我設(shè)想的未來計算機(jī)硬件架構(gòu)

目前的計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，是以CPU為中心，以芯片組配合CPU，各種功能卡或者集成或者獨立插卡形式組合成的。這種結(jié)構(gòu)存在弊端，就是：

1、各種功能組件是有層次結(jié)構(gòu)的，固定的層次結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)多變的需求，比如普通用戶對硬盤傳輸速度需求不高，而對硬盤傳輸速度需求高的用戶卻發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有硬盤傳輸接口速度達(dá)不到要求。

2、各種舊的投資在升級硬件后難于再利用，只能拋棄。

3、硬件一部分損壞，除了維修，沒有別的辦法，難于部分更換。

為此，我提出一個以光傳輸為中心的分列板卡的硬件結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)，將計算機(jī)硬件各功能部分，拆成一個個標(biāo)準(zhǔn)尺寸的小板，通過光傳輸聯(lián)系到一個總控設(shè)備上，將各種需要處理的信息，通過光信號在各功能部件間傳輸。

一、某些需要說明的東西

計算機(jī)的各組件應(yīng)該采取平等的態(tài)度對待，具體就是把主板的概念拋棄，用一條統(tǒng)一的光通路鏈接各組件，而各組件采取小板的形式呈現(xiàn)。每個板子分配一個64位地址，其中高32位為硬件類型，低32位為在機(jī)器里的同類型編號。各組件以類似局域網(wǎng)形式鏈接。

好處就是，比如CPU板，可以任意的添加和異構(gòu)化組合，比如Intel結(jié)構(gòu)的CPU板只需要更換成AMD結(jié)構(gòu)的CPU 板就使整個機(jī)器改換。同樣道理，添加CPU板則使機(jī)器多CPU化，甚至一個板子上集成多核，使用多個板子則CPU核將依次增加，相當(dāng)容易。：）而且如果以 后升級CPU，舊的板子不需要拿下，還可以使用。

二、硬件通訊架構(gòu)

建立一個中心光交換節(jié)點S，有設(shè)備1、2，每個設(shè)備都有輸入和輸出兩條通訊鏈路與S連接，此時結(jié)構(gòu)圖如下。

假設(shè)1需要傳送數(shù)據(jù)到2，1發(fā)送含有地址的數(shù)據(jù)包到S，S發(fā)現(xiàn)目的是2的數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)到2的輸入端，然后進(jìn)入2。如果目的地址是全1信號，則為廣播到所有設(shè)備的信號，如果低32位全1，則為廣播到所有相同類型設(shè)備的信號。

整個數(shù)據(jù)信號采取光信號形式傳送，假設(shè)信號為10Gbps，則整個鏈路的傳送速度是很快的，不排除技術(shù)進(jìn)步使信號比特率達(dá)到更高速度的可能?？梢钥紤]把每個設(shè)備的光傳送部分獨立為可更換可兼容形式，方便以后的升級。

如果技術(shù)的進(jìn)步達(dá)到一定程度，甚至可每鏈路并行傳送多條信號，比如單路輸入輸出信號10Gbps，因為光信號不會相互干擾，則并行64路信號能輕易達(dá)到640Gbps，不過多并行的光信號會遇到同步的問題。

為了使整個系統(tǒng)的速度不會受影響，應(yīng)該限制系統(tǒng)最大的設(shè)備板的數(shù)量，當(dāng)然這個限制可根據(jù)機(jī)器的用途和總的S交換帶寬來規(guī)定，比如家用級最大不超過32塊，服務(wù)器級不超過128塊等等。 

三、設(shè)備板及其分類

每個設(shè)備板的尺寸應(yīng)該做統(tǒng)一的規(guī)定，以方便將來插在統(tǒng)一的接口上和系統(tǒng)連接，系統(tǒng)連接的接口應(yīng)該是數(shù)據(jù)傳送和電源的統(tǒng)一接口，電源部分應(yīng)該支持熱插拔。板子 上應(yīng)該存在能自動確定板子地址的電路或者能手動跳線設(shè)定地址的電路（某些特殊板子比如CPU、內(nèi)存板子可考慮能手動更改地址的可能，以方便系統(tǒng)確定優(yōu)先板 的位置）。

