MISC体系结构计算机的理论与方法

1、MISC体系结构计算机的理论与方法目录1引言12MISC的基本问题13MISC的思想基础34MISC的实现技术45结束语9MISC体系结构计算机的理论与方法刘大力、王以行、易力、蒋雷、章永舆译自“THE 9 TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCED SCIENCE AND TECHNOLOGY”March 27,1993 Page 16-261 引言计算机技术是人类智力的延伸，提高处理问题的能力与效率是计算机发展的主要动力。人们一直在追求人和计算机交互界面的简单，追求这一界面在方法、规则上的清晰明了，以减少语义间隙，提高人类行为与计算机行为的一致性。人们亦

2、一直在追求计算机体系结构能以最少的资源，达到硬件、软件的平衡设计，使计算机系统在理论、方法、实践方面均具有突出的技术与市场竞争能力。这种追求使人们在考虑计算机系统、体系结构设计方面更加注重技术的集成。本文针对MISC(MACRO INSTRUCTION SETS COMPUTER)的主要特征：1. 具有硬件直接支持标识型的可繁衍的高级语义（宏语言元素）；2. 有效地集合并组识了宏的语义、语法、语用关系实现单周期多个宏语义的处理。论述其技术构成的理论和方法。2 MISC的基本问题在常规系统中，用户描述的问题通常通过一种高级的软件界面，将问题变成程序流和指令流，计算机系统硬件将有效支持这种指令流而

3、形成人机界面（如图1）软件体系人机应用界面计算机硬件指令体系人机界面具有多种类型及产品群体在常规体系结构中，人机界面是依据不同类型的体系结构和指令结构而构成产品群体。这种界面一般不具有通用性和可移性。在系统升级和发展时，不但必须要考虑软件和硬件的兼容问题，还要依靠的技术、硬件工艺的支持和增加设计技术的复杂性来提高计算机整体的效率。近年来，以RISC体系为特征的产品已发展到第三代，计算机体系结构的发展已使计算机系统的效率大大提高。但是，在应用中，人脑与电脑的极大差异必将导致软件的复杂性和增加人与机器间的语义差距；必将增加优化编译等技术和采用超级标量、超级流水等并行处理的方法的难度，并使硬件实现受

4、到工艺和规模的限制。虽然人们在计算机体系的发展中考虑了机界面的标准化、通用性的问题、如总线、通讯等，但由基本指令导向的体系结构（如RISC和CISC）在硬件系统的不断升级换代和软件系统日益增大的复杂需求下，使得各自体系独立的人机界面形成了所谓硬件、软件兼容的包袱、反而抑制了计算机体系结构的发展。在MISC体系结构中，人机界面的MISC体系设计的关键。软、硬件一体化集成设计的方法是构造人机界面的重要环节，这就是要遵照软件、硬件的整体需求，平衡并综合考虑多种应用技术的集成。集成设计的特点表现在它既能够有效支持人机界面复杂的语义、语法和语用关系，又能充分发挥硬件运行时所追求的高效时空、丛而提高计算机

5、的效率并扩大其功能。MISC体系结构的人机界面是一种宏语言，它是根据人类对问题的描述，按照一定的规则，分解成可由计算机硬件实现并高效支持的基本元素，而基本元素又可依据一定的规则和标准进行组识与加工，形成一种近似人类行为的人机界面语言。这种界面语言能被计算机硬件执行，它将直接或简接成为人类描述问题的行为和计算机体系设计的规则。由此，MISC体系结构需要解决的基本问题是：要构成一种通用的、公共的人机界面。该界面是以宏语言为导向的体系。而MISC体系结构需解决的关键问题是：1. 对于软件而言，要求人机界面能有效组识宏语言的语义、语法和语用关系参考资料1，减少语义差异，提高支持人类行为描述语义元素的层

