專利名稱：直接處理接近數(shù)學(xué)公式的“機(jī)器表達(dá)式”的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種新的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
在氣象、石油勘探以及科技、國防等領(lǐng)域中使用的計(jì)算機(jī)，一般都采用高性能的向量機(jī)和陣列機(jī)。但是，這種結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的主要問題是造價(jià)高，研制維修難，編程序難。
本發(fā)明是設(shè)計(jì)一種面向VLSI技術(shù)，具有并行、流水、數(shù)據(jù)流特點(diǎn)的樹型多處理器系統(tǒng)。其特點(diǎn)是可以直接處理接近數(shù)學(xué)公式的“機(jī)器表達(dá)式”，由于該系統(tǒng)能夠把向量運(yùn)算和標(biāo)量運(yùn)算統(tǒng)一到接近數(shù)學(xué)公式的“機(jī)器表達(dá)式”中，因此，用戶不用為并行處理浪費(fèi)時(shí)間，不用為安排向量操作和標(biāo)量運(yùn)算，就能高效地并行、流水操作，從而使運(yùn)算速度大幅度提高。本系統(tǒng)采用了允許沖突的多級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)，編程序不必考慮存取數(shù)據(jù)的沖突問題。本系統(tǒng)是對(duì)“機(jī)器表達(dá)式”的高度并行、流水處理中取得高性能，因此對(duì)操作系統(tǒng)和高級(jí)語言無特殊要求，對(duì)高級(jí)語言只要求把高級(jí)語言“表達(dá)式”轉(zhuǎn)換成“機(jī)器表達(dá)式”。
一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)主要由下述四部分組成，系統(tǒng)框圖參見圖1。
1.主控制機(jī)1在系統(tǒng)中承擔(dān)運(yùn)行操作系統(tǒng)，執(zhí)行外設(shè)管理，通信網(wǎng)絡(luò)處理和配合高速處理部件2執(zhí)行用戶程序。主控制機(jī)可選用現(xiàn)有的中、小型機(jī)或超級(jí)微型機(jī)。
2.高速處理部件2是本發(fā)明的關(guān)鍵部件，其功能是高速并行流水處理“機(jī)器表達(dá)式”。
3.接口部件3完成主控制機(jī)和高速處理部件之間的連系和同步。接口部件由指令、數(shù)據(jù)緩沖寄存器、忙/閑標(biāo)志寄存器和一些控制線路組成。
4.內(nèi)存貯器4主控制機(jī)和高速處理部件共享內(nèi)存4，內(nèi)存采用多體交叉按模工作方式，本文說明中選16個(gè)存貯體。
系統(tǒng)中還有外圍設(shè)備6和總線5。
二、系統(tǒng)工作方式本系統(tǒng)指令分為兩大類主控制機(jī)指令和高速處理部件指令，用指令的高4位“標(biāo)志碼”加以區(qū)別。主控制機(jī)負(fù)責(zé)從內(nèi)存取指令，送往接口部件，該部件根據(jù)指令的“標(biāo)志碼”判別是主控制機(jī)指令還是高速處理部件指令，然后分別交給主控制機(jī)或高速處理部件去執(zhí)行。用戶程序如附圖2所示，圖中A表示主控制機(jī)指令，B表示高速處理部件指令，而且是“機(jī)器表達(dá)式”指令，圖中第n、n+1條指令都由主控制機(jī)執(zhí)行，第n+2條指令由高速處理部件執(zhí)行，這條指令指向“機(jī)器表達(dá)式”所在單元始地址，高速處理部件取出“機(jī)器表達(dá)式”并執(zhí)行，第n+3條指令由主控制機(jī)去執(zhí)行。
三、高速處理部件該部件是本發(fā)明的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，它是由指令變址部件7，運(yùn)算部件8，先行緩沖部件9和互連網(wǎng)絡(luò)10組成。它通過接口部件與主控制機(jī)相連，并與主控制機(jī)共享內(nèi)存4。
1.高速處理部件各部件的功能a)指令變址部件7執(zhí)行變址運(yùn)算指令，負(fù)責(zé)從內(nèi)存取“機(jī)器表達(dá)式”并進(jìn)行擴(kuò)散，使之適于運(yùn)算部件執(zhí)行“機(jī)器表達(dá)式”規(guī)定的運(yùn)算;計(jì)算操作數(shù)地址和送運(yùn)算結(jié)果地址;執(zhí)行取操作數(shù)和送運(yùn)算結(jié)果給內(nèi)存。
