基于新型工作原理的計(jì)算機(jī)—事件處理機(jī)

1、基于新型工作原理的計(jì)算機(jī)事件處理機(jī)        現(xiàn)有的電子計(jì)算機(jī)采用“狀態(tài)機(jī)”(State Machine)工作原理，即由時(shí)鐘信號(hào)定時(shí)驅(qū)動(dòng)的，每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)推動(dòng)計(jì)算機(jī)前進(jìn)一步，完成預(yù)先設(shè)定的處理工作。本文提出的事件處理機(jī)采用“事件機(jī)”(Event Machine)工作原理，事件處理機(jī)是由外部“事件”信號(hào)隨機(jī)驅(qū)動(dòng)的，事件處理機(jī)對(duì)于特定“事件”序列的反應(yīng)是可以預(yù)先設(shè)置的。一個(gè)特定“事件”的發(fā)生將推動(dòng)事件處理機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)并且改變到相應(yīng)的等待下一個(gè)“事件”的狀態(tài)。 事件處理機(jī)的工作原理使它在處理隨機(jī)信號(hào)時(shí)具有兩個(gè)主

2、要優(yōu)點(diǎn)(與狀態(tài)機(jī)相比)： 1當(dāng)特定的“事件”信號(hào)發(fā)生時(shí)，它將直接驅(qū)動(dòng)事件處理機(jī)完成特定的操作，因此具有更快的反應(yīng)和處理速度； 2當(dāng)無特定的“事件”信號(hào)發(fā)生時(shí)，事件處理機(jī)不產(chǎn)生相關(guān)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，因此功率消耗較低。 上述兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得事件處理機(jī)特別適用于要求高速和低功耗的隨機(jī)信號(hào)處理領(lǐng)域，如雷達(dá)信號(hào)處理、電網(wǎng)控制、高速飛行器飛行軌跡控制等等，如果采用事件機(jī)技術(shù)，其控制器的反應(yīng)速度將比采用狀態(tài)機(jī)快許多。 本文描述了事件處理機(jī)每個(gè)功能部件的輸入/輸出關(guān)系、連接關(guān)系和工作原理。其功能示意方框圖見圖1。事件處理機(jī)不僅可以由電子元件構(gòu)成，成為電子事件處理機(jī)，也可以由具有相應(yīng)功能的機(jī)械元件、光學(xué)元件等元件構(gòu)成，成

3、為機(jī)械結(jié)構(gòu)、光學(xué)結(jié)構(gòu)或者其它結(jié)構(gòu)的事件處理機(jī)。 三個(gè)功能部件 事件處理機(jī)由觸發(fā)器矩陣、列信號(hào)發(fā)生器和行信號(hào)發(fā)生器三個(gè)功能部件構(gòu)成。 觸發(fā)器矩陣是事件處理機(jī)的運(yùn)算核心，觸發(fā)器矩陣由m行乘以n列個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成。觸發(fā)器矩陣具有兩組輸入信號(hào)：行信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的行選擇信號(hào)和列信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的列觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)器矩陣具有兩組輸出信號(hào)：操作編碼信號(hào)和行編碼信號(hào)。觸發(fā)器矩陣中的觸發(fā)器x,y具有兩個(gè)輸入信號(hào)：行y和列x，每個(gè)觸發(fā)器內(nèi)具有若干存儲(chǔ)器，能夠預(yù)先設(shè)置操作編碼和行編碼。 圖1：事件處理機(jī)功能示意方框圖。列信號(hào)發(fā)生器是事件發(fā)生器，列信號(hào)發(fā)生器具有兩組輸入信號(hào)：外部事件變量信號(hào)和行信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的同步信號(hào)。列信

