分布与紧致功能并存的计算系统原理

1、分布与紧致功能并存的自动计算系统原理(简介)1引言尽管电子计算机的相关观念已经成为常识，但是什么是计算与计算器件，人们始终没有得到明确认识。现存的计算器件与系统有很多，1)数值计算(数字计算并存) 2)相似广义计算:数字电路的可编程逻辑器件(FPGA),数字电视等从模拟计算升级到数字计算的模拟传输-数字计算系统(数字收音机等),嵌入式芯片在持续使用设备中的应用(交通工具,家电,工业制造机器);3)计算系统的延伸: eg.机器人与可控机器助手.在空间拓扑上，伴随不同计算理论,实现方式与体系,还产生不同存储方式与存储器组织结构。以pc机为例，内存单元集中存放紧致相连，外存则通过数据线与主机相连，与

2、主机是分布关系。 计算器件被控制器调用，属于控制流调度。神经网络则相反，每一个节点包括计算部分和存储部分两个成分， 在系统到达基势时，一般存在一定数量的冗余节点。通过构建聚类有序运算系统，属于数据流驱动。这两个计算系统的有效组合，构建分布与紧致并存，数据流驱动与控制流调度传输方向共存的计算系统，可作为通用神经网络，通用计算机，医院用可控机器人的控制计算部件，甚至智能计算机。2分布与紧致特性并存的计算系统原型一个计算器件可用以下特性描述：计算节点，存储节点，连接，运算方向。神经网络在处理二维图像，曲线数据，字符程序有优势。可构建一个物理平面存储一个平面的数据，平面中每个节点可存储数据也可进行全功

3、能简单计算，要求：1 可进行字符串计算2 可进行图像处理，将相关节点聚类成一个矩阵或向量的形式。称为平面计算。3 可进行类似神经网络的计算：在一个平面上按照某个顺序，使数据逐层向前计算得到输出。4 可构建不同结构和连接系数的形式，按时间更新，用在机器人的控制系统或者专家系统，智能计算机。这要求物理平面，可由组合不同节点（构成矩阵）进行加减法，数乘等简单运算，并且可对存储字符进行字符串计算（例如编译器）， 可构建神经网络。存储部分可更新内容也可如cache或内存一样保存数据（具有堆栈段功能）。1)对于DSP等计算，设定紧致计算器件。2)若调度机器也有计算功能，在平面稀疏存储部分也可实现。紧致计算

4、器件内部不重构，但可组合一类的新器件。数据流方向由调度机同步决定。 如果使用多道方式，那么可以处理不同速率的输入数据，仅仅对实时处理系统是必要的。3现有四类数字数值计算系统分析3.1众核处理器网上介绍的众核处理器系统澄清了三个概念：1）全功能计算节点概念的扩展。将一个神经网络节点用一个cpu代替。2）存储与计算单元紧致组合概念的相似实现。 3）明确了通用计算模式神经网络结构概念。网上介绍一个美国研究人员用多个8位cpu与一个多位powerpc构成一个新的计算器件，是对这三个概念的进一步验证，可构成神经网络。调度机与紧致计算器组合现阶段可用众核处理器实现。存储与计算平面可以由8位或4位cpu构成

5、阵列平面实现。实际结构可不需要大量内存，只用cache。编译的结果是按照计算的方向和形式，安排数据的存放形式与指令的方式，例如多个节点构成横向连续加的计算器，并将通过调度机，输出到另一个存储阵列。3.2 FPGA实现 宽域节点平面可实现矩阵乘法与其它计算，因此可使用FPGA实现. 3.3光计算与计算机控制器 光计算的特点是并行计算与阵列同步。现有光电混合计算器一般用电路作控制器，但是与光计算单元没有数据交换的功能。计算机控制器则不对计算单元（节点）直接控制. 总结：计算系统分析1) 运算对象2) 相关性*内容相关组合,语义,位置相关,混合相关*数据存储与内容相关的冲突3)通用计算系统CS包括三

6、个子系统存储M，计算C（执行方向D），连接N，CS=M，C(D)，N4指令系统分析 尽量少的语句个数。一个指令系统的实现方法：语句间用链接指令链接。语句指令码用数字代替，数字是可执行部件的顺序码，一个数字可对应多个可执行部件。不再进行指令译码。数据传输方向由调度机决定。编译的结果使相关语句构成一个语句段，不相关语句段之间可并行处理。语句中增加双向顺序指针，输出指针。语句的集合表示方法：if c=0.1 then <c,d>=<0,1>,<1,0>执行短语句构成相关长语句段。5分布与紧致计算并存系统原理时钟：存储与分散计算部件，调度控制部件，计算部件使用不同的

7、时钟。指令在部件间传递主要分成：传输与计算两个部分。时钟的不同，主要指传输与计算的周期，起止时间不同，在原体系中指机器周期的长度不同。 指令的传输由调度机完成，并根据计算器件块表（类似路由器表），选择计算器件， 多核多线程CPU与单核控制器是两类不同的调度方式。后者是集中式处理，前者是分布式处理。集中式处理是必要的，即使是最低限度。计算器件可以是分布式。在三维技术还没有广泛应用前，可用多（众）核处理器作为调度机和紧致计算器件，用FPGA作为可计算存储平面。具有功能紧致与数据驱动特性,以数据为中心.6结束语进一步的研究：网格中计算器件的空间拓扑关系，软件语句与硬件结构的拓扑对应关系。神经网络的硬

8、件实现可以用低位cpu代替全功能计算节点，增加调度机实现。附录： 一个重要的应用标准的器件，不同的组织与构建方式得到应用与不同目的信息与计算机（工业上有标准件，可以用到不同的机器上）。根据个人计算机，单位信息处理机（一般是网络或集群系统），大型科学计算机系统（例如用于天气预报，大型研究系统）；科研用计算机，偏重文字处理类信息机，偏重娱乐用计算机与信息机，网络连接设备与通信设备，可移动设备（手机，电子字典，PDA）；智能家居类控制型计算设备等等。一般在不运行程序时，大多设备闲置；运行程序时，总是感到速度慢，或者声音不够清晰，图像分辨率低，网络速度慢，cpu运行速度慢.因此构建可扩展，可组装，可重

9、构类信息处理设备。例如可移动高容量存储器；远程备份；可移动设备(便携)共享一个输入输出设备，不同用途时，使用不同cpu（可连接到信息处理机，提高cpu处理速度），还可共享存储器；手机通信通过有线电视传输。Pc机用于数字电视（不同的专用I/O设备，异构与同构cpu）等等，实现的关键技术是数据连接技术与并行处理，减少重复设备，按应用等级使用处理器，发挥系统最大利用率,包括时钟和电源的分布。*指令的执行方式-动态形式（过渡阶段） 指令不再用指令码的形式，而是使用序号：指令是有限的，因此可以建立序号表。这样就不用译码了。指令的形式如同网络的信令格式或桢格式。有指针指向前一条指令或下一个指令。指令有优先级，与所在具体多道程序的优先级一样。每个动态程序有多个程序计数器，按照指令的类型设置。 每一个类型的指令对应一个硬件芯片集，每一个硬件芯片集有自己的高速缓存区，将多道程序可执行的相同指令存放在对应硬件芯片集的高速缓存区。指令执行的结果的存放需要控制器指令调度部件决定。这个指令调度部件还决定执行高速缓冲区中哪一个指令，静态程序区中那些指令可执行并传送到