[发明专利]面向逻辑和函数的协处理器

说明书

本发明属于计算机领域。

在目前社会，特别是教学、医学、法律、管理和商业等行业，对知识的搜集、管理、分析与服务的需求十分迫切。由于对知识的加工与对科学计算的数据加工不同，从功能上，它更多地表现为检索、比较、推理和更新而不是四则运算;从加工方法上，它更多地需要对表和栈的处理。因此以科学计算为主要服务对象的主流计算机并不完全符合对知识的处理的要求。

由于我国的计算机用户与发达国家相比水平较低，因此他们对计算机进行知识处理能力的要求就更高，这是我国在计算机发展和研究方面不同于发达国家的特色。因此，研制更适于知识处理的计算机是我国计算机高技术研究的当务之急。

自七十年代末以来，国际计算机界对面向知识处理的计算机系统进行了大量的研究。其突出代表是日本的第五代计算机和美国TI公司的Explorer及Symbolics公司的Lisp机等。它们的共同特点是：研制专门用于执行Prolog或Lisp的体系结构，并在此基础上开发知识信息加工环境。这种作法与主流机型相比的确提高了这两种语言的执行效率。但是，专用结构又使得科学计算效率不高，特别是由于在结构上与主流机差别太大，用于主流机上的为用户所熟悉的大量软件均不能在专用机上使用，而这些公司自己的相应软件又不能在短期内生产出来，造成软件环境馈乏，不为用户喜爱，以至难以打开市场，不为社会所接受。

本发明的目的是提供一种既能满足社会对知识处理的需求，又能克服上述专用知识处理机缺点的协处理器。我们选择了目前技术上比较成熟的人工智能语言Prolog和Lisp作为知识处理的基本语言，研制了能够支持Prolog和Lisp语言（面向逻辑和函数）的与工作站兼容的智能协处理器（以下简称PLC）。

PLC协处理器系统包括硬件和软件两部分，硬件是基于VME总线结构的9U插件板，可以插在SUN3，SUN4，SUN690MP以及EST4260等工作站和服务器的VME插槽上;软件是基于Sun View窗口系统的交互式多窗口用户环境，运行于宿主机上，为用户提供与硬件的各种接口和控制。此外，软件部分还包括Prolog语言及Lisp语言的编译程序和调试程序。其整个结构见图1。

PLC板的硬件系统采用基于AM29300系列位片机及专用栈控制器的体系结构。整个硬件部分分为指令存储区（code）、数据存储堆（heap）、指令预取部件（IPU）、指令执行部件（IEU）、三个专用栈（C-Stack，E-Stack，Tr-Stack），一个参数区（A-array）、VME总线接口（Interface），以及一些辅助部件，如各种译码器和判断电路等。

由于Prolog和Lisp在执行过程中对存储器的访问频率和所占用的空间远远高于常规语言，因此存储器的吞吐率是影响PLC板系统性能的一个重要因素，为此在PLC板上设计了多个各种类型的存储区。为了充分利用多个存储区所提供的数据带宽，在控制运算部件中没有采用现有的Risc CPU芯片，而是采用了AM29300系列的32位片机和微程序控制器，以便灵活地配置数据通路和对这些数据通路以及各个数据存储区提供尽可能高的并行操作。为了进一步提高系统性能，在指令控制部件前增加了指令预取部件，使得指令的执行与后续指令的读取可以重叠进行。

由于协处理器必须处于宿主机操作系统的管理之下，为此，我们设计了协处理机硬件和软件接口。协处理器在硬件上做为VME总线上的从设备，通过VME总线与宿主机通信。在软件上与宿主机的界面分为运行于协处理器上的通信服务程序和运行于宿主机UNIX操作系统核心的PLC设备驱动程序。

PLC的软件系统包括：与UNIX系统的界面、Prolog和Lisp编译程序以及用户环境窗口系统。

Prolog和Lisp编译程序是根据Prolog模型和Lisp模型以及相应的指令系统设计的，内容包括：将Prolog程序编译到协处理器指令的编译程序;将Lisp程序编译到协处理器指令的编译程序。

用户环境窗口系统是一个综合性的管理系统，它为用户提供了对协处理器的各种访问和控制功能，集成了Prolog和Lisp语言的编译、解释和调试等各种功能，并具有良好的人机交互界面。

以下是PLC与一些专用知识处理机对一些典型问题执行效率的比较：