Компьютер без процессора - разве такое возможно? А почему бы и нет! Ведь процессор выполняет множество различных функций, реализация которых может быть возложена и на другие устройства. Архитектура же процессорных вычислений построена таким образом, что большинство операций выполняет именно процессор. Следовательно, вся вычислительная мощь компьютера сосредоточена в процессоре, что ограничивает возможности конфигурирования под конкретные задачи. Кроме того, решения для ускорения процессорных вычислений все более усложняются - число функций, которые должен выполнять процессор, растет. В результате конструкция современных процессоров стала настолько сложной, что предъявляет слишком высокие требования к уровню разработок.
1. Синхронные вычисления
Все микрокомпьютеры со времен их создания состояли из процессора, памяти и периферийных устройств. Причем активной частью компьютера является именно процессор, а память и периферийные устройства только подчиняются его командам. Программы и данные хранятся в памяти. Периферийные устройства позволяют процессору общаться с внешним миром - здесь имеются в виду пользователи, другие компьютеры, жесткие диски и дополнительные устройства. Причем за один такт машинного времени процессор может обратиться только к одной ячейке памяти или к одному внешнему устройству. Процесс вычислений с помощью процессора организован в соответствии с изложенной ниже схемой.
- Процессор выставляет на шину адресов адрес необходимой ему ячейки памяти или порта внешнего устройства.
- Внешнее устройство или память должны выставить на шине данных свою информацию, которую запросил процессор.
- Процессор, считав информацию с шины данных, обрабатывает ее, записывая в память или во внешнее устройство. При этом опять выставляются соответствующие сигналы и происходит синхронизация процессора с другими элементами компьютера.
Выполнение одной команды в процессоре или обмен информацией между процессором и другими микросхемами должны закончиться за один системный такт - до следующего импульса тактового генератора. Таким образом, вся плата или ее отдельная часть, особо приближенная к процессору, синхронно и одновременно переходит из одного стабильного состояния в другое. Так протекает работа компьютера. Поскольку вычисления в нем синхронизируются сигналами тактовой частоты, такие вычисления мы будем называть синхронными.
Основной недостаток синхронных вычислений заключается в том, что очень многие активные элементы должны работать совместно, повинуясь сигналам тактового генератора. С увеличением частоты тактового генератора все труднее согласовывать работу процессора и его окружения. Собственно, поэтому современные процессоры выпускают на одной микросхеме или в форме специальных процессорных плат, но даже основная память работает на более низкой частоте. Для этого приходится использовать сложные системы предсказания переходов, кэширования информации и изобретать другие технические ухищрения. А если процессоров несколько и они обращаются к одной и той же памяти?
При такой организации вычислений просто необходимо интегрировать в процессор все необходимые функции, что еще более усложняет разработку следующих поколений микросхем. Синхронизация же процессора просто необходима из-за адресной организации памяти, при которой для извлечения каждого конкретного байта из памяти необходимо указать его адрес.
2. Безадресные асинхронные вычисления
Тем не менее для извлечения информации из памяти можно вообще отказаться от адресации. Для этого достаточно использовать другой способ организации данных, примерно такой же, как на жестких дисках, когда данные и программы представляют собой последовательность байтов с заголовком, которую договоримся называть пакетом. Вычислительная система, которая сможет обрабатывать пакеты, должна состоять минимум из четырех основных элементов:
- коммутаторов, которые доставляют пакеты получателю;
- вычислительных элементов, преобразующих пакеты по определенным правилам;
- элементов памяти, которые хранят пакеты и выдают их по первому требованию;
- периферийных устройств, обеспечивающих вычислительной системе интерфейс с внешним миром.
Коммутаторы осуществляют связь между всеми элементами системы. Они доставляют пакеты адресату, который указан в заголовке. Фактически, коммутаторы образуют сеть - коммутируемую среду, связывающую все элементы системы в единое целое. Причем физическая связь между коммутаторами и элементами может быть любой - вычислительная система может находиться в нескольких корпусах и работать как единое устройство. Никаких дополнительных усовершенствований для этого не требуется.
Вычислительные элементы разбирают пакеты, обрабатывают находящиеся в них данные и выдают результат в коммутируемую среду в виде других пакетов. Блок памяти управляет обработкой пакетов: по запросу посылает его в коммутируемую среду, сохраняет информацию из пришедших пакетов и выполняет другие операции по хранению и выдаче данных. Можно добавить и еще одно дополнительное устройство, которое будет хранить определенные данные и подставлять их в пакет. Такое устройство будет одновременно иметь черты блока памяти и вычислителя. Собственно, порты ввода-вывода, к которым подключаются внешние устройства, организованы аналогично блокам памяти и различаются только набором команд и адресацией.
Такая система не требует синхронизации всех элементов системы и распределяет функции процессора между несколькими вычислительными устройствами и блоками памяти. Поэтому будем называть такую систему асинхронной вычислительной системой. Каждый отдельный блок в ней выполняет свой ограниченный набор функций и поэтому может иметь простую внутреннюю структуру и работать достаточно быстро без синхронизации со всеми остальными блоками (собственно синхронизация выполняется через коммутируемую среду). Теперь рассмотрим каждый элемент асинхронной вычислительной системы более подробно.