標(biāo)準(zhǔn)尺寸的板子可稱為標(biāo)準(zhǔn)板或者全長板，還可以定制半尺寸或者1/4尺寸板子用在小尺寸的設(shè)備上比如閃存等。

另外，某些設(shè)備需要散熱，比如CPU、GPU，需要的厚度很大，我們可以把設(shè)備板的厚度規(guī)定一定的數(shù)值，標(biāo)準(zhǔn)厚度的稱為1U板，兩個標(biāo)準(zhǔn)厚度的稱為2U板，依次類推。需要屏蔽電磁干擾的設(shè)備則可覆蓋屏蔽金屬層。

為了方便連接設(shè)備板，對應(yīng)的機(jī)箱內(nèi)部應(yīng)該相抽屜一樣分成若干層，每層有凹槽和接口兩部分組成，設(shè)備在用力推入后，能依靠彈力鎖定在接口上，并用凹槽支撐。標(biāo)準(zhǔn)的1U板應(yīng)該是在立式機(jī)箱里平行于地面的，如現(xiàn)在的PCI卡一樣，方便散熱。而厚度大的板子如CPU、硬盤等，可考慮單獨于其他設(shè)備板，平行于機(jī)箱的側(cè) 板放置，甚至如現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)3.5寸存儲設(shè)備的位置可劃撥給厚設(shè)備板使用。當(dāng)然，如硬盤等，采取傳統(tǒng)的卡式用電纜鏈接的也可以，不過，每設(shè)備都應(yīng)該聯(lián)在獨立的設(shè)備卡上。（本來應(yīng)該有個圖片的，來說明實際機(jī)器里板子的物理形態(tài)和連接，可惜需要CAD做圖，來不及啊，呵呵）

四、傳統(tǒng)可稱為BIOS的部分

因為所有的硬件都在不同的設(shè)備板上，此時統(tǒng)一控制的方法只能放棄，除了系統(tǒng)通訊鏈路的兩端有簡單的控制芯片外，每個設(shè)備板上都需要自己的單獨控制。內(nèi)存閃存上應(yīng)該有簡單控制芯片，而CPU板上則必須有更復(fù)雜的控制。

所以傳統(tǒng)的BIOS部分應(yīng)該分布在了各系統(tǒng)板上，而且在系統(tǒng)運行過程中獨立發(fā)揮作用。

為了統(tǒng)一系統(tǒng)控制，還應(yīng)該考慮，在系統(tǒng)通訊鏈路部分增加一個閃存存儲部分，來設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)、存儲系統(tǒng)相關(guān)信息。這個部分的容量應(yīng)該能支持很大的數(shù)據(jù)存儲，并且損壞掉后只能影響系統(tǒng)的啟動速度，系統(tǒng)沒有這個部分，可自我檢測運行。當(dāng)然也要能可廉價更換。

五、核心的CPU

關(guān)鍵的CPU板，除了CPU插槽、CPU之外，應(yīng)該包括供電部分，數(shù)據(jù)傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)必需的部分，還要包括一個可寫的存儲單元，此單元在板子上不可寫，但可獨立 取下（帶電情況下），并連接系統(tǒng)的USB部分來更新其中的內(nèi)容。存儲單元的地址在CPU板初始加電后被映射入內(nèi)存空間，內(nèi)容是一段程序，支持CPU板正常 的初始化和設(shè)置。正常啟動后，則不再需要（此時可以取下）。

