MISC體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的理論與方法.

1、多思版權(quán)所有不得復(fù)制09/5/2008V1.0 10 共 12 頁(yè)MISC體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的理論與方法目錄i 引言. i2MISC 的基本問(wèn)題.13MISC 的思想基礎(chǔ) .34MISC 的實(shí)現(xiàn)技術(shù).45 結(jié)束語(yǔ).9多思版權(quán)所有不得復(fù)制09/5/2008V1.0 10 共 12 頁(yè)MISC體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的理論與方法劉大力、王以行、易力、蔣雷、章永輿譯自 “THE TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCED SCIENCE ANDTECHNOLOGYMarch 27,1993 Page 16 -261引言計(jì)算機(jī)技術(shù)是人類(lèi)智力的延伸，提高處理問(wèn)題的能力與效率是計(jì)算機(jī)

2、發(fā)展 的主要?jiǎng)恿?。人們一直在追求人和?jì)算機(jī)交互界面的簡(jiǎn)單，追求這一界面在方法、規(guī)則 上的清晰明了，以減少語(yǔ)義間隙，提高人類(lèi)行為與計(jì)算機(jī)行為的一致性。人們亦一直在追求計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)能以最少的資源，達(dá)到硬件、軟件的平 衡設(shè)計(jì)，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在理論、方法、實(shí)踐方面均具有突出的技術(shù)與市場(chǎng) 競(jìng)爭(zhēng)能力。這種追求使人們?cè)诳紤]計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面更加注重技術(shù)的集 成。本文針對(duì) MISC（MACRO INSTRUCTION SETS COMPUTER）的主要特征:1.具有硬件直接支持標(biāo)識(shí)型的可繁衍的高級(jí)語(yǔ)義（宏語(yǔ)言元素）；2.有效地集合并組識(shí)了宏的語(yǔ)義、語(yǔ)法、語(yǔ)用關(guān)系實(shí)現(xiàn)單周期多個(gè)宏語(yǔ)義 的處理。論述其技

3、術(shù)構(gòu)成的理論和方法。2MISC 的基本問(wèn)題在常規(guī)系統(tǒng)中，用戶(hù)描述的問(wèn)題通常通過(guò)一種高級(jí)的軟件界面，將問(wèn)題變 成程序流和指令流，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件將有效支持這種指令流而形成人機(jī)界 面（如圖 1）多思版權(quán)所有不得復(fù)制09/5/2008V1.0 10 共 12 頁(yè)在常規(guī)體系結(jié)構(gòu)中，人機(jī)界面是依據(jù)不同類(lèi)型的體系結(jié)構(gòu)和指令結(jié)構(gòu)而構(gòu) 成產(chǎn)品群體。這種界面一般不具有通用性和可移性。在系統(tǒng)升級(jí)和發(fā)展時(shí)，不但必須要考慮軟件和硬件的兼容問(wèn)題，還要依靠的技術(shù)、硬件工藝 的支持和增加設(shè)計(jì)技術(shù)的復(fù)雜性來(lái)提高計(jì)算機(jī)整體的效率。近年來(lái)，以 RISC 體系為特征的產(chǎn)品已發(fā)展到第三代，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā) 展已使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率大大

4、提高。但是，在應(yīng)用中，人腦與電腦的極大 差異必將導(dǎo)致軟件的復(fù)雜性和增加人與機(jī)器間的語(yǔ)義差距；必將增加優(yōu)化 編譯等技術(shù)和采用超級(jí)標(biāo)量、超級(jí)流水等并行處理的方法的難度，并使硬 件實(shí)現(xiàn)受到工藝和規(guī)模的限制。雖然人們?cè)谟?jì)算機(jī)體系的發(fā)展中考慮了機(jī) 界面的標(biāo)準(zhǔn)化、通用性的問(wèn)題、如總線、通訊等，但由基本指令導(dǎo)向的體 系結(jié)構(gòu)（如 RISC 和 CISC）在硬件系統(tǒng)的不斷升級(jí)換代和軟件系統(tǒng)日益增大 的復(fù)雜需求下，使得各自體系獨(dú)立的人機(jī)界面形成了所謂硬件、軟件兼容 的包袱、反而抑制了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。在 MISC 體系結(jié)構(gòu)中，人機(jī)界面的 MISC 體系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。軟、硬件一體化 集成設(shè)計(jì)的方法是構(gòu)造人機(jī)界面的