b)運(yùn)算部件8從先行緩沖器中取運(yùn)算符和操作數(shù)按并行流水、數(shù)據(jù)流方式進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算包括定點(diǎn)運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、關(guān)系運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算和一些超越、非超越函數(shù)運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果要送內(nèi)存時(shí)通知指令變址部件執(zhí)行送數(shù)操作。
c)先行緩沖器部件9為了平滑提供數(shù)據(jù)和運(yùn)算，設(shè)置了先行緩沖器。該部件用于存放運(yùn)算符和操作數(shù)、供運(yùn)算部件使用。
d)互連網(wǎng)絡(luò)10指令變址部件從多體存貯器系統(tǒng)中取“機(jī)器表達(dá)式”、操作數(shù)以及送運(yùn)算結(jié)果去內(nèi)存都必須通過互連網(wǎng)絡(luò)。互連網(wǎng)絡(luò)采用允許沖突的多級(jí)移位網(wǎng)絡(luò)，用戶用不著考慮并行存、取數(shù)時(shí)的沖突問題。
2.高速處理部件的結(jié)構(gòu)a)指令變址部件7是由EIR指令寄存器、RD、RB、RA寄存器、L計(jì)數(shù)器、變址運(yùn)算器、B擴(kuò)散器、A擴(kuò)散器及控制線路組成。參見附圖4EIR寄存由接口部件來的高速處理部件指令。
RD從互連網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)送入變址單元，或從變址單元取數(shù)或地址交給互連網(wǎng)絡(luò)。
RB由互連網(wǎng)絡(luò)來的“機(jī)器表達(dá)式”經(jīng)過B擴(kuò)散器寄存到RB中，根據(jù)RB寄存器內(nèi)容進(jìn)行地址運(yùn)算。
RA“機(jī)器表達(dá)式”的送數(shù)地址經(jīng)過A擴(kuò)散器寄存到RA中，根據(jù)RA的內(nèi)容進(jìn)行送數(shù)地址運(yùn)算。
變址運(yùn)算器執(zhí)行變址運(yùn)算，可用現(xiàn)有的32位微處理器，例如68020作為變址運(yùn)算器，把其內(nèi)部寄存器可當(dāng)作變址單元，系統(tǒng)設(shè)置了多個(gè)地址運(yùn)算器，例如16個(gè)，并行工作。
L計(jì)數(shù)器“機(jī)器表達(dá)式”的執(zhí)行一般是循環(huán)執(zhí)行過程，由L計(jì)數(shù)器計(jì)算循環(huán)次數(shù)。
b)運(yùn)算部件8把多個(gè)處理器(例如16個(gè))排列成二叉樹型結(jié)構(gòu)，高度并行、流水按數(shù)據(jù)流方式工作。每個(gè)處理器結(jié)構(gòu)如圖5所示，是由CPU、運(yùn)算符寄存器、位邏輯器，數(shù)據(jù)寄存器R1和R2，一些位標(biāo)志如TK1，TK2，TE1，TE2、T.1，T.2、T′.、TCC1，TCC2、控制線路和運(yùn)算符寄存器組成。
CPU可采用現(xiàn)成的高檔微處理器和協(xié)處理器，例如68020、68881。CPU執(zhí)行定、浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算，關(guān)系運(yùn)算，邏輯運(yùn)算，位邏輯運(yùn)算和一些函數(shù)運(yùn)算。函數(shù)運(yùn)算可包括sin，cos，tg，sin-1，cos-1，tg-1，
，SH，CH，th，th-1，ex，2x，ln(x+1)，ex-1，10x，log2x，Lgx，Lnx等，R1，R2數(shù)據(jù)寄存器由前一級(jí)處理器送來的或從先行緩沖器中取來的操作數(shù)寄存到R1、R2中，供CPU使用。
TK1、TK2當(dāng)其為1時(shí)，表示前一級(jí)已把操作數(shù)送入相應(yīng)的R1和R2中，當(dāng)其為0時(shí)，表示相應(yīng)的操作數(shù)還沒有準(zhǔn)備就緒。
TE1、TE2用于表示R1，R2中操作數(shù)是否有效，1表示無效，0表示有效。TE1對(duì)應(yīng)于R1，TE2對(duì)應(yīng)于R2。
T.1＝1表示R1中的數(shù)或TCC1條件位是要送內(nèi)存的內(nèi)容。
T.2＝1表示R2中的數(shù)或TCC2條件位是要送內(nèi)存的內(nèi)容。
Rθ運(yùn)算符寄存器用于存放運(yùn)算符，控制器根據(jù)Rθ實(shí)現(xiàn)控制運(yùn)算。
TCC1，TCC2為條件位，位邏輯器對(duì)它們進(jìn)行∧、V、