6、次，便于组识和管理高级软件；2. 对于硬件而言，要用最少的器件和最佳的时空将人机界面的语义、语法、语用关系进行逻辑组识、控制和结构组识参考资料2。将硬件的内部微码变成外部微码，并可不断扩展其功能，形成软件，硬件均能执行的指令体系和逻辑结构。 这样的体系，我们称为MISC.3 MISC的思想基础宏的概念是MISC体系结构的主要的思想基础，宏的思想是基于人类操作过程行为的具体描述，反映了人类思维和要求的概念。六十年代，人们就提出了宏，以及宏链接、宏替换、宏指令等，把这一概念加以扩展，给宏下一个新的定义：在计算机软、硬件体系中，宏可以代表一个操作、一个过程、一种功能、一个描述、一个规则、一种方法、一

7、组信息、宏还可以是一个处理单元或一个元器件。宏可以构成人类描述问题过程的基本元素，在基本元素（或语义）的有机组识和有效集合的同时构成了宏的语法规则：设A1、A2.An为宏，则B=f(A1 A2An)也为宏其中：A为宏（基本元素）；B为宏的集合（高级元素），通过有效集合成为高级语义；f构成A与B语义的语法组识关系，由此不断地繁衍（宏加工）则形成宏语言，支持人类行为与计算机行为的一致性。根据宏定义及语法规则（如图2），可将人类描述问题的需求过程形成新的宏语言的语用关系，成为人与计算机界面。例：求三数中最大最小值人同界面人类需求高级元素次高级宏元素低级元素基本元素求三数中最大、最小值求三数中最大求三

8、数中最小求二数中最大求二数中最大2求二数中最大2取数比较e求大值max自上而下分解图 2MISC体系结构的基本思想的立论可归结为；1) 人的行为可被分解成独立和相关的基本元素；2) 基本元素的组合可以繁衍成为人类行为的需求。4 MISC的实现技术1) 语法关系界面语言（宏语言）的特点是能够被分解成该语言可相关的元素，同时也能够通过各种不同需求的元素集合成新的宏语言成份。这种集合就是语言元素能像积木一样拼装，是一种不构成数据相关、程序结构相关的元素成份。宏语法规则本身就说明了元素间的自由组合关系，并可繁衍成很高级的元素。如下利用堆栈形式考查基本元素间的语法关系。单词 主栈状态 丛栈状态说明元素1

9、 >R (n) (n) 将主栈数据送丛栈元素2 R> (n) (n) 将丛栈数据返回主栈元素3 ROT(n1 n2 n3n2 n3 n1) 将主栈第三项转到栈顶元素4 2SWAP(d1 d2d2 d1) 将主栈数据双精度交换2SWAP这个新的元素可表示为由“ROT >R ROT R>”等元素的集合。 丛上例可看出，元素间数据的传递的依靠堆栈完成的，对元素而言，数据是采用隐含传递方式。由此，元素的自由组合就可构成新的元素，而新的元素的数据传递仍然是通过堆栈隐含传递。随着元素的不断繁衍和升级，就可不断提高元素的语义作用，增强其功能。因此，MISC的界面的语言必须利用多堆栈枝

10、术，使元素间的数据以逆波兰表达方式隐含传递，才能实现其语法关系。而堆栈确是计算机体系结构的基本成分。2) 语义关系MISC的语义是利用软件与硬件重用和冗余技术构成的参考图3，是按照软、硬件一体化设计的原则而实现硬件语义和软件语义的设计。A. 消除软件冗余，利用硬件设计实现宏语义，对软件界面使用频率较高的宏语义，由硬件完成。如求两数最大MAX2DUP IF SWAP THEN DROP(取数) （比较） （选择）其中，只有“<”（比较）是元素中非冗余部分，用硬件实现就是一个比较选通器（如图3）。COMMUXABMAX(图3)B. 超长指令体系可针对软件、硬件的功能冗余实现并行和程序流水处理

