INMOS Transputer
Il INMOS Transputer era un pioneristico design di un microprocessore per il calcolo distribuito prodotto dalla INMOS, una piccola azienda inglese, negli anni '80. Per qualche tempo nel tardo 1980, molti considerarono il Transputer come il nuovo progetto per il calcolo del futuro. Oggi, solo un decennio più tardi, questo interessante microprocessore è completamente dimenticato.
Background
Nei primi anni '80 sembrava che le CPU convenzionali avessero raggiunto il loro limite riguardo alle performance. Fino a questo momento i progettisti erano stati limitati principalmente dall'ammontare di circuiti che potevano piazzare su un chip a causa di problemi di costruzione. Ma con il continuo migliorare del "fabbing process" il problema mutò: i chip potevano contenere più circuiti di quelli che i progettisti sapevano sfruttare. Presto le tradizionali architetture CISC raggiunsero il loro massimo possibile, e non era ben chiaro se si sarebbe potuto sorpassarle.
Sembrò che l'unico modo fosse implementare l'uso del parallelismo, cioè l'uso di svariate CPU che avrebbero lavorato assieme per compiere diversi compiti allo stesso tempo. Tutto ciò dipendeva dalla possibilità della macchina di essere in grado di eseguire più processi allo stesso tempo, capacità nota come multitasking, troppo difficile da eseguire fino ad allora, ma supportata dai processori di nuova generazione. Fu chiaro che in futuro questa caratteristica sarebbe stata supportata da tutti i sistemi operativi.
Un effetto collaterale di molte architetture multitasking è che spesso permette di eseguire i processi su CPU fisicamente differenti, nel qual caso il processo è noto come multiprocessing. Una CPU a basso costo, pensata in quest'ottica, avrebbe permesso di aumentare la velocità di calcolo di una macchina aggiungendo altri processori simili, scelta potenzialmente molto più economica di una basata su un singolo e più potente processore.
Design
Il transputer (Transistor Computer) fu il primo microprocessore ad uso generico progettato scpecifificatamente per essere usato in sistemi di calcolo parallelo. L'obiettivo era di produrre una famiglia di chip, limitati in costo e potenza, che avrebbero potuto poi essere connessi tra loro per formare un computer completo. Il nome era stato scelto per indicare il ruolo che il singolo Transputer avrebbe avuto: molto di loro sarebbero stati usati come "mattoni di base", proprio come i transistor lo erano stati precentemente.
Originariamente il piano era di far costare i Transputer solo pochi dollari a unità. La INMOS li vide usati per praticamente tutto, dall'operare come la CPU per un computer, da agire come channel controller per i disk drive nella stessa macchina. I cicli inutilizzati su ogniuno di questi Transputer avrebbe potuto essere usati per altri compiti, accrescendo grandemente le performance complessive delle macchine.
Anche un singolo Transputer avrebbe avuto tutti i circuiti necessari per lavorare da solo, una caratteristica più comunemente associata ai microcontrollori. L'idea in questo caso era di permettere ai Transputer di essere connessi assieme il più facile possibile, senza bisogno di un un bus (o una scheda madre) complesso. Invece semplicemente bastava fornire energia e un segnale di clock, senza nemmeno bisogno di RAM, RAM controller, supporto dal bus e nemmeno un RTOS, tutto ciò era già incluso.
Link
Il progetto di base del Transputer includeva dei link seriali che gli permettevano di comunicare con fino a quattro altri Transputer, ogniuno a 5, 10 o 20 Mbit/s, una velocità davvero molto elevata per quegli anni. Ogni gruppo di transputer poteva essere connesso assieme ad altri su link anche più lunghi (decine di metri) per formare una singola "computing farm". Una tipica macchina desktop poteva avere due "low end" Transputer a controllare i compiti di I/O con alcune delle sue linee seriali (connesse all'hardware appropriato) mentre dialogavano con uno dei loro "fratelli maggiori" funzionante come CPU su un'altra. I Transputer potevano essere inizializzati su link di rete (diversamente dalla memoria in molte macchine) così un singolo Transputer poteva far partire l'intera rete.
C'erano dei limiti alla grandezza di un sistema che poteva essere creato a questo modo. Siccome ogni Transputer era connesso a un altro in uno schema fisso punto-a-punto, mandare messaggi a un Transputer più distante richiedeva che questo fosse ridirezionato da ogni chip sulla linea. Questo introduceva un ritardo a ogni "hop", portando a grossi ritardi su grosse reti. Per risolvere questo problema INMOS fornì anche uno switch a ritardo-zero che connetteva fino a 32 Transputer (o switch) in reti anche più grandi
Scheduler
A supportare i link era una parte di circuito addizionale che trattava l'ordine del traffico che vi passava. I processi che aspettavano comunicazione erano automaticamente messi in pausa mentre il circuito di rete finiva le sue letture o scritture. Il tempo di elaborazione sarebbe stato dato ad altri processi, ciè includeva due livelli di priorità per evitare i deadlock. Lo stesso sistema logico era usato per comunicare fra progranni in esecuzione sullo stesso Transputer, implementato come una "rete virtuale" in memoria. Quindi un programma in richiesta di un input o un output automaticamente veniva messo in pausa mentre l'operazione era completata, un compito che normalmente richiedeva che il sistema operativo funzionasse come arbitro per l'hardware. I SO sul transputer non dovevano occuparsi dello scheduling, in pratica si poteva pensare che il chip avesse egli stesso un sistema operativo all'interno.
Per poter includere tutte queste funzionalità su un singolo chip, il core del Transputer era molto più semplice della maggior parte delle CPU: usava un'architettura RISC, ma diversamente dalle più comuni CPU RISC basate su un pesante utilizzo dei registri, il transputer usava molto lo stack. Questo permetteva di eseguire rapidamente il context switch semplicemente sopstando lo stack pointer sulla parte di memoria assegnata a un altro programma (una tecnica usata i molti sistemi contemporanei). Il Transputer inoltre includeva tre registri "normali", ma questi erano di fatto le copie delle prime tre celle dello stack, usate per permettere le istruzioni a indirizzo zero.
Set di istruzioni
Il set di istruzioni del Transputer era formato da instruzioni di 8 bit divise in due nibble. Quello superiore conteneva la codifica dell'istruzione, rendendolo un vero RISC con solo 16 istruzioni di base, quello inferiore, o una costante o più comunemente un'offset relativo allo stack pointer. Costanti e offset più lunghi potevano essere usati, ma richiedevano byte di indirizzo addizionali in fase di fetch e decodifica. Inoltre le istruzione meno frequentemente utilizzate erano supportate tramite la codifica di itruzioni chiamata Operate (Opr), la quale decodificava la costante di dati come un codice di operazione esteso, fornendo un'espansione del set di istruzione facile e quasi infinita, introdotta con una nuova implementazione del Transputer. I processi più piccole, comunque, giravano più velocemente, ma l'idea intera del Transputer era comunque di far girare piccoli processi.
Programmazione ad alto livello
Per la programmazione dei transputer, la INMOS ha progettato un linguaggio apposito, ispirato ai CSP di C.A.R. Hoare e chiamato Occam.