等操作，結(jié)果送入后一級(jí)的TCCi(i＝1，2)中。
控制器控制器包括PROM、PROM地址計(jì)數(shù)器和控制線路。主要功能是把“機(jī)器表達(dá)式”的運(yùn)算通過PROM轉(zhuǎn)換成CPU能執(zhí)行的指令形式，交給CPU去執(zhí)行，有的指令直接在位處理器中執(zhí)行。
運(yùn)算部件每一個(gè)處理器的運(yùn)算過程如下當(dāng)運(yùn)算所需的操作數(shù)已準(zhǔn)備好了時(shí)，由CPU或位邏輯器執(zhí)行運(yùn)算。操作數(shù)是由前一級(jí)運(yùn)算部件或先行緩沖器送來，用TK1、TK2、TE1、TE2來判別操作數(shù)是否已準(zhǔn)備好了，是否有效。運(yùn)算結(jié)束時(shí)，如果后一級(jí)的數(shù)據(jù)寄存器“空”，則送入其中，同時(shí)傳送相應(yīng)的位標(biāo)志即TK1、TK2、TE1、TE2。如果送到后一級(jí)是準(zhǔn)備送入內(nèi)存的數(shù)(其標(biāo)志是T′.＝1)，則把后一級(jí)相應(yīng)的T.置1。如果本級(jí)的T.＝1，則不再執(zhí)行運(yùn)算，準(zhǔn)備送數(shù)到內(nèi)存。
c)先行緩沖器部件9它是由寄存器單元、讀地址計(jì)數(shù)器、寫地址計(jì)數(shù)器、同步控制線路組成。由互連網(wǎng)絡(luò)來的數(shù)據(jù)和由指令變址部件來的運(yùn)算符送入先行緩沖器中，交運(yùn)算部件使用。讀和寫是隨機(jī)過程，由讀、寫地址計(jì)數(shù)器和讀/寫同步控制機(jī)構(gòu)去完成。
d)互連網(wǎng)絡(luò)10互連網(wǎng)絡(luò)采用允許沖突的多級(jí)移位網(wǎng)絡(luò)，而且每兩級(jí)合并成一級(jí)。移位單元取2n＝N，n為正整數(shù)，下面我們?nèi)＝16，移位信息的結(jié)構(gòu)由圖6所示，由D、Y和T組成。D為數(shù)據(jù)或者地址，Y為移位控制信息，T為有效位。
Yj( i )=Σj = 0(n -2 ) / 2(2·Y2jj + 1( i )+Yj2 j(i ))22 j]]>i表示第i移位單元，j表示第j級(jí)、第i移位單元第j級(jí)的移位受Yj2j+1(i)及Yj2j(i)的控制。Yj2j+1(i)和Yj2j(i)的譯碼如圖7所示。
第i單元第j級(jí)被移位信息的各位的輸出決定于如下4個(gè)控制信號(hào)1 Cj0(i)＝1取第i單元2 Cj1(i-22j)取第i-22j單元3 Cj2(i-2.22j)取第i-2.22j單元4 Cj3(i-3.22j)取第i-3.22j單元這里i-L·22j＝L L＝1～3，當(dāng)L取負(fù)值時(shí)取16+L單元。
當(dāng)4個(gè)控制信號(hào)中兩個(gè)以上為1時(shí)，按優(yōu)先權(quán)次序取，而其余的被淘汰。序號(hào)為1的優(yōu)先權(quán)最高，4最低。
工作過程如下①根據(jù)Tj(i)，Yj2j+1(i)，Yj2j(i)譯碼產(chǎn)生Cj0(i)，Cj1(i)，Cj2(i)，Cj3(i)②對(duì)于Cj0(i)，Cj1(i-22j)，Cj2(i-2.22j)，Cj3(i-3.22j)進(jìn)行優(yōu)先權(quán)編碼，得到二進(jìn)碼輸出及有效位標(biāo)志Tj+1(i)。
③根據(jù)優(yōu)先權(quán)編碼器的輸出，可用4取一多路器，選取4個(gè)移位單元之一，附圖8中給出了示意圖，其中多路器是只給了1位的情況，其它位都相同。
④根據(jù)移位之前的有效標(biāo)志位T(i)和移位之后產(chǎn)生的T＊(i)判別移位中被淘汰情況。
T(i) T＊(i)0x無效。
10移位過程中被淘汰。
11有效。
對(duì)于被淘汰的部分重新進(jìn)行移位，重復(fù)上述過程直到全部移位為止，如無碰頭則移一次就結(jié)束。
3.高速處理部件工作方式指令變址部件從接口部件取得高速處理部件指令，通過忙/閑標(biāo)志和主控制機(jī)同步。高速處理部件有兩類，一是變址運(yùn)算指令，直接由變址指令部件執(zhí)行;一是“機(jī)器表達(dá)式”指令，由運(yùn)算部件執(zhí)行。“機(jī)器表達(dá)式”指令執(zhí)行過程如下指令變址部件計(jì)算出“機(jī)器表達(dá)式”所在單元始地址，通過互連網(wǎng)絡(luò)從內(nèi)存中取出“機(jī)器表達(dá)式”，經(jīng)過B擴(kuò)散器寄存到RB寄存器中;送數(shù)地址經(jīng)過A擴(kuò)散器寄存到RA寄存器中，而循環(huán)參數(shù)寄存到L計(jì)數(shù)器中，根據(jù)RB內(nèi)容由變址運(yùn)算器計(jì)算出操作數(shù)地址，通過互連網(wǎng)絡(luò)從內(nèi)存中取操作數(shù)，送入先行緩沖器中，運(yùn)算符從指令變址部件送入先行緩沖器中;運(yùn)算部件從先行緩沖器中取出運(yùn)算符和操作數(shù)并行、流水按數(shù)據(jù)流方式執(zhí)行所規(guī)定的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送入內(nèi)存。