2.1 Коммутаторы
Основная задача коммутаторов - доставить пакет получателю. Причем в случае, если получателей несколько, коммутаторы должны доставить пакет ближайшему из них. Механизмы поиска оптимального маршрута уже давно известны и отработаны в компьютерных сетях. Любой блок, вводя пакет в коммутируемую среду, должен указать только один параметр - адрес получателя. Никакой дополнительной информации не требуется.
В принципе, каналы связи между коммутаторами могут быть любыми, в том числе и выходить за пределы одного компьютера. В результате понятие компьютера "размывается", так как объединить два раздельных вычислительных блока в единое целое можно уже с помощью простого подключения коммутаторов одного устройства к коммутаторам другого. Правда, это возможно только в случае унифицированной системы адресации отдельных блоков системы.
Следует отметить, что если в вычислительной системе установлено несколько одинаковых вычислительных блоков, то пакет можно обработать в любом из них. Таким образом, коммутатор должен доставить пакет ближайшему свободному блоку. В результате все одинаковые вычислительные блоки могут иметь один адрес.
Однако с элементами памяти и портами этот фокус не проходит - даже одинаковые элементы памяти могут содержать разную информацию, и поэтому различаться. Это же относится и к портам внешних устройств. Собственно, если адреса портов и памяти могут меняться динамически самой коммутируемой средой, то исчезает проблема добавления нового блока памяти или внешнего устройства. Таким образом, асинхронная вычислительная система становится хорошо масштабируемой, и пределом служит только разрядность адреса. В результате, если выбрать однобайтный адрес, то количество подключенных устройств будет ограничено 256 правда, даже в этом случае можно будет добавлять те вычислительные блоки, адреса которых уже есть в системе.
Заметим, что все активные блоки - вычислителей, памяти и внешних устройств - лучше подключать по однонаправленным каналам. Это и упростит реализацию самих блоков, и уменьшит вероятность конфликтов на шине связи между блоком и коммутируемой средой. Адреса же имеют только выходы из среды. К сожалению, разделение ввода и вывода увеличивает число контактов на блоках, что затрудняет физическую разводку всей системы, но увеличивает ее скорость работы - двунаправленный ввод-вывод может существенно замедлить передачу пакетов через такие интерфейсы.
2.2 Память
Чтобы блоки памяти выполняли свои функции, они должны поддерживать два основных типа операций:
- ввод в коммутируемую среду запрашиваемого пакета, возможно с подстановкой аргументов;
- запись поступаемого из коммутируемой среды пакета в блок памяти.
Ввод пакета в коммутируемую среду необходим для запуска пакета-программы. Процесс вызова программ выглядит примерно следующим образом: в блок памяти поступает пакет с указанием имени вызываемого пакета и набором аргументов. Блок памяти ищет указанный пакет, подставляет в него аргументы и посылает модифицированный пакет в коммутируемую среду. Причем одним пакетом можно инициировать несколько различных пакетов. Следует отметить, что одним из аргументов может быть адрес получателя. В результате блок памяти "не знает", чем является инициируемый пакет - программой или данными.
Во время процедуры инициации пакета блок памяти может выполнить операцию подстановки аргументов. Эта операция необходима для модификации пакетов в блоках памяти для более гибкого составления пакетов и передачи информации между различными пакетами. В инициирующем пакете сразу после его имени содержится массив аргументов. Аргументы подставляются в места, помеченные специальной командой, состоящей из двух частей: собственно команды подстановки и номера аргумента, который подставляется вместо всей конструкции. Команда подстановки аргументов аналогична косвенной адресации. Однако функцию подстановки аргументов можно вынести из блока памяти и использовать дополнительный блок - обработчик процессов, хранящий только данные и включающий их в приходящие для него пакеты.
Запись в блок памяти достаточно очевидна - весь пакет со своим именем записывается в память. Кроме записи, блок памяти может выполнять и другие операции, например слияние пакетов, удаление или дополнение; но эти операции лучше вынести в обработчик процессов. Следует отметить, что асинхронные вычисления ориентированы на многопотоковые операции, поэтому необходимо определить соответствующий механизм блокировок, который контролировал бы конфликтные ситуации, когда два различных потока пытаются модифицировать одинаковые ячейки памяти. Поэтому в блоках памяти и обработчике потоков, видимо, необходимо предусмотреть соответствующие механизмы блокировок.
Когда блоков памяти несколько, возникает проблема поиска пакета в нескольких блоках памяти. Эту проблему можно решить, в частности, следующим образом: все блоки памяти знают друг о друге и пересылают запросы на инициацию пакета в другой блок памяти. Однако при попытке инициировать несуществующий пакет может возникнуть процесс циклического перебора всех блоков памяти, что чревато перегрузкой вычислительной системы. Но есть возможность реализовать другой способ поиска данных: регистрацией всех пакетов системы в одном месте - книге имен. Все операции с пакетами выполняются через эту книгу, а затем передаются в определенный блок памяти. Таким образом, в коммутируемой среде появляется больше пакетов, но гарантируется централизованное обращение к информации.