4、號(hào)發(fā)生器具有一組輸出信號(hào)：列觸發(fā)信號(hào)。列信號(hào)發(fā)生器具有存儲(chǔ)器，能夠預(yù)先設(shè)置列觸發(fā)信號(hào)對(duì)外部事件變量信號(hào)的反應(yīng)規(guī)律和相關(guān)事件的優(yōu)先級(jí)。 行信號(hào)發(fā)生器是場(chǎng)合發(fā)生器，行信號(hào)發(fā)生器具有一組輸入信號(hào)：觸發(fā)器矩陣發(fā)出的行編碼信號(hào)，行信號(hào)發(fā)生器還具有一個(gè)輸入信號(hào)：外部復(fù)位信號(hào)。行信號(hào)發(fā)生器具有兩組輸出信號(hào)：行選擇信號(hào)和同步信號(hào)。行信號(hào)發(fā)生器具有存儲(chǔ)器，能夠預(yù)先設(shè)置行選擇信號(hào)的初始值。 觸發(fā)器矩陣是這樣工作的：在一個(gè)觸發(fā)器x,y的行y變?yōu)橛行Ш?，如果該觸發(fā)器的列x 由無效狀態(tài)變?yōu)橛行顟B(tài)，則該觸發(fā)器將被“觸發(fā)”，此時(shí)它將用內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的操作編碼驅(qū)動(dòng)事件處理機(jī)的操作編碼信號(hào)，產(chǎn)生一組預(yù)先設(shè)置的二進(jìn)制輸出信號(hào)，這

5、組二進(jìn)制輸出信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)事件處理機(jī)所連接的操作機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的操作動(dòng)作，操作編碼信號(hào)由任意位二進(jìn)制信號(hào)組成。同時(shí)，該觸發(fā)器還將用它內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的行編碼驅(qū)動(dòng)事件處理機(jī)內(nèi)部的行編碼信號(hào)，使行信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一組新的行選擇信號(hào)，這個(gè)新的行信號(hào)將改變觸發(fā)器矩陣有效行的狀態(tài)，觸發(fā)器矩陣將在新的有效行狀態(tài)下等待特定事件(列信號(hào))的發(fā)生，行編碼信號(hào)由任意位二進(jìn)制信號(hào)組成。 上述過程順序發(fā)生，就可以對(duì)特定的隨機(jī)事件序列產(chǎn)生預(yù)先設(shè)置的處理過程。 場(chǎng)合定義：在事件處理機(jī)中，兩個(gè)相鄰行選擇信號(hào)發(fā)生時(shí)刻之間的時(shí)間所對(duì)應(yīng)的環(huán)境及其變化過程稱為一個(gè)場(chǎng)合。如果一個(gè)事件觸發(fā)所產(chǎn)生的新的行選擇信號(hào)與前一個(gè)行選擇信號(hào)相同，仍然認(rèn)為是

6、進(jìn)入了一個(gè)新的場(chǎng)合。在一個(gè)場(chǎng)合內(nèi)，只能有一位行選擇信號(hào)為有效狀態(tài)，其它位的行選擇信號(hào)均為無效狀態(tài)。 功能和工作過程 事件處理機(jī)的功能和工作過程可以描述為：在預(yù)定的場(chǎng)合中等待預(yù)定事件(輸入信號(hào))發(fā)生，并在這個(gè)預(yù)定事件發(fā)生后產(chǎn)生預(yù)定的輸出信號(hào)，然后進(jìn)入一個(gè)新的預(yù)定場(chǎng)合等待新的預(yù)定事件發(fā)生。 觸發(fā)器矩陣中的觸發(fā)器僅能由列信號(hào)的有效邊沿(即列信號(hào)由無效狀態(tài)變?yōu)橛行顟B(tài)時(shí))所觸發(fā)，即觸發(fā)器被輸入信號(hào)所觸發(fā)的必要充分條件是：首先行信號(hào)變?yōu)橛行顟B(tài)，然后列信號(hào)由無效狀態(tài)變?yōu)橛行顟B(tài)。 如果行信號(hào)是無效狀態(tài)，則觸發(fā)器不會(huì)被觸發(fā)。在行信號(hào)處于無效狀態(tài)情況時(shí)，列信號(hào)首先由無效狀態(tài)變?yōu)橛行顟B(tài)，然后行信號(hào)再由無效狀