當(dāng)然也通過互連網(wǎng)絡(luò)。而送數(shù)地址是由指令變址部件根據(jù)RA寄存器內(nèi)容計(jì)算而得。“機(jī)器表達(dá)式”指令形式如圖4所示。I為指令“標(biāo)志碼”，由它來區(qū)分出主控制機(jī)指令，還是高速處理部件指令;操作指出那一類、那一級(jí)“機(jī)器表達(dá)式”;A指出“機(jī)器表達(dá)式”在內(nèi)存中始地址。
4.關(guān)于“機(jī)器表達(dá)式”“機(jī)器表達(dá)式”由“機(jī)器表達(dá)式”基本形構(gòu)成，其特點(diǎn)如下1)它是由運(yùn)算符、操作數(shù)和“括號(hào)”組成。運(yùn)算符包括整數(shù)算術(shù)運(yùn)算符、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算符、關(guān)系運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符、位邏輯運(yùn)算符、空操作符和一些函數(shù)符。函數(shù)符可包括sin，sin-1，cos，cos-1，tg，tg-1，SH，CH，th，th-1，
，ex，ln(x+1)，ex-1，2x，10x，logx2，Lgx，Lnx等。操作數(shù)有四種，立即數(shù)，內(nèi)存中數(shù)，寄存器中數(shù)，和空操作數(shù)。計(jì)算順序由括號(hào)決定，但括號(hào)并不存入內(nèi)存，因此稱它為“虛括號(hào)”。
2)“虛括號(hào)”特點(diǎn)如下a)“虛括號(hào)”有級(jí)別，編號(hào)為0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)……等，0級(jí)為最內(nèi)層，級(jí)別號(hào)大者在外層。同一級(jí)“虛括號(hào)”中的運(yùn)算相互獨(dú)立地并行執(zhí)行，不同級(jí)之間可重迭工作。
b)每一個(gè)“虛括號(hào)”只允許包含一個(gè)運(yùn)算符和兩個(gè)操作數(shù)或比它低一級(jí)的兩個(gè)“虛括號(hào)”。
c)運(yùn)算符兩邊的“虛括號(hào)”必須是同級(jí)。
“機(jī)器表達(dá)式”共分5類，都由基本形組成。
第一類A=Σi=0nai]]>稱一類0級(jí)，記作I-0，其中A為結(jié)果單元地址，∑只表示凡指的一種操作，例如，Max(求最大值)，MIN(求最小值)，｜Max｜(求絕對(duì)值最大)，｜MIN｜(求絕對(duì)值最小)，∑等。
A=Σi=0n]]>(aiθbi)稱作一類1級(jí)式，記作Ⅰ-1。
θ為運(yùn)算符，例如+、-、×、
、sin……等。
A=Σi=0n]]>〔(aiθ1bi)θ2(ciθ3di)〕稱作一類2級(jí)式，記作Ⅰ-2。
A=Σi=0n]]>｛〔(aiθ1bi)θ2(ciθ3di)〕θ4〔(eiθ5fi)θ6(giθ7hi)〕｝稱作一類3級(jí)式，記作Ⅰ-3。
以此可推出A=Σi=0n]]>｛……｝θ｛……｝稱作一類4級(jí)式，記作Ⅰ-4。
第二類Ai＝aii＝0～n稱作二類0級(jí)式，記作Ⅱ-0。
Ai＝(aiθbi)i＝0～n稱作二類1級(jí)式，記作Ⅱ-1。
Ai＝〔(aiθ1bi)θ2(ciθ3ci)〕 i＝0～n稱作二類2級(jí)式，記作Ⅱ-2。
同理可推出Ai＝｛〔…〕θ〔…〕｝i＝0～n稱作二類3級(jí)式，記作Ⅱ-3。
Ai＝｛｝θ｛｝i＝0～n稱作二類4級(jí)式，記作Ⅱ-4。
第三類A，B，C，…＝(aθ1b)，(cθ2d)，(eθ3f)…稱作三類1級(jí)式，記作Ⅲ-1。
等號(hào)左邊地址不許出現(xiàn)在等號(hào)右邊，所有第三類“機(jī)器表達(dá)式”都要遵守這個(gè)規(guī)定。另外，對(duì)Ⅲ-1而言，等號(hào)左邊項(xiàng)數(shù)不許超過8個(gè)。
Ⅲ-1的含意是并行執(zhí)行，即A＝(aθ1b)B＝(cθ2d)C＝(eθ3f)
A，B，C，…＝〔(aθ1b)θ2(cθ3d)〕，〔…〕，〔…〕，……稱作三類2級(jí)式，記作Ⅲ-2。
等號(hào)左邊項(xiàng)數(shù)不許超過4個(gè)。
A，B＝｛……｝，｛……｝稱作三類3級(jí)式，記作Ⅲ-3。
等號(hào)左邊項(xiàng)數(shù)不許超過2個(gè)。
