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从事网络通信软件和开发管理开发多年,了解各类软件系统的架构、设计、开发和测试以及相应的开发方法。工作之余,喜欢研究一些自己感兴趣的事情,包括写写小程序、做做木工、看看连续剧、读读军事杂志、养鱼种花等等

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[转发]"透明计算"是否扩展了冯.诺依曼架构?  

2015-04-07 21:49:09|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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转发自赛先生,http://chuansong.me/n/1270707

“透明计算”是否扩展了冯?诺依曼架构?

2015-04-07按蓝字加我好友赛先生

艾思题

获得2014年国家自然科学奖一等奖的所谓“透明计算”,声称扩展了冯?诺依曼架构。实际上,这是一个伪命题。更为严重的是,视频中公布的“透明计算”,分别是远程桌面、虚拟化和手机虚拟化/多启动,完全和“透明计算”不搭界。

1冯?诺依曼架构的由来

说起冯?诺依曼架构,就不得不说起图灵机(Turing Machine),图灵机是英国数学家阿兰?图灵(Alan Turing)于1936年提出的抽象计算模型,图灵机是一台存在于大脑中的计算机,拥有一个无限长的磁带,根据输入和一个状态迁移表确定下一步动作。

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计算机先驱者以图灵机为模型制造了第一代计算机,其中比较知名的是美国军方的ENIAC计算机,这个计算机几乎完全克隆了图灵机的设计,ENIAC程序是在多组插板上的跳线,形成了类似于图灵机的状态迁移图,为了完成这个程序,需要好几个人工作一周才能完成,然后这个程序就可以处理多组数据输入并生成结果。

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冯?诺依曼意识到这种编程方法非常低效,因此就设想能够将程序存储起来,形成“存储程序型”电脑,这种电脑的特点是将程序和数据都加载到内存中,将数据和程序转移到ALU(算术逻辑单元)和控制器进行计算,当然ALU也具有输入输出装置。冯?诺依曼架构的特点是非常简洁,不需要在内存和CPU(中央处理器)之间设置多条总线,但是也存在所谓的“冯?诺依曼瓶颈”。这个瓶颈是由于CPU取指令和数据都经过一条总线,在取值的时候无法计算,会浪费CPU时钟周期。为了解决这个瓶颈,出现了若干种改进方式:

1. CPU高速缓存:将指令和数据预先放到缓存,提高并行度;

2. 哈佛架构:指令和数据放到不同的存储系统,但是会造成系统复杂性;

3. 分支预测:预测代码执行,提前取指执行;

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其中哈佛架构可以看做是一种对冯?诺依曼架构的扩展,但业界的普遍观点是,这并没有形成对冯?诺依曼架构的突破。一些嵌入式CPU采用了哈佛架构,如摩托罗拉MC68,Zilog的Z80,ARM9、ARM10、ARM11均采用了此种架构。

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从目前的计算机架构看,冯?诺依曼架构依然是图灵机的最佳工程实现,架构的突破有待新型计算模式的诞生,如生物计算、量子计算、化学计算,但目前尚未形成大规模商用能力。

2远程桌面、NC、PXE和服务器虚拟化

在计算机发展的历程中,分别出现了远程桌面、网络计算机(NC,无盘工作站)、预启动环境PXE和计算机虚拟化,这些技术让用户可以在远程访问某台计算机,使用存储远程服务器端的操作系统、远程启动,以及在一台计算机上启动多种操作系统。这些技术让人们可以更方便地使用计算机,但是没有一种技术宣称自己扩展冯?诺依曼架构,因为无论使用位于何处的磁盘,内存和CPU的连接关系依然是冯?诺依曼架构(或者哈佛架构)。

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3“透明计算”的架构设计

从官方的材料看,“透明计算”采用了一种MetaOS的设计,即希望在各种设备上动态加载不同的操作系统,在下层设计了一种通用的BIOS层,用于加载各种操作系统。这种设计的困难之处在于一种硬件支持多种OS并不是那么简单,因此从“透明计算”的各个视频看,为了实现所谓的多种OS在一个设备上运行,并且随时可以切换OS,原设计就彻底变了味,即根本没有什么MetaOS,而是分别用远程桌面、虚拟化技术、手机双操作系统支持生造出来一个所谓的“透明计算”概念。

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图片来源:张尧学,用户控制的云计算:透明计算/云计算操作系统,2011年5月19日,第三届云计算中国峰会。


基于上述分析,即便真的实现了MetaOS,“透明计算”也并没有扩展冯?诺依曼架构(或者哈佛架构),更何况是用远程桌面、虚拟化和手机双操作系统来模拟了MetaOS。

4“透明计算”的经济效益分析

按照官方数据,TNOS(“透明计算”操作系统)安装了16万套,相关企业年销售额近亿元。

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那么到底研制出哪几种所谓“透明计算”设备呢?从官方材料看,只有小宝、龙星网锐三种型号,从图片看,2005年的小宝计算机和2015年的小宝计算机并没有多大区别。目前,上述三种硬件均无法在淘宝和搜索引擎检索找到相关配置、报价、销售网点等信息。

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5“透明计算”的潜在应用领域

“透明计算”终端是一种类似无盘工作站的计算机,比较适合Client-Server模式的应用领域,在网吧、军队、教室等强调集中管控的场景依然存在应用机会。但是在企业市场,目前BYOD(Bring Your Own Device,自带客户端)是一种趋势,“透明计算”已经没有什么市场地位了。

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综上分析,“透明计算”MetaOS架构并没有实现对冯?诺依曼架构或者哈佛架构的扩展,而只是使用了远程加载OS并启动的技术,业界从未有人宣称后者是对上述架构的扩展。从“透明计算”官方公开的视频看,“透明计算”在设计和实现中遇到了难题,并没有实现宣称的技术,而是利用远程桌面、虚拟化、手机虚拟化/双操作系统等方式来模拟实现了随时切换OS,生造出一个“透明计算”的概念。

再结合对“透明计算”商业化能力的分析,可以说“透明计算”不仅仅理论上没有突破,技术上没有实现,而且商业上也远没有成功。


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