廣義數字系統

數字計算系統：包括單CPU系統，多CPU系統。多CPU系統又有單主機板,多板，多機。多機又分為集群，區域網路，城域網，廣域網。

基本介紹

• 中文名：廣義數字系統
• 範圍：單CPU系統，多CPU系統
• 簡介：計算，存儲，連線
• 分析：電子計算機，神經網路，數字電路

簡介

數字計算系統一般包括計算，存儲，連線（近程）或網路（遠程）三部分。

可將這三個技術用排列組合的方式分別構成7類基本系統。若加上硬體數量的不同，軟體（作業系統），輸入輸出（單用戶，多用戶）等區別可構成多樣的數字計算系統。

根據硬體的構成技術區分，有：計算機，數字電路，神經網路等計算系統。模擬電路的實現方式與數字系統不同，但可以借鑑。神經網路的系統結構與系統算法能夠被數字系統使用，儘管處理的是模擬數據，但是仍然歸在數字系統。這裡的數字系統相對模擬系統而言。

分析

設計數字系統，先分析三大系統：電子計算機，神經網路，數字電路。

現在廣泛套用的電子計算機，在硬體層次上，應以數據處理為中心。計算機的數據處理方式是確定的，二進制數據具有離散性，整個系統的特點是沒有歧義，沒有模糊性；而且不同的系統功能用邊界分明的器件集中式實現(神經網路節點的組合)，儘管有重構的設計方式，然而在處理數據時，不同的功能在執行過程中區分明確；對全部存儲數據的處理使用有選擇的，每次一部分的方式，因此，存儲與計算功能分區並存；執行的進程是可中斷的。計算機系統的特性是多數據無序存儲，處理確定數據時從功能器件組中選擇與指令完全對應的一個器件執行，系統的執行順序與中間過程不確定，計算結果確保正確，可驗證可再現。

神經網路的計算方式和系統結構與計算機運算器明顯不同[1]，具有的特點：並行，分散式，全部節點計算方式無差別，有反饋功能，計算與存儲不分離，適合處理無差別的並發數據（例如一楨圖像信息），或具有連續性，模擬型的信號。常用在大量數據的複雜數學計算（積分，微分等），還可用在模糊計算和模糊控制上，允許計算非精確數據。神經網路與計算機運算器的區別，不僅在數據執行的順序，功能器件的無差別重用與無序組合上，而且在適用數據對象的性質，適用的計算類型上。計算機的非存儲器件沒有記憶性，神經網路的計算有記憶性。若增加數字計算的特性，強化邏輯控制器的對計算的可選擇性，神經網路能與計算機系統協調同步完成各自獨立使用不能實現的功能。

數字電路是計算機部件的組成基礎，因此具有運算器的特徵，與神經網路也有相似之處。數字電路用硬體的組合方式與數據的執行順序代替計算機指令的設定與控制，處理的數據一般沒有伴隨指令，系統執行的順序一般沒有跳躍性，較少受到時序與系統存儲與計算能力的限制，運算速度比計算機快，但是所用的器件總數可能比計算機要多。

可以預計，設計計算系統將不僅僅局限在某一個思想上，涇渭分明，一定是神經網路式分布及數據權重係數計算，數字電路組合器件與計算機結構綜合的計算系統。可重構設計[2]在器件級與系統層次都將成為一個基本技術。

計算機功能的實現器件以運算器為核心，包括實現二進制數量計算的加法器，乘法器（一般在協處理器中實現），以及實現二值邏輯計算的邏輯函式發生器。運算器又稱為算術邏輯單元(ALU)，實現的方法有兩種[3]：①數量計算與數值計算分立實現，分別對應加法器和邏輯函式發生器；②兩類計算綜合實現，稱為以全加器為核心的設計方法，通過設定多位控制信息，區分不同計算。