A＝｛……｝θ｛……｝稱作三類4級(jí)式，記作Ⅲ-4。
第四類ri+1＝〔f(ri)…〕稱作四類2級(jí)式，記作Ⅳ-2。
f表示函數(shù)關(guān)系，但限定在本系統(tǒng)給的運(yùn)算方式之內(nèi)。
ri+1＝｛f(ri)…｝稱作四類3級(jí)式，記作Ⅳ-3。
第五類(算數(shù)、關(guān)系、位邏輯運(yùn)算)其特點(diǎn)1.運(yùn)算結(jié)果為位值;
2.至少有一個(gè)關(guān)系運(yùn)算;
3.運(yùn)算次序必須為算術(shù)、關(guān)系、位邏輯運(yùn)算，不許顛倒;
4.關(guān)系運(yùn)算結(jié)果不許參加關(guān)系運(yùn)算。
Ai＝(aiθbi)i＝0～n稱作五類1級(jí)式，記作Ⅴ-1。
θ必須滿足上述4條運(yùn)算規(guī)則。
Ai＝〔(aiθ1bi)θ2(ciθ3di)〕 i＝0～n稱作五類2級(jí)式，記作Ⅴ-2。
Ai＝〔……〕θ〔……〕i＝0～n稱作五類3級(jí)式，記作Ⅴ-3。
Ai＝｛……｝θ｛……｝i＝0～n稱作五類4級(jí)式，記作Ⅴ-4。


附圖1系統(tǒng)總框圖附圖2系統(tǒng)中指令執(zhí)行程序圖附圖3高速處理部件圖附圖4指令變址部件圖附圖5運(yùn)算部件每個(gè)處理器結(jié)構(gòu)圖附圖6互連網(wǎng)絡(luò)移位信息結(jié)構(gòu)圖附圖7互連網(wǎng)絡(luò)移位控制碼譯碼圖附圖8互連網(wǎng)絡(luò)第i單元第j級(jí)連接圖本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)概括如下由于直接處理接近數(shù)學(xué)公式的“機(jī)器表達(dá)式”，因此對(duì)于操作系統(tǒng)，高級(jí)語言沒有并行化，向量化等特殊要求，充分發(fā)揮計(jì)算題目所固有的并行流水操作，提高了機(jī)器的實(shí)際性能。
互連網(wǎng)絡(luò)采用允許沖突的多級(jí)移位網(wǎng)絡(luò)，高速并行存取數(shù)據(jù)，而且用戶不必考慮并行存取的沖突問題。
系統(tǒng)采用VLSI技術(shù)，體積為超微型機(jī)規(guī)模，但性能可達(dá)到大型機(jī)，小巨型機(jī)的性能，提高了性能/價(jià)格比。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明是一種直接處理接近數(shù)學(xué)公式的“機(jī)器表達(dá)式”的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于(一)具有數(shù)據(jù)流特點(diǎn)的樹型多處理機(jī)系統(tǒng)，它不分向量和標(biāo)量運(yùn)算，都統(tǒng)一到“機(jī)器表達(dá)式”，對(duì)它高速并行、流水處理、對(duì)操作系統(tǒng)無特殊要求，對(duì)于高級(jí)語言只要求將高級(jí)語言表達(dá)式轉(zhuǎn)換成機(jī)器表達(dá)式；(二)本機(jī)的具體結(jié)構(gòu)分為四大部分a、主控制機(jī)它可采用現(xiàn)有的中、小型計(jì)算機(jī)或超級(jí)微型機(jī)，其功能是運(yùn)行操作系統(tǒng)，外設(shè)管理，運(yùn)行語言編譯系統(tǒng)以及和高速處理部件配合運(yùn)行用戶程序；b、接口部件完成主控制機(jī)和高速處理部件之間的聯(lián)系和同步，接口部件由指令、數(shù)據(jù)、緩沖寄存器，忙/閑標(biāo)志和控制線路組成。主控制機(jī)取指令，接口部件根據(jù)指令的“標(biāo)志碼”判別，是主控制機(jī)指令，則交給主控制機(jī)執(zhí)行，是高速處理部件指令，則送高速處理部件去執(zhí)行并使主控制機(jī)跳過8個(gè)字節(jié)指向下一條指令，并等待或繼續(xù)執(zhí)行下去；c、存貯器系統(tǒng)主控制機(jī)和高速處理部件共享內(nèi)存，存貯器系統(tǒng)采用多體交叉按模工作方式，例如取16個(gè)體，地址交叉安排，16個(gè)體可并行存、取數(shù)據(jù)或“機(jī)器表達(dá)式”；d、高速處理部件它是由指令變址部件，先行緩沖器(包括數(shù)據(jù)和運(yùn)算符)，互連網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算部件組成；指令變址部件寄存高速處理部件指令，計(jì)算“機(jī)器表達(dá)式”所在單元開始地址，取“機(jī)器表達(dá)式”，并進(jìn)行擴(kuò)散，使它適于運(yùn)算部件執(zhí)行“機(jī)器表達(dá)式”規(guī)定的運(yùn)算，計(jì)算操作數(shù)地址和送運(yùn)算結(jié)果地址，取操作數(shù)，執(zhí)行變址操作，運(yùn)算結(jié)果送到內(nèi)存，有n個(gè)(我們?nèi)?6個(gè))執(zhí)行單元并行操作；先行緩沖器存放操作數(shù)和運(yùn)算符，以便運(yùn)算部件使用?