全数字仿真计算机

模似物理系统的高科技产品

全数字仿真计算机是用计算机系统模似物理系统的一项高科技。高性能仿真计算机，在航空、航天、兵器、交通、能源、化工等领域的大型和超大型实时仿真中，有着独特的重要作用，一直是发达国家重点开发的高科技产品。

基本信息

仿真的专用数字计算机。数字计算机具有易于设计程序、可靠性高和价格低等优点，在仿真技术中越来越受到重视。但是，仿真试验往往要求实时处理。对于复杂的系统，实时处理要求数字计算机有很高的运算速度。传统的通用数字计算机在合理的性能－价格比范围内不能满足这个要求。60年代以来出现了多种新的计算机结构方案。它们的共同点是基于并行处理原理，采用两个或两个以上的多处理机组成计算机系统。这类系统通常称为超计算机 (如ILLAC-Ⅳ和CRAY-Ⅰ)。70年代出现了被称为外围阵列处理机的小型超计算机，它具有很高的运算速度而且价格相对低廉。外围阵列处理机最初用于医学、断层分析和地震处理方面,后来逐渐用于仿真。其中AD-10系统是主要为仿真应用设计的。

处理过程

并行处理在并行处理中，同一时刻至少有两个或多个操作在同时进行，从而大大提高了运算速度。广义地说，并行处理原理早已用于设计通用计算机系统，其目的是为了充分利用计算机的资源，使一台机器并行地完成多个作业。而在多处理机系统中，并行化的目的则是为了利用多台处理机完成单一的作业，以获得很高的处理速度。并行处理计算机可分为单指令流多数据流结构(SIMD)和多指令流多数据流结构(MIMD)两类。

SIMD计算机它由一组处理机组成，每个处理机包括一个运算器和一个存贮器，排成阵列形式（图1），公共的控制器发出指令（单指令流），使各处理部件对不同的数据（多数据流）执行相同的运算。这种计算机又称为阵列处理机。具有 n个处理部件的阵列处理机的速度一般比单处理机高n倍。

MIMD计算机它由多个处理部件组成，每个并行的处理部件都具有独立的控制器和存贮器（图2）。它们在同一时刻可以并行地执行几条指令（多指令流），并对不同的数据(多数据流)进行不同的操作。这种处理方式的特点是多种功能部件分散地、并行地进行处理。

流水线计算机有人把它称为另一类并行处理计算机，但它不同于上述多个处理部件在空间上并行的计算机。流水线计算机以时间重叠和功能部件分解为基础，将一个串行的操作过程分解成几个子过程。完成这一操作的功能部件被分解成若干子功能模块。每个子功能模块完成一个子过程。各子功能模块的操作时间是重叠的。这种结构很象生产过程的流水作业线，加工的数据流不断地流入流水线，同时在流水线的输出端不断地得到加工完的数据。在此过程中，多个指令并发，而各个子功能模块所处理的是单一的数据流。因此这种系统有时称为多指令流单数据流结构(MISD)计算机。对于浮点加法器，采用6级的流水线会使运算速度提高约3倍。

面向仿真的外围阵列处理机70年代末为仿真设计的专用数字计算机系统由一台作为主计算机的通用超小型机（如VAX-780）和一台专用的外围阵列处理机(如AD-10）组成。外围阵列处理机在结构上属于MIMD一类,并在算术处理器中采用了流水线技术。它的各个功能处理机并行地完成积分运算、算术运算、控制、输入输出等操作。所有的辅助工作由主计算机完成。外围阵列处理机有3个特点:①采用了内部部件的并行化、流水线技术、超大规模集成电路工艺和定点运算方式,已获得每秒3千万次操作的处理能力;②配备了完善的输入输出系统(包括模数转换器、数模转换器)和离散输入输出系统）,与外部物理系统的连接方便；③配备了按照仿真操作要求设计的模块程序设计系统，易于掌握和使用。

参考书目

王正中编著：《系统仿真技术》，科学出版社，北京，1986。

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