分析結果

廣義數字系統的理論基礎是數字函式。數字函式是數字集合論與數字代數的一部分。不同數字計算系統（電子或光）都能用數字函式作為表示，化簡，設計推理的工具。

數字函式(數值與數量邏輯函式)的實現不僅在計算機系統，而且在數字電路系統，自動控制等方面都是基礎與關鍵環節。既可使用與或非等邏輯門複合計算方式實現，又可用以組合邏輯為基礎的解碼器，數據選擇器實現，因此數字函式並不完全以數理邏輯和布爾代數為理論基礎。布爾代數主要用於設計，給數字系統建模，化簡，轉換，但並不是數字函式唯一的實現方法，可程式邏輯器件(PLA,MGA等)的構成方法證明了這一點。儘管數字函式不用判斷真假，是否矛盾，數理邏輯的方法卻是研究數字函式與數字系統的基本工具。現有二值函式的實現方法有很多：專用邏輯門複合(布爾代數方法)；解碼器，數據選擇器（又稱為通用邏輯函式發生器），ROM，可程式邏輯陣列(組合邏輯方法)。

廣義數字系統-軟硬體拓撲映射

不同的數字系統軟硬體結構，系統運行，軟硬體功能對應的方式不同。通用計算機系統基本運行方式是軟體指令可調用硬體部件，硬體部件可視為硬體函式。因此每一器件可為不同語言編制的程式提供服務，也能夠為不同的作業系統提供支持，強調硬體通用性與軟體的多樣性。因此軟硬體拓撲映射要求不高。數字電路中控制信號要求完備專用，不運行軟體指令，以輸入數據為處理中心，可程式邏輯器件還有結構組建信號，硬體面向功能，因此要求邏輯結構簡潔不能有功能的冗餘，系統運行速度快，系統使用順序執行方式，功能與硬體構成是一一對應的。神經網路一般以層狀和片狀為基本結構，面向輸入數據，節點根據數據特徵，聚合成功能處理器件，控制信號由通用節點根據特定的系統算法判定實現，沒有專門的控制信號，有一定的自主能力。器件單元冗餘度大，功能與結構單一，沒有中間結構存儲器件，不需要動態存儲連結。

因此建立功能，硬體，軟體之間的拓撲映射是廣義數字系統的實現方法，也可稱為實現邏輯（規則，文法）。

軟硬體拓撲的一個實現方法。

Cpu功能重構。將cpu分功能使用。例如：設備管理緩衝區用中斷，dma，通道技術等技術。新的方法是建立cpu輸入/輸出功能模組，主要擔任輸入/輸出工作，次要是在cpu功能重構後，擔任cpu的其它功能。與軟硬體拓撲是一個原理。為cpu建立內部匯流排通道，cpu將一部分（例如5%），專門用來處理輸入/輸出功能。在空閒時可擔任其它功能。與分時後的綜合類似但是不完全一樣。因此，Cpu可以按照功能構成一個分比例的器件，例如運算器，I/O功能部件，記憶體功能部件等。

功能分析

儘管電子計算機的相關觀念已經成為常識，但是什麼是計算與計算器件，人們始終沒有得到明確認識。現存的計算器件與系統有很多，1)數值計算(數字計算並存) 2)相似廣義計算:數字電路的可程式邏輯器件(FPGA),數位電視等從模擬計算升級到數字計算的模擬傳輸-數字計算系統(數字收音機等),嵌入式晶片在持續使用設備中的套用(交通工具,家電,工業製造機器);3)計算系統的延伸: eg.機器人與可控機器助手.在空間拓撲上，伴隨不同計算理論,實現方式與體系,還產生不同存儲方式與存儲器組織結構。

以pc機為例，記憶體單元集中存放緊緻相連，外存則通過數據線與主機相連，與主機是分布關係。 計算器件被控制器調用，屬於控制流調度。神經網路則相反，每一個節點包括計算部分和存儲部分兩個成分， 在系統到達基勢時，一般存在一定數量的冗餘節點。通過構建聚類有序運算系統，屬於數據流驅動。這兩個計算系統的有效組合，構建分布與緊緻並存，數據流驅動與控制流調度傳輸方向共存的計算系統，可作為通用神經網路，通用計算機，醫院用可控機器人的控制計算部件，甚至智慧型計算機。