7、態(tài)變?yōu)橛行顟B(tài)，則觸發(fā)器不會(huì)被觸發(fā)。 行選擇信號(hào)是一組m位的二進(jìn)制信號(hào)，行信號(hào)發(fā)生器在外部復(fù)位信號(hào)(一位二進(jìn)制信號(hào))處于有效狀態(tài)時(shí)，其輸出的行選擇信號(hào)的所有位全部處于無效狀態(tài)，在外部復(fù)位信號(hào)由有效狀態(tài)變?yōu)闊o效狀態(tài)后，行信號(hào)發(fā)生器首先將內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的行信號(hào)初始值輸出，產(chǎn)生復(fù)位后第一個(gè)有效的行選擇信號(hào)，開始了復(fù)位后的第一個(gè)場(chǎng)合，然后行信號(hào)發(fā)生器開始接收觸發(fā)器矩陣輸出的行編碼信號(hào)，并根據(jù)接收到的行編碼信號(hào)產(chǎn)生新的行選擇信號(hào)，開始一個(gè)新的場(chǎng)合。 列信號(hào)發(fā)生器的輸入信號(hào)是外部事件變量信號(hào)，由任意位二進(jìn)制信號(hào)組成。列信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)是一組列觸發(fā)信號(hào)，由n位二進(jìn)制信號(hào)組成。列觸發(fā)信號(hào)對(duì)外部事件變量信號(hào)的

8、反應(yīng)規(guī)律可以預(yù)先設(shè)置，使列觸發(fā)信號(hào)中的相應(yīng)位二進(jìn)制信號(hào)與特定的事件狀態(tài)(有效/無效)相對(duì)應(yīng)。列信號(hào)發(fā)生器的另一組輸入信號(hào)是行信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的同步信號(hào)，可以用于進(jìn)行場(chǎng)合同步和相應(yīng)場(chǎng)合中各個(gè)列信號(hào)優(yōu)先級(jí)的確定，同步信號(hào)由任意位二進(jìn)制信號(hào)組成，列信號(hào)發(fā)生器使用同步信號(hào)使輸出的 列觸發(fā)信號(hào)符合下述規(guī)則：在一個(gè)場(chǎng)合內(nèi)，只有一位二進(jìn)制信號(hào)從無效狀態(tài)變?yōu)橛行顟B(tài)，如果有多個(gè)特定外部事件發(fā)生，則僅有預(yù)先定義中優(yōu)先級(jí)最高的那個(gè)事件對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制信號(hào)從無效狀態(tài)變?yōu)橛行顟B(tài)，而其它事件對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制信號(hào)均為無效狀態(tài)。 列信號(hào)發(fā)生器中各個(gè)特定事件在各個(gè)場(chǎng)合中是否發(fā)生以及發(fā)生的優(yōu)先級(jí)可以預(yù)先設(shè)置。 圖1顯示了事件處理機(jī)的工

9、作過程。在開始工作前，觸發(fā)器矩陣中每個(gè)觸發(fā)器內(nèi)預(yù)先設(shè)置了操作編碼和行編碼，列信號(hào)發(fā)生器中預(yù)先設(shè)置了列觸發(fā)信號(hào)對(duì)外部事件變量信號(hào)的反應(yīng)規(guī)律并且預(yù)先設(shè)置了相關(guān)事件的優(yōu)先級(jí)，行信號(hào)發(fā)生器中預(yù)先設(shè)置了行信號(hào)初始值。 首先外部復(fù)位信號(hào)為有效狀態(tài)，使事件處理機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，此時(shí)行選擇信號(hào)的所有位均為無效狀態(tài)，因此觸發(fā)器矩陣中的所有觸發(fā)器均處于不觸發(fā)狀態(tài)，操作編碼信號(hào)和行編碼信號(hào)均處于未被驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)。 然后外部復(fù)位信號(hào)由有效狀態(tài)變?yōu)闊o效狀態(tài)，此時(shí)行信號(hào)發(fā)生器輸出預(yù)先設(shè)置的行初始值，產(chǎn)生初始行選擇信號(hào)，此時(shí)行選擇信號(hào)中的有效位為行y1，因此觸發(fā)器矩陣中所有第y1行觸發(fā)器x, y1的行選擇信號(hào)均處于有效狀態(tài)，其