11、。超长指令体系除了可解决系统总线频宽问题，有效支持人机界面外，还可以由MISC内部结构相互独立和相关的内部模块，经逻辑硬布线和堆栈连接形成基本元素的组识和派生宏语义，并使派生的宏语义实现并行和程序流水处理，大大提高指令和吞吐率。3) 语用关系宏语言的元素是一种标识型结构。标识型元素的集合构成宏语言词汇和词典。这种词典结构类似于人类的知识积累和运用的过程数组单词的索引表结构非数据类单词的索引表结构链字LINK-WORD链字LINK-WORD名长特征值特征值名长特征值特征值特征值特征值数组名NAME单词名NAMELITERAL调用或非调用指令数组映射向量地址数组运行子程序调用指令图4：元素标识型实

12、例EXIT元素标识结构>RR>MAXROT>RR>MAXROT2SWAPROT>RROTR>(图 5)标识型元素词典词典对每个元素（知识）都附加注释特征（如图4），当有一个行为需求时，在词典中寻找这个需求构成的元素（知识）的特征，然后组识起来形成新的元素（知识），并加以标识，这种类似知识积累的过程不断地繁衍，就不断地产生新的元素，新的元素产生过程就是应用过程，越高层次的元素越接近似于人类行为。MISC体系语用规则的要素是必须采取自行描述的数据，才能够进行元素语义的升级（加工），形成良好的人机界面，而分体式词典结构参考资料4即编译词典（含标识的词典）和执行词典

13、（仅含执行的目标流词典）是MISC语用关系的特征。程序硬件模块硬件模块硬件模块堆栈堆栈人机界面 词典结构超长指令(图6) MISC体系框图指令1指令2软件.OEM硬件设备总线4) MISC体系关系MISC体系结构是以超长指令体系界面与词典结构为中间转换环节，沟通人机界面的语法、状态关系，将程序流及物理设备的驱动转变为长指令体系的指令流或数据流，而指令体系与内部逻辑模块的关系，是一种以堆栈为主体的，包括逻辑模块、算术模块、控制模块、测试模块等部件实现逻辑硬布线构成的体系。将程序流及物理设备的驱动转变为长指令体系的指令流或数据流。MISC体系的主要特征是外部利用词典结构，内部利用堆栈结构参考资料5

14、，以长指令体系为界面，不但可实现繁衍和执行人机界面的语言元素，还可构成系统的控制和管理，成为一种高效、多功能的处理器。5) MISC的逻辑关系MISC是将内部逻辑关系转换成为外部可控制的和标识的微码宏语言元素界面，为支持这个界面，其设计必须是以堆栈为主体，以逻辑硬布线为连接，采用固定和可变指令格式处理内部功能模块与外部元素语义的连接。可变操作序列是MISC结构硬、软件重用技术体现，为有效支持高层的人机界面，则必须对人类行为需求的过程的操作序列及程序流进行重新排列，以追求语义行为的通用性。如下是一条可变操作序列的条件类指令译码逻辑关系，其算法为：X2+Y或2XY。其宏语义的构成可支持高层次的语义

15、关系。2DUP IF DUP * + ELSE DUP * + THEN取数 条件 真 假第一周期：取数比较并排序* +和+*;第二周期：依条件执行*+或+*。可见人类操作行为序列是随需求而变，通过MISC逻辑操作的处理可将X2+Y或2XY利用长指令体系在单周期内实现，这是MISC逻辑关系处理可变操作序列表现的特征。6) MISC的控制关系A. 程序流水和延时执行特征 任何一个程序流的过程均包括数据、资源的相关性与非相关性。MISC体系结构在数据结构非相关时，将依流水线在硬件冗余的条件下并行处理，即所谓超标量形式；在数据资源相关时，将依据延时的控制和主副本算法并行吞吐操作而串行处理，即利用硬件