；ミB網(wǎng)絡(luò)指令變址部件從多體存貯器系統(tǒng)中取“機(jī)器表達(dá)式”、操作數(shù)以及送運(yùn)算結(jié)果都必須通過互連網(wǎng)絡(luò)。互連網(wǎng)絡(luò)采用允許沖突的多級(jí)移位網(wǎng)絡(luò)，對(duì)用戶程序透明，用戶用不著考慮并行存、取操作中的沖突問題；運(yùn)算部件，從先行緩沖器中取運(yùn)算符和操作數(shù)，并行、流水、按數(shù)據(jù)流工作方式執(zhí)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果要送內(nèi)存時(shí)，通知指令變址部件執(zhí)行送數(shù)操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的系統(tǒng)，其特征在于所說的高速處理部件中的指令變址部件，它是由EIR指令寄存器、RD、RB、RA寄存器、B擴(kuò)散器、A擴(kuò)散器、地址運(yùn)算器、L計(jì)數(shù)器和變址寄存單元等組成。EIR指令寄存器中寄存高速處理部件指令。RB寄存器從內(nèi)存取出來的“機(jī)器表達(dá)式”通過B擴(kuò)散器擴(kuò)散成適合運(yùn)算部件處理的格式存放到RB中，RB有16個(gè)分量提供并行操作。RA寄存器“機(jī)器表達(dá)式”的送數(shù)地址經(jīng)過A擴(kuò)散器寄存RA寄存器中。RD寄存器根據(jù)RB或RA的內(nèi)容執(zhí)行地址運(yùn)算，結(jié)果通過RD寄存器送到互連網(wǎng)絡(luò)或內(nèi)存中的數(shù)據(jù)通過RD送入變址單元中去。地址運(yùn)算器可用現(xiàn)成的32位微處理器，例如68020，把內(nèi)部寄存器當(dāng)作變址單元。系統(tǒng)準(zhǔn)備了n個(gè)(n取16個(gè))地址運(yùn)算器可并行工作。L計(jì)數(shù)器“機(jī)器表達(dá)式”的執(zhí)行一般是循環(huán)執(zhí)行過程，由L計(jì)數(shù)器計(jì)算循環(huán)次數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的系統(tǒng)，其特征在于所說的高速處理部件中的先行緩沖器。它是由寄存單元、讀地址計(jì)數(shù)器、寫地址計(jì)數(shù)器、同步控制線路組成。由互連網(wǎng)絡(luò)來的數(shù)據(jù)和由指令變址部件來的運(yùn)算符送入先行緩沖器中，由運(yùn)算部件從中取運(yùn)算符或數(shù)據(jù)，讀和寫是隨機(jī)的異步過程，由讀、寫地址計(jì)數(shù)器和讀/寫同步控制線路去控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說的系統(tǒng)，其特征在于所說的高速處理部件中的運(yùn)算部件是由多個(gè)處理器(我們?nèi)?6個(gè))排列成二叉樹型結(jié)構(gòu)，高速并行、流水、按數(shù)據(jù)流方式工作，每個(gè)處理器由以下部分組成CPU，運(yùn)算符寄存器、位邏輯器、數(shù)據(jù)寄存器R1和R2，一些位標(biāo)志TK1，TK2，TE1，TE2，T.1，T.2，T′.，TCC1，TCC2和控制器。CPU可用現(xiàn)成的高檔微處理器(32位)和協(xié)處理器(COPROCESOR)，例如68020和68881，協(xié)處理器要能執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算和一些函數(shù)運(yùn)算，例如sin，cos，tg，sin-1，cos-1，tg-1，]]>，SH，CH，th，th-1，ex，2x，ln(x+1)，ex-1，2x，10x，log2x，lgx，lnx等。R1、R2數(shù)據(jù)寄存器操作數(shù)寄存到R1和R2中。運(yùn)算符寄存器存放運(yùn)算符之用，控制器根據(jù)它控制運(yùn)算?？刂破骺刂破靼≒ROM和PROM地址計(jì)數(shù)器PC和時(shí)鐘發(fā)生器及控制線路組成，主要功能是把“機(jī)器表達(dá)式”的運(yùn)算符通過PROM轉(zhuǎn)換成CPU能執(zhí)行的指令形式交給CPU去執(zhí)行，有的直接在位邏輯器中執(zhí)行。工作過程如下當(dāng)運(yùn)算符所需的操作數(shù)已準(zhǔn)備好了時(shí)，由CPU或位邏輯器執(zhí)行運(yùn)算。