5、重要環(huán)節(jié)，這就是要遵照軟件、硬件的 整體需求，平衡并綜合考慮多種應(yīng)用技術(shù)的集成。集成設(shè)計(jì)的特點(diǎn)表現(xiàn)在 它既能夠有效支持人機(jī)界面復(fù)雜的語(yǔ)義、語(yǔ)法和語(yǔ)用關(guān)系，又能充分發(fā)揮 硬件運(yùn)行時(shí)所追求的高效時(shí)空、叢而提高計(jì)算機(jī)的效率并擴(kuò)大其功能。MISC 體系結(jié)構(gòu)的人機(jī)界面是一種宏語(yǔ)言，它是根據(jù)人類(lèi)對(duì)問(wèn)題的描述，按 照一定的規(guī)則，分解成可由計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)并高效支持的基本元素，而基 本元素又可依據(jù)一定的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組識(shí)與加工，形成一種近似人類(lèi)行_人機(jī)界面具有多種類(lèi)型及產(chǎn)品群體多思版權(quán)所有不得復(fù)制09/5/2008V1.0 10 共 12 頁(yè)為的人機(jī)界面語(yǔ)言。這種界面語(yǔ)言能被計(jì)算機(jī)硬件執(zhí)行，它將直接或簡(jiǎn)接 成為

6、人類(lèi)描述問(wèn)題的行為和計(jì)算機(jī)體系設(shè)計(jì)的規(guī)則。由此，MISC 體系結(jié)構(gòu)需要解決的基本問(wèn)題是：要構(gòu)成一種通用的、公共的人機(jī)界面。該界面是以宏語(yǔ)言為導(dǎo)向的體系。而 MISC 體系結(jié)構(gòu)需解決的關(guān)鍵冋題是：1.對(duì)于軟件而言，要求人機(jī)界面能有效組識(shí)宏語(yǔ)言的語(yǔ)義、語(yǔ)法和語(yǔ)用關(guān) 系參考資料 1,減少語(yǔ)義差異，提高支持人類(lèi)行為描述語(yǔ)義元素的層 次，便于組識(shí)和管理高級(jí)軟件；2.對(duì)于硬件而言，要用最少的器件和最佳的時(shí)空將人機(jī)界面的語(yǔ)義、語(yǔ)法、語(yǔ)用關(guān)系進(jìn)行邏輯組識(shí)、控制和結(jié)構(gòu)組識(shí) 參考資料 2。將硬件的 內(nèi)部微碼變成外部微碼，并可不斷擴(kuò)展其功能，形成軟件，硬件均能執(zhí) 行的指令體系和邏輯結(jié)構(gòu)。這樣的體系，我們稱(chēng)為 MIS

7、C.3MISC 的思想基礎(chǔ)宏的概念是 MISC 體系結(jié)構(gòu)的主要的思想基礎(chǔ)，宏的思想是基于人類(lèi)操作過(guò) 程行為的具體描述，反映了人類(lèi)思維和要求的概念。六十年代，人們就提 出了宏，以及宏鏈接、宏替換、宏指令等，把這一概念加以擴(kuò)展，給宏下 一個(gè)新的定義：在計(jì)算機(jī)軟、硬件體系中，宏可以代表一個(gè)操作、一個(gè)過(guò)程、一種功能、一個(gè)描述、一個(gè)規(guī)則、一種方法、一組信息、宏還可以是一個(gè)處理單元或 一個(gè)元器件。宏可以構(gòu)成人類(lèi)描述問(wèn)題過(guò)程的基本元素，在基本元素（或語(yǔ)義）的有機(jī)組識(shí)和有效集合的同時(shí)構(gòu)成了宏的語(yǔ)法規(guī)則：設(shè) A1、A2.An 為宏，則B=f（A1 A2An）也為宏其中：多思版權(quán)所有不得復(fù)制09/5/2008V1