10、它行觸發(fā)器的行選擇信號(hào)均處于無效狀態(tài)。 此后如果特定事件對(duì)應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)列x1由無效狀態(tài)變?yōu)橛行顟B(tài)，則觸發(fā)器x1, y1被觸發(fā)，觸發(fā)器x1, y1用它內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的操作編碼驅(qū)動(dòng)操作編碼信號(hào)，產(chǎn)生輸出編碼1，觸發(fā)器x1, y1還用它內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的行編碼驅(qū)動(dòng)行編碼信號(hào)，使行信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生新的行選擇信號(hào)，此時(shí)行選擇信號(hào)中的有效位為行y2，因此觸發(fā)器矩陣中所有第y2行的觸發(fā)器x, y2的行選擇信號(hào)均處于有效狀態(tài)，其它行觸發(fā)器的行選擇信號(hào)均處于無效狀態(tài)，觸發(fā)器矩陣進(jìn)入一個(gè)新的場(chǎng)合。 此后如果特定事件對(duì)應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)列x2由無效狀態(tài)變?yōu)橛行顟B(tài)，則觸發(fā)器x2, y2被觸發(fā)，觸發(fā)器x2, y2用它內(nèi)部預(yù)先設(shè)置

11、的操作編碼驅(qū)動(dòng)操作編碼信號(hào)，產(chǎn)生輸出編碼2，觸發(fā)器x2, y2還用它內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的行編碼驅(qū)動(dòng)行編碼信號(hào)，使行信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生新的行選擇信號(hào)，此時(shí)行選擇信號(hào)中的有效位為行y3，因此觸發(fā)器矩陣中所有第y3行的觸發(fā)器x, y3的行選擇信號(hào)均處于有效狀態(tài)，其它行觸發(fā)器的行選擇信號(hào)均處于無效狀態(tài)，觸發(fā)器矩陣進(jìn)入一個(gè)新的場(chǎng)合。 此后如果特定事件對(duì)應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)列x3由無效狀態(tài)變?yōu)橛行顟B(tài)，則觸發(fā)器x3, y3被觸發(fā)，觸發(fā)器x3, y3用它內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的操作編碼驅(qū)動(dòng)操作編碼信號(hào)，產(chǎn)生輸出編碼3，觸發(fā)器x3, y3還用它內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的行編碼驅(qū)動(dòng)行編碼信號(hào)，使行信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生新的行選擇信號(hào)，此時(shí)行選擇信號(hào)中的有效位

12、為行y4，因此觸發(fā)器矩陣中所有第y4行的觸發(fā)器x, y4的行選擇信號(hào)均處于有效狀態(tài)，其它行觸發(fā)器的行選擇信號(hào)均處于無效狀態(tài)，觸發(fā)器矩陣進(jìn)入一個(gè)新的場(chǎng)合。 如上所述順序進(jìn)行下去，事件處理機(jī)就對(duì)預(yù)先設(shè)定的特定的外部隨機(jī)事件列x1、列x2、列x3 、 做出了預(yù)先設(shè)定的輸出反應(yīng)序列輸出編碼1、輸出編碼2、輸出編碼3、，實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)定外部隨機(jī)事件序列的預(yù)定處理過程。 使用事件處理機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)時(shí)要完成三個(gè)要素的確定：事件、場(chǎng)合和操作。只要能夠?qū)⑾到y(tǒng)過程中發(fā)生的所有事件、場(chǎng)合和操作全部確定下來，就可以使用相應(yīng)容量的事件處理機(jī)構(gòu)成一個(gè)完整的高速隨機(jī)信號(hào)控制系統(tǒng)。 在事件處理機(jī)中，事件信號(hào)是由事件信號(hào)發(fā)生器(列