操作數(shù)是由前一級(jí)運(yùn)算部件送來，用TK1，TK2，TE1，TE2來判別操作數(shù)是否已準(zhǔn)備好了，是否有效。運(yùn)算結(jié)束時(shí)如果后一級(jí)的數(shù)據(jù)寄存器“空”則送入其中，同時(shí)傳送相應(yīng)的位標(biāo)志TK1、TK2告訴數(shù)據(jù)是否已準(zhǔn)備好，送到后一級(jí)的數(shù)可能是有效的也可能是無效的數(shù)，這由TE1，TE2指出。如果送到后一級(jí)的是準(zhǔn)備送入內(nèi)存的數(shù)(其標(biāo)志是T′.＝1)則把相應(yīng)的T.置1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所說的系統(tǒng)，其特征在于所說的高速處理部件中的允許沖突的多級(jí)位移網(wǎng)絡(luò)多級(jí)移位網(wǎng)絡(luò)，每兩級(jí)合并成一級(jí)，移位單元取2n＝Nn為正整數(shù)，下面我們?nèi)＝16，被移位信息由D、Y和T組成，D為數(shù)據(jù)或者地址，Y為移位控制信息，T為有效位;Yj(i)＝∑(n-2)/2j＝0(2·Yj2j+1(i)+Yj2j(i))22ji表示第i移位單元，j表示第j級(jí)(多級(jí)網(wǎng)的)第i移位單元第j級(jí)移位受Yj2j+1(i)·Yj2j(i)及Tj(i)的控制Yj2j+1(i)Yj2j(i)的譯碼如下Yj2j+1(i)Yj2j(i)Tj(i) 輸出(1/0)0 0 1 Cj0(i)0 1 1 Cj1(i)1 0 1 Cj2(i)1 1 1 Cj3(i)第i單元第j級(jí)被移位信息的各位的輸出決定于如下4個(gè)控制信號(hào)1.Cj0(i)＝1 取第i單元2.Cj1(i-22j)＝1 取第i-22j單元3.Cj2(i-2·22j)＝1取第i-2·22j單元4.Cj3(i-3·22j)＝1取第i-3·22j單元這里i-L·22j＝L L＝1～3當(dāng)L取負(fù)值時(shí)取16+L單元。當(dāng)4個(gè)控制信號(hào)中兩以上為1時(shí)按優(yōu)先權(quán)次序取，其它被淘汰，序號(hào)為1的優(yōu)先權(quán)最高，4最低。(二)工作過程如下①根據(jù)Tj(i)，Yj2j+1(i)，Yj2j(i)譯碼產(chǎn)生Cj0(i)，Cj1(i)，Cj2(i)，Cj3(i)②對(duì)于Cj0(i)，Cj1(i-22j)，Cj2(i-2·22j)，Cj3(i-3·22j)進(jìn)行優(yōu)先權(quán)編碼得到二進(jìn)碼輸出及有效位標(biāo)志Tj+1(i)③根據(jù)優(yōu)先編碼器的輸出取4個(gè)移位單位之一，用4取1的多路器附圖4中表示的是1位的情況，其它各位都相同。④根據(jù)移位之前的有效標(biāo)志位T(i)和移位之后產(chǎn)生的T＊(i)判別移位中被淘汰情況。T(i) T＊(i)0 x 無效1 0 移位過程中被淘汰1 1 有效對(duì)于被淘汰的部分重新進(jìn)行移位，重復(fù)上述過程直到全部移位為止，如無碰頭則移一次就結(jié)束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2、或3、或4、或5所述的系統(tǒng)，其特征在于所說的“機(jī)器表達(dá)式”共分為五大類，是由“機(jī)器表達(dá)式”的基本形組成，其基本形的特點(diǎn)如下(一)機(jī)器表達(dá)式基本形由運(yùn)算符、操作數(shù)和“括號(hào)”組成，運(yùn)算符包括整數(shù)算術(shù)運(yùn)算符、浮點(diǎn)運(yùn)算符、關(guān)系運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符、位邏輯運(yùn)算符、空操作符和函數(shù)符，函數(shù)符包括sin、cos、tg、sin-1、cos-1、tg-1、SH、CH、th、th-1、
、ex、ln(x+1)，ex-1、2x、10x、log2x、lgx、lnx，操作數(shù)可由四種方式給出立即數(shù)、存貯器地址、寄存器號(hào)和空操作數(shù);(二)計(jì)算次序由括號(hào)決定，但括號(hào)并不存入內(nèi)存，它是虛的，因此稱它為“虛括號(hào)”，其特點(diǎn)為a、“虛括號(hào)”有級(jí)別，0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)……等?！?”級(jí)為最內(nèi)層，級(jí)別號(hào)大者在外層。同一級(jí)“虛括號(hào)”中的運(yùn)算相互獨(dú)立地并行執(zhí)行，不同級(jí)“虛括號(hào)”之間可重迭工作。b、每一個(gè)“虛括號(hào)”只允許包含一個(gè)運(yùn)算符和兩個(gè)操作數(shù)或比它低一級(jí)的兩個(gè)“虛括號(hào)”。c、運(yùn)算符兩邊的“虛括號(hào)”必須是同級(jí)。(三)“機(jī)器表達(dá)式”五大類規(guī)定如下第一類A=Σi=0nai]]>，一類0級(jí)式，記作I-0，其中A為結(jié)果單元地址，∑表示凡指的一種運(yùn)算符，例如Max，min，｜max｜，｜min｜，、∑等。A=Σi=0n]]>(aiθbi)稱作一類1級(jí)式，記作Ⅰ-1。θ為運(yùn)算符，可以是+、-、×、÷、