每個板子能支持多核CPU，每個CPU核都能控制該板，象多個CPU板一樣工作。

因為系統(tǒng)里可能存在多個CPU板，且運算能力不同，所以必須存在一個機(jī)制來決定哪個板子在系統(tǒng)里起控制作用，這可以制定一個參數(shù)，存儲在CPU板子里，參數(shù) 的大小決定CPU板子的運算能力的大概強(qiáng)度，或者簡單的參數(shù)大的運算能力大，然后系統(tǒng)啟動時，所有CPU板子都廣播自己的參數(shù)，選舉出參數(shù)大的做主控CPU板子。

六、存儲系統(tǒng)的構(gòu)成

存儲系統(tǒng)比較復(fù)雜，目前的技術(shù)不能找到一種廉價高速的存儲方式，所以還要有昂貴高速的內(nèi)存和廉價低速的外存。

內(nèi)存和外存必須區(qū)別對待。

對于外存，采取一般的設(shè)備板方式對待。需要考慮的是，本文方式下的外存儲器最好是帶比較大的緩存，方便快速的響應(yīng)系統(tǒng)的其他設(shè)備的高速通訊需求。

對于內(nèi)存板，考慮到很可能各種技術(shù)和形態(tài)的內(nèi)存存在，必須有一種機(jī)制規(guī)劃整個的系

統(tǒng)的內(nèi)存，可以考慮在CPU板上建立映射機(jī)制，把不同的內(nèi)存板映射到不同的內(nèi)存空間。具體的映射方式考慮和內(nèi)存的容量和速度有關(guān)。

考慮到可能最終的通訊速度和內(nèi)存速度不匹配。CPU板最好是帶有比較大的三級緩存器，比如64M。 ：）

對于一般化的設(shè)備，我想比較方便的方式是按照現(xiàn)在的USB設(shè)備和系統(tǒng)鏈接的方式來設(shè)計，但是，這種方式的設(shè)備支持和設(shè)備間通訊的速度應(yīng)該是沒有當(dāng)前USB系統(tǒng)的種種限制的。如果未來無線的速度能達(dá)到很大的數(shù)值，可考慮一部分的設(shè)備板以無線方式連接到系統(tǒng)。

七、系統(tǒng)啟動流程

系統(tǒng)加電后，每塊設(shè)備板都自我初始化，然后廣播自己的設(shè)備地址，然后選舉出主CPU板。主CPU板接過控制權(quán)，將開始各設(shè)備的高級的詢問和設(shè)定，內(nèi)存板的整合，找到表明為啟動設(shè)備的板，裝入啟動代碼。期間其他CPU板將開始以多線程類似的方式協(xié)助主CPU板工作，甚至可能會開始第二操作系統(tǒng)的啟動。 ：）

啟動過程中遇到的任何錯誤和導(dǎo)致停機(jī)的信號，都會以特殊系統(tǒng)廣播的方式在通訊鏈路里循環(huán)廣播（可被交換節(jié)點S捕捉到，并能顯示出來），致命錯誤會一直廣播直到斷電。

八、可能遇到的困難

1、可能要重新設(shè)計現(xiàn)有的CPU的硬啟動流程。

2、多種設(shè)備混合通訊，能否做到對主設(shè)備板，比如CPU通訊的實時響應(yīng)。

3、隨機(jī)加入和退出的設(shè)備板，必須以穩(wěn)妥的方式對待，比如一個CPU板突然壞掉就可能是致命的，特別是如果是主CPU板。

4、電源系統(tǒng)的設(shè)計需要重新進(jìn)行。

5、各設(shè)備板必須有一種速度很大并穩(wěn)定的方式進(jìn)行通訊，這種方式能以廉價的方法提高速度，目前我認(rèn)為光通訊比較好。 ：）

九、優(yōu)缺點

優(yōu)點是擴(kuò)展容易，管理簡單，能有效隔離干擾，對高發(fā)熱設(shè)備能有效的和其他設(shè)備隔離，提供好的散熱環(huán)境，升級也變得極簡單。

缺點是可能不好找到廉價的高速光交換手段，現(xiàn)在的硬件設(shè)計都要變更，低端軟件要重新編寫。