13、信號(hào)發(fā)生器)根據(jù)外部事件變量信號(hào)合成產(chǎn)生的，因此事件信號(hào)發(fā)生器要具有相應(yīng)的系統(tǒng)所必需的功能。下面介紹事件信號(hào)發(fā)生器的幾種典型功能： 1信號(hào)狀態(tài)觸發(fā)器：其功能是在外部事件變量信號(hào)中相應(yīng)的若干個(gè)信號(hào)的電平(高電平/低電平)處于特定組合狀態(tài)時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。 2信號(hào)邊沿觸發(fā)器：其功能是在外部事件變量信號(hào)中某個(gè)信號(hào)發(fā)生跳變(上升沿/下降沿/雙沿)時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。 3信號(hào)總線觸發(fā)器：其功能是可以使用外部事件變量信號(hào)中的相應(yīng)位構(gòu)成一個(gè)所需寬度的總線信號(hào)，當(dāng)總線信號(hào)的值、一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)等相關(guān)參數(shù)處于特定狀態(tài)(大于某值/小于某值/等于某值/在某區(qū)間內(nèi)/在某區(qū)間外)時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。 4信號(hào)寬度觸發(fā)器：其功能是

14、在由外部事件變量信號(hào)合成的特定信號(hào)狀態(tài)所持續(xù)時(shí)間的值處于特定范圍(大于某值/小于某值/在某區(qū)間內(nèi)/在某區(qū)間外)時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。 事件處理機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)形式 事件處理機(jī)具有高速處理隨機(jī)事件的能力，在半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)的矩陣式事件處理機(jī)可以制造成為一種通用的處理器元件，還需要發(fā)展出與事件處理機(jī)配套的編程語言及其軟件平臺(tái)，隨著硬件和配套軟件的發(fā)展，一種新型的通用型高性能隨機(jī)事件處理系統(tǒng)就將成為現(xiàn)實(shí)。 標(biāo)準(zhǔn)的矩陣式事件處理機(jī)的元件體積是由三維變量決定的：事件數(shù)目、場(chǎng)合數(shù)目和操作數(shù)目，其元件體積常常是較大的。在實(shí)際使用中，事件處理機(jī)的每個(gè)特定場(chǎng)合并不一定與全部事件相關(guān)，也不一定與全部操作相關(guān)，因此觸

15、發(fā)器矩陣中與行不相關(guān)的列對(duì)應(yīng)的觸發(fā)器就成為冗余元件，每個(gè)相關(guān)觸發(fā)器中不相關(guān)的操作位對(duì)應(yīng)的電路也成為冗余元件。 使用FPGA技術(shù)可以定制專用的事件處理機(jī)，如果一個(gè)FPGA設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)能夠按照用戶的要求自動(dòng)生成一個(gè)事件處理機(jī)，并能在設(shè)計(jì)中自動(dòng)刪除觸發(fā)器矩陣中與行不相關(guān)的列所對(duì)應(yīng)的觸發(fā)器和每個(gè)相關(guān)觸發(fā)器中不相關(guān)的操作位所對(duì)應(yīng)的電路，那么就可以產(chǎn)生一個(gè)精簡(jiǎn)的事件處理機(jī)，常?？梢源蟠罂s小事件處理機(jī)的元件體積。另外，還可以在行編碼中設(shè)置“不變”和“遞增”等標(biāo)識(shí)位，以便減少相關(guān)觸發(fā)器中行編碼的存儲(chǔ)和驅(qū)動(dòng)電路。 事件處理機(jī)可以作為超高速通用型微處理器進(jìn)行批量生產(chǎn)，也可以使用FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)成專用的超高速隨機(jī)事件處