或其它函數(shù)符等。A=Σi=0n]]>〔(aiθ1bi)θ2(ciθ3di)〕稱作一類2級(jí)式，記作I-2。A=Σi=0n]]>｛〔(aiθ1bi)θ2(ciθ3di)〕θ4〔(eiθ5fi)θ6(giθ7hi)〕｝稱作一類3級(jí)式，記作I-3。由此可推出A=Σi=0n]]>｛……｝θ｛……｝稱作一類4級(jí)式，記作I-4。第二類Ai＝ai i＝0～n 稱作二類0級(jí)式，記作Ⅱ-0。Ai＝(aiθbi) i＝0～n 稱作二類1級(jí)式，記作Ⅱ-1。Ai＝〔(aiθ1bi)θ2(ciθ3di)〕 i＝0～n稱作二類2級(jí)式，記作Ⅱ-2。同理可推出Ai＝｛〔……〕θ〔……〕｝ i＝0～n稱作二類3級(jí)式，記作Ⅱ-3。Ai＝｛……｝θ｛……｝ i＝0～n稱作二類4級(jí)式，記作Ⅱ-4。第三類A，B，C……＝(aθ1b)，(cθ2d)，(eθ3f)……稱作三類1級(jí)式，記作Ⅲ-1。等號(hào)左邊項(xiàng)數(shù)不許超過8個(gè)，此式表示并行執(zhí)行，即A＝(aθ1b)B＝(cθ2d)C＝(eθ3f)A、B、C……＝〔(aθ1b)θ2(cθ3d)〕，〔……〕，〔……〕，…稱作三類2級(jí)式，記作Ⅲ-2。等號(hào)左邊項(xiàng)數(shù)不許超過4個(gè)。A，B＝｛……｝，｛……｝ 稱作三類3級(jí)式，記作Ⅲ-3。等號(hào)左邊項(xiàng)數(shù)不許超過2個(gè)。A＝｛……｝θ｛……｝稱作三類4級(jí)式，記作Ⅲ-4。在第三類中，等號(hào)左邊的地址不許出現(xiàn)在等號(hào)右邊。第四類ri+1＝〔f(ri)…〕f表示的函數(shù)關(guān)系為限定的θ運(yùn)算方式之內(nèi)，稱作四類2級(jí)式，記作Ⅳ-2級(jí)式。ri+1＝｛f(ri)…｝稱作四類3級(jí)式，記作Ⅳ-3級(jí)式。第五類(算術(shù)、關(guān)系、位邏輯運(yùn)算)其特點(diǎn)1.運(yùn)算結(jié)果為位值(1或0)2.至少有一個(gè)關(guān)系運(yùn)算3.運(yùn)算次序必須為算術(shù)、關(guān)系、位邏輯運(yùn)算不許顛倒。4.關(guān)系運(yùn)算結(jié)果不許再參加關(guān)系運(yùn)算。Ai＝aiθbi i＝0～n 稱作五類1級(jí)式，記作Ⅴ-1。Ai＝(aiθ1bi)θ2(ciθ3di) i＝0～n稱作五類2級(jí)式，記作Ⅴ-2。Ai＝〔……〕θ〔……〕 i＝0～n稱作五類3級(jí)式，記作Ⅴ-3。Ai＝｛……｝θ｛……｝ i＝0～n稱作五類4級(jí)式，記作Ⅴ-4。
全文摘要
本發(fā)明系直接處理接近數(shù)學(xué)公式的“機(jī)器表達(dá)式”的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是一種新的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。目前高性能的向量機(jī)和陣列機(jī)，造價(jià)高，研制維修難，編程序難。本發(fā)明是設(shè)計(jì)一種面向VLSI技術(shù)，具有并行、流水、數(shù)據(jù)流特點(diǎn)的樹型多處理器系統(tǒng)，由于采用允許沖突的多級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)，把向量運(yùn)算和標(biāo)量運(yùn)算統(tǒng)一到“機(jī)器表達(dá)式”，運(yùn)算速度大幅度提高。對(duì)高級(jí)語言只要求把其“表達(dá)式”轉(zhuǎn)化為“機(jī)器表達(dá)式”。本發(fā)明適用于大型機(jī)和巨型機(jī)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G06F15/16GK1034078SQ8810002
公開日1989年7月19日 申請(qǐng)日期1988年1月9日 優(yōu)先權(quán)日1988年1月9日
發(fā)明者金振玉, 欒毓敏, 石國華 申請(qǐng)人:北京信通電腦技術(shù)公司