔ)器與運(yùn)算器之簡(jiǎn)的信息流動(dòng)情況，并對(duì)運(yùn)算器進(jìn)行操作。

ILLIAC立體型設(shè)計(jì)下圖給出了ILLIAC設(shè)計(jì)中如何對(duì)立體型設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改，該圖只給出了一個(gè)象限，也可以說(shuō)是四分之一的ILLIAC列陣。

其控制器的工作方式與立體型計(jì)算機(jī)中控制器的工作極端相像，指令從存儲(chǔ)器到控制器，并在其中進(jìn)行，然后產(chǎn)生微序列信號(hào)。這種微序列信號(hào)重復(fù)64次，每組送到一個(gè)單獨(dú)的運(yùn)算器。同樣的信號(hào)控制64個(gè)不同的運(yùn)算
器，從而使運(yùn)算器運(yùn)算的數(shù)量增加了64倍。一個(gè)運(yùn)算器定為一個(gè)“處理單元”（PE），64個(gè)PE中的每一個(gè)都有一個(gè)存儲(chǔ)器，而且只能與它自己的存儲(chǔ)器發(fā)生取數(shù)與存數(shù)的關(guān)系，然而控制器卻能從64個(gè)存儲(chǔ)器中的任一個(gè)中取出
指令，這種每個(gè)運(yùn)算器只能與它單一的存儲(chǔ)器執(zhí)行存儲(chǔ)器操作的限制解決了某些問(wèn)題, 但也帶來(lái)了某些另外的難題。

ILLIAC各部分功能處理單元ILLIAC的處理單元基本上是一個(gè)四寄存器的運(yùn)算器。有一個(gè)A寄存器和一個(gè)B寄存器，用以存放運(yùn)算操作和邏輯操作的操作數(shù)，執(zhí)行運(yùn)算操作時(shí)，其操作數(shù)一個(gè)放在A寄存器中，一個(gè)放在B寄存器中，結(jié)果留在A寄存器中。S寄存器作為暫用存儲(chǔ)器，以防止利用中簡(jiǎn)結(jié)果時(shí)重復(fù)地動(dòng)周存儲(chǔ)器。R寄存器用作程序傳送時(shí)PE之間的信息轉(zhuǎn)換。這些寄存器的字長(zhǎng)都是64位。下圖是ILLIAC的處理單元和處理單元存儲(chǔ)器：

控制器ILLIAC的機(jī)器語(yǔ)言指令由32 位組成，PLA中的64字（每字64位）提供128條指合的排隊(duì)，多至128條指令的循環(huán)執(zhí)行時(shí)不需與PE存儲(chǔ)器打交道。64字分成8組，每組8個(gè)字。當(dāng)控制器正在執(zhí)行的指令進(jìn)入8字的第5個(gè)字時(shí)，它就檢驗(yàn)下一個(gè)8個(gè)字是否已經(jīng)放入PLA，如果還沒(méi)有進(jìn)人PLA ，則就發(fā)出命令，把它們送入PLA，同時(shí)把原來(lái)的8個(gè)字清除。這就有效地減少了由于取指令而產(chǎn)生的大量延遲時(shí)間，但下述情況除外，即向程序的一部分執(zhí)行轉(zhuǎn)移，而該程序不在PLA中。對(duì)大量的已被模擬的程序來(lái)說(shuō)，已發(fā)現(xiàn)控制器為了等待從存儲(chǔ)器取出指令的延遲時(shí)間大大小于原需時(shí)間的1 %。

下圖是控制器中主要部分的功能圖：

控制器（CU）和處理單元（PE）的通訊在CU和PE間轉(zhuǎn)換操作數(shù)與信息，可用下述幾種方法：

（1）CU可以同時(shí)向所有的PE送出一個(gè)64位的字，該字原來(lái)可在CU的局部存儲(chǔ)器中，或CU的運(yùn)算器中。其目的地可為PE的64位操作寄存器中的任何一個(gè)。

（2）CU把64位的字送到PE，每個(gè)PE用一位，即第一位至 ，第二位至 …第64位至 。每位所到的目的地可為每個(gè)PE中8個(gè)1位寄存器中的任一個(gè)，這就是使PE響應(yīng)或不響應(yīng)的方法。

（3）CU以上述相反的方法從PE接收信息，即從每個(gè)PE的1位寄存器中取樣一位，在CU中組合成一個(gè)64位的字，利用這個(gè)方便，CU就可以借助于64個(gè)不同的PE的一位模寄存器來(lái)的64位字，判斷哪個(gè)PE是響應(yīng)的。

（4）CU可把任一PE存儲(chǔ)器的字取至局部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或PLA，這種取數(shù)可以是一個(gè)64位字的傳送，也可以是8個(gè)相接的64位字的傳送。8個(gè)相接字的取出僅比單個(gè)字的取出需要稍長(zhǎng)的時(shí)間，因此是把PE存儲(chǔ)器的數(shù)成批進(jìn)入CU的快速方法。所有送至PLA的取數(shù)操作都是自動(dòng)進(jìn)行的1。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

馮麗萍 - 教授 - 太原師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系