8、.0 10 共 12 頁(yè)A 為宏（基本元素）；B 為宏的集合（高級(jí)元素），通過(guò)有效集合成為高級(jí)多思版權(quán)所有不得復(fù)制09/5/2008V1.0 10 共 12 頁(yè)語(yǔ)義；f 構(gòu)成 A 與 B 語(yǔ)義的語(yǔ)法組識(shí)關(guān)系，由此不斷地繁衍（宏加工）則形成宏語(yǔ) 言，支持人類(lèi)行為與計(jì)算機(jī)行為的一致性。根據(jù)宏定義及語(yǔ)法規(guī)則（如圖 2），可將人類(lèi)描述問(wèn)題的需求過(guò)程形成新的 宏語(yǔ)言的語(yǔ)用關(guān)系，成為人與計(jì)算機(jī)界面。例：求三數(shù)中最大最小值求三數(shù)中最大、最小值MISC 體系結(jié)構(gòu)的基本思想的立論可歸結(jié)為;1） 人的行為可被分解成獨(dú)立和相關(guān)的基本元素；2） 基本元素的組合可以繁衍成為人類(lèi)行為的需求4MISC 的實(shí)現(xiàn)技術(shù)1）語(yǔ)法關(guān)

9、系界面語(yǔ)言（宏語(yǔ)言）的特點(diǎn)是能夠被分解成該語(yǔ)言可相關(guān)的元素，同時(shí)也能 夠通過(guò)人同界面人類(lèi)需求高級(jí)元素次高級(jí)宏兀素低級(jí)元素基本元素自上而下分解求三數(shù)中最大求三數(shù)中最小求二數(shù)中最大求二數(shù)中最1 I大- -I. . . . . nan HHIMI MBI r n 求二數(shù)中最!大i 取數(shù)比較 e.max.求大值多思版權(quán)所有不得復(fù)制09/5/2008V1.0 10 共 12 頁(yè)各種不同需求的兀素集合成新的宏語(yǔ)言成份。這種集合就是語(yǔ)言兀 素能像積木一樣拼裝，是一種不構(gòu)成數(shù)據(jù)相關(guān)、程序結(jié)構(gòu)相關(guān)的元素成 份。宏語(yǔ)法規(guī)則本身就說(shuō)明了元素間的自由組合關(guān)系，并可繁衍成很高級(jí)的元素。 如下利用堆棧形式考查基本元素間的

10、語(yǔ)法關(guān)系。單詞主棧狀態(tài)叢棧狀態(tài)說(shuō)明元素 1R(n )(n)將主棧數(shù)據(jù)送叢棧元素 2R(n)(n )將叢棧數(shù)據(jù)返回主棧元素 3ROT(n1 n2 n3 n2 n3 n1)將主棧第二項(xiàng)轉(zhuǎn)到棧頂元素 42SWAP (d1 d2 d2 d1)將主棧數(shù)據(jù)雙精度父換2SWAP 這個(gè)新的兀素可表示為由“ROT RROT R”等元素的集合。叢上例可看出，元素間數(shù)據(jù)的傳遞的依靠堆棧完成的，對(duì)元素而言，數(shù) 據(jù)是采用隱含傳遞方式。由此，元素的自由組合就可構(gòu)成新的元素，而新 的元素的數(shù)據(jù)傳遞仍然是通過(guò)堆棧隱含傳遞。隨著元素的不斷繁衍和升 級(jí)，就可不斷提高元素的語(yǔ)義作用，增強(qiáng)其功能。因此，MISC 的界面的語(yǔ)言必須利用