16、资源重要。这种控制是以最大的资源条件支持了宏语义的层次和语用关系的发展。B. 主副本算法主副本算法，亦即重叠寄存器的应用，如图7所示。所谓重叠寄存器就是寄存器由上、下两级构成，两级间可以采用不同的控制时序。下级寄存器在上级寄存器数据稳定建立后，为入其内容，即制造一个副本。副本稳定建立后，上级寄存器就可更新其内容，而其原有内容还可在下级的副本寄存器中保留一个时间段，这种重叠寄存器结构可以为不同部件同时提供两组数据，提高了数据处理并行度。图 7上级寄存器时序控制下级寄存器= >5 结束语 如上所述，MISC体系结构：以宏语言为界面，其标识型元素形成的词典结构不但有效地解决了宏语言的语用关系，

17、提高了宏语义的层次，而且丛指令级进行标识构成的统一界面很可能成为一种工业界的标准。以堆栈为基本成分，不但解决了宏语言的语法关系，支持了宏语言的语义和语用关系的发展，而且还包括了一种处理的其他功能需求，如：中断、递归、嵌套处理等。以长指令体系结构不但可构成程序流水，可变指令序列，更有效地支持人类高级行为的语义，同时加上其他体系结构设计的基本技术，实现了一个处理器应包含的行为。这种MISC结构的设计实质上是解决了宏语言的语法、语义和语用关系，实现了一种以宏语言、宏加工方式为导向的指令集计算机系统。以此为基础，对具有更宽总线指令结构和多栈、多处理器、多层界面结构可进一步实现更高层次的设计，如数据库语

18、言导向的计算机、人工智能导向的计算机等，以求得高效的计算机最佳时空设计。参考资料1. 试论程序设计语言设计原则徐家福（南京大学）载于计算机研究与发展史988年第25卷第5期2. 数据结构体系分析张乃孝等（北京大学）摘于数据结构体基础北京大学出版社，1987年3. 漫谈软件重用Thomas A. Standish载于计算机研究与发展史988年第25卷第5期4. 一种新型的FORTH词典结构与词典式结构系统吴傅1990.45. 空谷足音C.H.Ting 1987“FOOTSTEPS IN AN EMPTY VALLEY-nc4000 singlechipforth engine”注释：MISC技术

19、在一个偶然的机会中，结识了美国芝加哥州立大学数学与计算机系主任王以行教授。在中国深圳的第一次交往，他居然什么也没听懂。后来回到美国后，他仔细研究了MISC的材料，认为可能是一种新的思想。并邀请刘大力到美国讨论。此后合作发表文章。故事：餐桌上的历史记录1993年4月的一天，美国芝加哥。办公室的电话响了，一个激动的自信的声音：“大力，晚上我请你吃饭，我有重要发现！我完全理解什么是MISC了！” 芝加哥95层餐桌上，“你的MISC不就是算盘么！”混合进制关系。“算盘，是靠相同的珠子串在相同的棍上，整齐地排列，对称均匀，可以称为中国一句老话“智园行方”。从下面的珠子来看，是由五个珠子组成，进制关系是逢

20、5进1，可以称为五进制；上面有两个珠子，是逢2进1，属二进制；上面的一个珠子代表5，下面的一个珠子代表1，上面一个珠子加下面四个珠子构成逢9进1，是十进制；上面两个加下面五个珠子，正好代表逢15进1，即十六进制。看，小小算盘代表了混合进制的理论孙子定理。这与冯氏二进制计算机体系理论无疑是一种不同的概念。“对称的双堆栈结构。“在计算机领域，众所周知，堆栈源自于中国古代，中国古人自有“譬如积薪，后来居上”之说。今天我们计算机科学界都公认这一点：堆栈技术是计算机体系结构的重要组成部分之一。它独到的体系结构有其特殊机制：一端固定，一端浮动，只有一个操作点。然而我们看到算盘，的确是一端固定，一端浮动，不同的是有多个操作点。同时，每一个算体都由上下两个堆栈体组成。而多个算体就构成了算盘，它简单、实用、规范、统一。这与存储模型和寄存器结构相比，双堆栈结构无异充分体现了串行数据结构的、全面的物理表现形式。”超长指令操作。“对中国人来讲使用算盘就是要背口诀，比如：三下五除二，四下五去一。这就类似于今天的软件。而算盘的口诀可以把人类的操作行为同时