[科普中国]-串行处理机

定义

并行计算机是由多个处理单元或处理器组成的计算机系统，这些处理单元或处理器之间通过互连网络相互通信和协作，能快速、高效地求解大型复杂问题。并行计算机是相对串行计算机而言的。

串行计算机或称为顺序计算机只有单个处理机，按顺序工作方式逐一顺序的执行程序中的指令。

串行处理机是由系统各个部件顺序地处理数据的计算机。串行处理机主要由中央处理器(即CPU，用来执行程序)、存储器(用来保存程序和数据)以及输入输出系统(即I/O系统，用作与外界交互和后援存储器)等组成。1

串行处理机习惯采用循环和迭代算法，这样可以缩短程序长度，节省程序所占的存储空间量，简化编程，但是这些算法往往很不适合于多处理机并行，因为它会导致大量的相关，采用直接解法有时反倒能揭示更多的并行性。

特点操作速度是串行系统的潜在不足。一般，要构成小型、廉价的硬件系统，需要采用专用结构，即要在通用性与性能之间采取一种折中的方案。一种重要途径是探讨串行系统中所具有的潜在能力。

串行系统可提供解决实际问题的办法。它们相对便宜，且易于编程。图像间的变换性能相对于并行系统要逊色，但这并不经常影响整个系统性能。虽然并行性具有吸引力，但是，串行方法仍然具有许多优点，不应当低估。事实上，任何一台实际系统都涉及到某些串行和某些并行，故我们要对并行系统进行定义。实际上，串行系统通常是指各硬件单元都涉及到处理各个数据的系统。流水线处理机与多处理机都属于串行系统。

在某种意义上说，某些图像处理操作存在固有的并行性，即同样的运算规则必须应用到参与运算的各个数据，并且与数据处理的顺序无关。与并行操作相反，某些图像处理操作具有固有的串行性，即数据的处理顺序是重要的。便如搜索、检测与分类。某种意义上说，搜索可能涉及到目标计算，或者从近似位置的知识开始寻求具有某些图像特征的精确位置。整幅图像的分类或图像中目标的分类可能涉及到一系列的测度和利用一个顺序的决策。

常用算法循环算法循环算法虽然简单，但它契合计算机运算速度快的特点，让计算机去完成枯燥重复的计算，正好发挥了计算机的优势。循环算法也是其他许多算法的基础。循环算法设计的基本过程如下：

（1）观察问题，找出循环的规律

（2）算法设计中，可以将复杂的问题分解为多个小问题，分别解决，最后综合在一起。可以采用两种策略：①由内到外：先将每次循环过程中执行的语句序列设计好，然后外边套上循环结构；②由外到内：先设计好循环结构，后设计循环体内的语句序列。

迭代算法迭代算法(itcration)也称“辗转法...是一种不断用变量的旧值递推出新值的解决问题的方法。迭代算法一般用于数值计算。迭代法应该是早已熟悉的算法策略，程序设计语言课程中所学的累加、累乘都是迭代算法策略的基础应用。

利用迭代算法策略求解问题，设汁工作主要有3步：

（1）确定迭代模型

根据问题描述，分析得m前一个(或几个)值与其下一个值的迭代关系数学模型。当然这样的迭代关系，最终会迭代出求解的目标。

确定迭代模型是解决迭代问题的关键。

（2）建立迭代关系式

递推数学模型一般是带下标的字母，算法设计中要将其转化为”循环不变式”——迭代关系式。迭代关系式就是一个直接或间接地不断由旧值递推m新值的表达式。存储新值的变量称为迭代变量。

迭代关系式的建立是迭代算法设计的主要工作。

（3）对迭代过程进行控制

确定在什么时候结束迭代过程，是设计迭代算法时必须考虑的问题。

迭代过程的控制通常可分为两种情况：一种是已知或可以计算m来所需迭代次数，这时可以构建一个固定次数的循环来实现对迭代过程的控制。另一种是所需的迭代次数无法确定，需要分析出迭代过程的结束条件，甚至于要考虑有可能得不到目标解(迭代不收敛)的情况，避免出现迭代讨程的死循环。2

组成中央处理器当用计算机解决某个问题时，我们首先必须为它编写程序。程序是一个指令序列，这个序列明确告诉计算机应该执行什么操作，在什么地方找到用来操作的数据。一旦把程序装入内存储器，就可以由计算部件来自动完成取指令和执行指令的任务。专门用来完成此项工作的计算机部件称为中央处理机，通常简称CPU。

CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的基本功能：

（1）指令控制：程序的顺序控制，称为指令控制。由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按程序规定的顺序进行，因此，保证计算机按顺序执行程序是CPU的首要任务。

（2）操作控制：一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。

（3）时间控制：对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。

（4）数据加工：所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处:理，是CPU的根本任务。因为，原始信息只有经过加工处理后才能对人们有用。

CPU是计算机系统中最重要的硬件，可以说是整个计算机的大脑。CPU是控制并执行指令的部件，该部件不仅要与计算机的其他功能部件进行信息交换，还要控制它们的操作。CPU的基本功能是读取并执行指令，它通常包含运算器和控制器两大部分。运算器实现指令中的算术和逻辑运算，是计算机运算的核心。控制器负责控制程序运行的流程，包括取指令、维护CPU状态、CPU与内存的交互等。3

存储器计算机主存储器是计算机的重要组成部分。存储系统的优劣，特别是它的存取速度和存取容量关系着整个计算机系统的优劣。存储器是电子计算机重要组成部分之一。它具有某种“记忆能力，可用来存储与保存程序、数据等信息，而且能根据指令提供这些数据。

存储器评价的主要标准是大容量、高速度和低价格。

存储器的容量是指存储器能容纳的二进制信息总量．通常用字节表示。常用的单位有字节B(Byte)，千字节KB(Kilo Byte)，兆字节MB(Mega Byte)，吉字节GB(Giga Byte)。

存储器的速度可用存取时问、存储周期和存储器带宽来描述。

(1)存取时间是从存储器接到读命令起，到信息被送到存储器输出端总线上所需的时间。存取时间取决于存储介质的物理特性及使用的读出机构的特性。

(2)存储周期是存储器进行一次完整的读写操作所需要的全部时间，也就是存储器进行连续两次渎写操作所允许的最短问隔时问。存储周期往往比存取时间大，因为存储器潋或写操作后。总会有一段恢复内部状态的恢复时间。存储周期的单位常采用us或ns(毫微秒)。

(3)存储器的带宽表示存储器单位时间内可读写的字节数(或二进制的位数)，义称为数据传输率。

存储器的价格可用总价格或每位价格来表示。存储器的成本包括存储单元本身的成本和完成读写操作必需的外围电路的成本。4

输入输出系统输入输出(I/O)系统是计算机系统中的主机与外部进行通信的系统。它由外围设备和输入输出控制系统两部分组成，是计算机系统的重要组成部分。它的作用是把计算机系统外的数据输入到计算机主机中，并将计算机主机处理后的数据输出到计算机系统外。I/O系统是一个硬件、软件结合的系统，硬件部分包括外围设备及其与主机的接口，软件部分则包括接口的初始化程序及具体的输入输出操作程序等。5