11、多堆棧枝術(shù)，使元素間的數(shù)據(jù)以逆波蘭表達(dá)方式隱含傳遞，才 能實(shí)現(xiàn)其語(yǔ)法關(guān)系。而堆棧確是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本成分。2）語(yǔ)義關(guān)系MISC 的語(yǔ)義是利用軟件與硬件重用和冗余技術(shù)構(gòu)成的參考圖 3,是按照 軟、硬件一體化設(shè)計(jì)的原則而實(shí)現(xiàn)硬件語(yǔ)義和軟件語(yǔ)義的設(shè)計(jì)。A.消除軟件冗余，利用硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)宏語(yǔ)義，對(duì)軟件界面使用頻率較高的宏語(yǔ)義，由硬件完成。如求兩數(shù)最大MAX2DUP IF SWAP THEN DROP多思版權(quán)所有不得復(fù)制09/5/2008V1.0 10 共 12 頁(yè)（取數(shù)）（比較）（選擇）其中，只有“ 下級(jí)寄存器-5結(jié)束語(yǔ)如上所述，MISC 體系結(jié)構(gòu)：以宏語(yǔ)言為界面， 其標(biāo)識(shí)型元素形成的詞典結(jié)構(gòu)不但

12、有效地解決了宏語(yǔ)言 的語(yǔ)用關(guān)系，提高了宏語(yǔ)義的層次，而且叢指令級(jí)進(jìn)行標(biāo)識(shí)構(gòu)成的統(tǒng)一界 面很可能成為一種工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)。以堆棧為基本成分，不但解決了宏語(yǔ)言的語(yǔ)法關(guān)系，支持了宏語(yǔ)言的語(yǔ)義 和語(yǔ)用關(guān)系的發(fā)展，而且還包括了一種處理的其他功能需求，如：中斷、 遞歸、嵌套處理等。以長(zhǎng)指令體系結(jié)構(gòu)不但可構(gòu)成程序流水，可變指令序列，更有效地支持人 類(lèi)高級(jí)行為的語(yǔ)義，同時(shí)加上其他體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè) 處理器應(yīng)包含的行為。這種 MISC 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是解決了宏語(yǔ)言的語(yǔ) 法、語(yǔ)義和語(yǔ)用關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了一種以宏語(yǔ)言、宏加工方式為導(dǎo)向的指令集 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。以此為基礎(chǔ)，對(duì)具有更寬總線指令結(jié)構(gòu)和多棧、多處理器、

13、 多層界面結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更高層次的設(shè)計(jì)，如數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言導(dǎo)向的計(jì)算 機(jī)、人工智能導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)等，以求得高效的計(jì)算機(jī)最佳時(shí)空設(shè)計(jì)。參考資料1.試論程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言設(shè)計(jì)原則 徐家福（南京大學(xué)）- 載于計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展史 988 年第 25 卷第 5 期2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系分析一一張乃孝等（北京大學(xué)）多思版權(quán)所有不得復(fù)制09/5/2008V1.0 10 共 12 頁(yè)摘于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體基礎(chǔ)北京大學(xué)出版社，1987 年3.漫談軟件重用- Thomas A. Sta ndish- 載于計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展史 988 年第 25 卷第 5 期4.一種新型的 FORTH 詞典結(jié)構(gòu)與詞典式結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 吳傅 1990.45.空谷足音

14、 C.H.Ti ng 1987“FOOTSTEPS IN AN EMPTY VALLEY- nc4000 sin glechipforth engine注釋?zhuān)篗ISC 技術(shù)在一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)中，結(jié)識(shí)了美國(guó)芝加哥州立大學(xué)數(shù)學(xué)與 計(jì)算機(jī)系主任王以行教授。在中國(guó)深圳的第一次交往，他居然什么也沒(méi)聽(tīng) 懂。后來(lái)回到美國(guó)后，他仔細(xì)研究了 MISC 的材料，認(rèn)為可能是一種新的思 想。并邀請(qǐng)劉大力到美國(guó)討論。此后合作發(fā)表文章。故事：餐桌上的歷史記錄1993 年 4 月的一天，美國(guó)芝加哥。辦公室的電話(huà)響了，一個(gè)激動(dòng)的自信的聲 音：大力，晚上我請(qǐng)你吃飯，我有重要發(fā)現(xiàn)！我完全理解什么是MISC了！”芝加哥 95 層餐桌