2分布與緊緻特性並存的計算系統原型

一個計算器件可用以下特性描述：計算節點，存儲節點，連線，運算方向。

神經網路在處理二維圖像，曲線數據，字元程式有優勢。可構建一個物理平面存儲一個平面的數據，平面中每個節點可存儲數據也可進行全功能簡單計算，要求：

1 可進行字元串計算

2 可進行圖像處理，將相關節點聚類成一個矩陣或向量的形式。稱為平面計算。

3 可進行類似神經網路的計算：在一個平面上按照某個順序，使數據逐層向前計算得到輸出。

4 可構建不同結構和連線係數的形式，按時間更新，用在機器人的控制系統或者專家系統，智慧型計算機。

這要求物理平面，可由組合不同節點（構成矩陣）進行加減法，數乘等簡單運算，並且可對存儲字元進行字元串計算（例如編譯器）， 可構建神經網路。存儲部分可更新內容也可如cache或記憶體一樣保存數據（具有堆疊段功能）。

1)對於DSP等計算，設定緊緻計算器件。2)若調度機器也有計算功能，在平面稀疏存儲部分也可實現。緊緻計算器件內部不重構，但可組合一類的新器件。數據流方向由調度機同步決定。

如果使用多道方式，那么可以處理不同速率的輸入數據，僅僅對實時處理系統是必要的。

3現有四類數字數值計算系統分析

眾核處理器

網上介紹的眾核處理器系統澄清了三個概念：

1）全功能計算節點概念的擴展。將一個神經網路節點用一個cpu代替。

2）存儲與計算單元緊緻組合概念的相似實現。

3）明確了通用計算模式神經網路結構概念。

網上介紹一個美國研究人員用多個8位cpu與一個多位powerpc構成一個新的計算器，是對這三個概念的進一步驗證，可構成神經網路。

調度機與緊緻計算器組合現階段可用眾核處理器實現。存儲與計算平面可以由8位或4位cpu構成陣列平面實現。實際結構可不需要大量記憶體，只用cache。

編譯的結果是按照計算的方向和形式，安排數據的存放形式與指令的方式，例如多個節點構成橫向連續加的計算器，並將通過調度機，輸出到另一個存儲陣列。

FPGA實現

寬域節點平面可實現矩陣乘法與其它計算，因此可使用FPGA實現.

光計算與計算機控制器

光計算的特點是並行計算與陣列同步。現有光電混合計算器一般用電路作控制器，但是與光計算單元沒有數據交換的功能。計算機控制器則不對計算單元（節點）直接控制.

總結：計算系統分析

1) 運算對象

2) 相關性

*內容相關—組合,語義,位置相關,混合相關

*數據存儲與內容相關的衝突

3)通用計算系統CS包括三個子系統存儲M，計算C（執行方向D），連線N，CS={M，C(D)，N}

4指令系統分析

儘量少的語句個數。一個指令系統的實現方法：語句間用連結指令連結。語句指令碼用數字代替，數字是可執行部件的順序碼，一個數字可對應多個可執行部件。不再進行指令解碼。數據傳輸方向由調度機決定。編譯的結果使相關語句構成一個語句段，不相關語句段之間可並行處理。語句中增加雙向順序指針，輸出指針。

語句的集合表示方法：if c={0.1} then <c,d>={<0,1>,<1,0>}

執行短語句構成相關長語句段。

5分布與緊緻計算並存系統原理

時鐘：存儲與分散計算部件，調度控制部件，計算部件使用不同的時鐘。

指令在部件間傳遞主要分成：傳輸與計算兩個部分。時鐘的不同，主要指傳輸與計算的周期，起止時間不同，在原體系中指機器周期的長度不同。

指令的傳輸由調度機完成，並根據計算器件塊表（類似路由器表），選擇計算器件，

多核多執行緒CPU與單核控制器是兩類不同的調度方式。後者是集中式處理，前者是分散式處理。集中式處理是必要的，即使是最低限度。計算器件可以是分散式。在三維技術還沒有廣泛套用前，可用多（眾）核處理器作為調度機和緊緻計算器件，用FPGA作為可計算存儲平面。具有功能緊緻與數據驅動特性,以數據為中心.

進一步的研究：格線中計算器件的空間拓撲關係，軟體語句與硬體結構的拓撲對應關係。神經網路的硬體實現可以用低位cpu代替全功能計算節點，增加調度機實現。

cpu動態算法

cpu群的動態算法，以進程為單位，多cpu構成樹或者圖的動態處理方法。