2.3 Периферийные устройства
Периферийные устройства: монитор, клавиатура, мышь и жесткий диск - имеются практически у всех современных компьютеров. Устройства, которые выполняют только операции ввода информации, могут не иметь своего адреса - они не должны получать пакетов. Таким образом, устройства ввода-вывода разделяются на два типа - имеющие свой адрес и не имеющие его. В результате у плат расширения, которые будут напрямую подключаться к коммутируемой среде, могут быть не один, а два или даже больше контактных разъемов.
Собственно, все внешние устройства современного компьютера могут быть адаптированы и к асинхронным вычислениям. Кроме того, в качестве внешнего устройства может рассматриваться и дополнительный коммутатор, через который подключаются дополнительные блоки и периферия. Таким образом, мощность компьютера можно наращивать практически до бесконечности (ограничением является только пространство адресов получателей пакетов).
В качестве примера работы вычислительной системы и периферии рассмотрим опрос клавиатуры. Допустим, он организован так, что контроллер клавиатуры знает только адрес блока памяти, где находится драйвер. Когда пользователь набирает команду и нажимает клавишу Enter, контроллер клавиатуры посылает в коммутируемую среду памяти пакет, который адресован соответствующему блоку памяти и содержит имя драйвера и команду. Блок памяти инициирует драйвер и пересылает его в соответствующий вычислитель, добавив к пакету команду в качестве аргумента. Следует отметить, что команда может обрабатываться на нескольких типах вычислителей, но начальный разбор команды в описанном сценарии выполняется только одним определенным устройством.
2.4 Вычислительные блоки
Вычислительные блоки обычно имеют один вход и один выход. Фактически вычислительный блок работает как фильтр, который преобразовывает пакеты по определенным правилам. Набор команд вычислителя может быть ограничен, что гарантирует простую внутреннюю структуру и достаточно большую скорость работы. Можно вообще каждую операцию реализовать в виде отдельного устройства, что может существенно ускорить вычисления, но если вычислителей будет слишком много, то могут возникать конфликтные ситуации в коммутируемой среде. В итоге вычислительная система может получиться плохо контролируемой.
Видимо, разумнее всего сделать один универсальный вычислительный блок, который выполняет основные арифметические операции с целыми числами, вплоть до логических с условной инициализацией пакетов. Кроме этого, сделать отдельный блок для вычислений над вещественными числами. В отдельные блоки есть возможность вынести и особо трудоемкие операции, которые можно ускорить с помощью аппаратной реализации. К таким операциям относятся, например, спектральный анализ (разложение в ряд Фурье), трехмерный рендеринг, криптография и другие дополнительные вычислительные блоки. Все перечисленные операции могут быть реализованы и с помощью универсального вычислителя с целыми числами, но спецвычислитель способен существенно ускорить работу всей системы. С помощью дополнительных вычислителей можно точнее настроить компьютер, чтобы его возможности соответствовали конкретной задаче.
Следует отметить, что системы команд различных вычислителей могут быть оптимально подобраны для решения отведенных им задач. Это упрощает как программу для таких устройств, так и внутреннюю структуру самого вычислителя. В результате программы и аппаратура будут более эффективно выполнять свои функции. Причем при добавлении нового вычислителя не нужно будет менять программное обеспечение - коммутаторы могут сами настроить систему для работы с новым блоком. Таким образом, асинхронные вычисления позволяют строить вычислительные системы, отличающиеся высокой масштабируемостью.
Заключение
Асинхронные вычисления имеют свои плюсы и минусы. Их основное достоинство - модульность полученной вычислительной системы, что позволяет точнее согласовать возможности аппаратного и программного обеспечения. Кроме того, изначальная ориентация на многопотоковые вычисления позволяет достигнуть небывалой для синхронных вычислений производительности.
В случае синхронных вычислений неиспользуемый компьютер все же выполняет какие-то минимальные действия. При асинхронных же вычислениях, при отсутствии собственно обрабатываемых пакетов, никаких процессов внутри вычислительной системы не происходит. Таким образом, если спроектировать каждый отдельный блок в асинхронном компьютере так, чтобы он выключался при отсутствии предназначенных для него пакетов и включался при получении первого пакета, то можно снизить потребление электроэнергии в неиспользуемом компьютере.
Асинхронные вычисления проще реализовать - нет необходимости синхронизировать все части вычислительной системы, а достаточно синхронизировать только канал связи между устройством и ближайшим коммутатором. Таким образом, реализовать их можно достаточно просто даже в российских условиях. Для этого необходимо разработать спецификацию команд всех основных блоков и соответствующую систему составления модульных процессоров, а также аппаратно реализовать все решения.