15、上，你的 MISC 不就是算盤(pán)么！ ”混合進(jìn)制關(guān)系。算盤(pán)，是靠相同的珠子串在相同的棍上，整齊地排列，對(duì)稱(chēng)均勻，可以稱(chēng)為中國(guó)一句老話(huà)智園行方”。從下面的珠子來(lái)看，是由五個(gè)珠子組成，進(jìn)制關(guān)系是逢 5 進(jìn) 1，可以稱(chēng)為五進(jìn)制；上面有兩個(gè)珠子，是 逢 2進(jìn) 1,屬二進(jìn)制；上面的一個(gè)珠子代表 5,下面的一個(gè)珠子代表 1, 上面 一個(gè)珠子加下面四個(gè)珠子構(gòu)成逢 9 進(jìn) 1，是十進(jìn)制；上面兩個(gè)加下面五個(gè)珠 子，正好代表逢 15 進(jìn) 1,即十六進(jìn)制?？矗⌒∷惚P(pán)代表了混合進(jìn)制的理論 孫子定理。這與馮氏二進(jìn)制計(jì)算機(jī)體系理論無(wú)疑是一種不同的概念?！皩?duì)稱(chēng)的雙堆棧結(jié)構(gòu)。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，眾所周知，堆棧源自于中國(guó)古代，中國(guó)古

16、人自有 譬如積薪，后來(lái)居上”之說(shuō)。今天我們計(jì)算機(jī)科學(xué)界都公認(rèn)這 一點(diǎn)：堆棧技術(shù)是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一。它獨(dú)到的體系結(jié) 構(gòu)有其特殊機(jī)制：一端固定，一端浮動(dòng)，只有一個(gè)操作點(diǎn)。然而我們看到 算盤(pán)，的確是一端固定，一端浮動(dòng)，不同的是有多個(gè)操作點(diǎn)。同時(shí)，每一 個(gè)算體都由上下兩個(gè)堆棧體多思版權(quán)所有不得復(fù)制09/5/2008V1.0 10 共 12 頁(yè)組成。而多個(gè)算體就構(gòu)成了算盤(pán)，它簡(jiǎn)單、實(shí) 用、規(guī)范、統(tǒng)一。這與存儲(chǔ)模型和寄存器結(jié)構(gòu)相比，雙堆棧結(jié)構(gòu)無(wú)異充分體現(xiàn)了串行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的、全面的物理表現(xiàn)形式。”超長(zhǎng)指令操作。對(duì)寸中國(guó)人來(lái)講使用算盤(pán)就是要背口訣，比如：三下五除二，四下五去一。這就類(lèi)似于今天的軟

17、件。而算盤(pán)的口訣可以把人類(lèi)的操 作行為同時(shí)反映在算盤(pán)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)算體上，換句話(huà)說(shuō)，算盤(pán)就是一種天 生的并行操作結(jié)構(gòu)。這種并行操作結(jié)構(gòu)就類(lèi)似于我們今天所說(shuō)的超長(zhǎng)指令 體系。它的每一個(gè)算體都可以同時(shí)運(yùn)算，可以在一個(gè)時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)操 作。這與馮 諾伊曼的同一個(gè)操作時(shí)刻只有一個(gè)操作的體系在方法、概念上 是完全不同的，而與當(dāng)今 RISC 和CISC 技術(shù)追求的一個(gè)時(shí)鐘周期完成兩條 指令和多個(gè)指令的方向是一致的。這種超長(zhǎng)指令的內(nèi)涵很早就在美國(guó)斯坦 福大學(xué)研究，今天又被 INTEL 用在 EPIC 技術(shù)上。”操作及結(jié)構(gòu)的并行性。今天的計(jì)算機(jī)技術(shù)和經(jīng)常提到的技術(shù)就是重用技術(shù) 和冗余技術(shù)。對(duì)軟件而言，重用技術(shù)將提高軟件的勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證軟件 的質(zhì)量。對(duì)硬件來(lái)講，在有限的資源規(guī)劃下，可充分地發(fā)揮硬件資源的效 能。我們看到算盤(pán)中每一個(gè)珠子，每一個(gè)算體都隨時(shí)隨地地被重用。而且 它天生地解決算體和算體之間的相關(guān)關(guān)系。因?yàn)樗腔旌线M(jìn)制，在運(yùn)算中 有很大余地，因此對(duì)進(jìn)位和借位，對(duì)相關(guān)的操作，它可以用它冗余的算珠 來(lái)加以保證。這就是