CN1652083A - 一种程序缓时执行的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机技术领域，特别是一种程序缓时执行的方法。该方法，用程序的“缓时执行”处理代替程序的“中断”处理；当某道程序需要被中断时，就将其放置到一个缓时执行的队列中，暂时不参与程序的正常执行，以便让其它更需要执行的程序执行；被缓执的程序在缓执队列中依据某种规则由缓执队列的入口逐级蠕动到队列的出口，完成类似于传统中断处理中的中断等待；处于缓执队列出口处的程序可相机自行返回到正常的执行状态中去。装置包括：存放程序驱动器的程序缓时执行队列，管理控制部件，栈移计数器。

Description

一种程序缓时执行的方法及其装置

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，特别是一种程序缓时执行的方法及其装置。

背景技术

中断处理功能是计算机非常重要的功能之一，因为借助中断处理功能，计算机可实现多道程序功能、可实现实时控制功能等等。

传统的中断处理方法，由于受到冯.诺依曼体系结构的在一台CPU中在同一时刻只能执行单道程序特性的局限，不仅需要多次的程序切换与转移，而且需要多次的访存操作，如取中断处理程序的指令，以及保存与恢复现场等，因而需要花费大量的系统时间和系统资源。在中断频繁的现代计算机应用中，整个系统的效率无疑被显著地降低了。在冯.诺依曼体系结构的计算机中，由于其在同一台CPU中在同一时刻只能执行单道程序的特性，这种系统开销是不可回避的。

然而，在L结构CPU中，由于其可在同一时刻能够执行多道程序的特性，故而对中断的需求相对而言减少了许多。因此需要一种开销较小、效率高的中断处理机制来替换传统的中断处理机制。

发明内容

一种新型的计算机体系结构已被发明，该种新型的计算机体系结构

的主要特点是：在同一台中央处理器(CPU)中在同一时刻能够并行与并发地执行多道程序。以下称在同一台CPU中在同一时刻能够执行多道程序的体系结构为L计算机体系结构，采用L计算机体系结构的CPU称为L结构CPU。然而，在相关的专利文件中未涉及有关中断的处理。

有鉴于此，本发明提出一种程序缓时执行的方法，简称程序缓执方法，及使用这种方法的装置，简称程序缓执装置。其目的主要是为L结构CPU提供一种开销小、效率高的方法及装置用于实现传统的中断功能。在中断的处理过程中，这种方法不仅能够消除程序的多次切换与转移，而且可以避免大量的访存操作，从而可大大的提高计算机的总体效率。

如上所述的一种程序缓执方法及使用这种方法的程序缓执装置，其特征在于用程序的“缓时执行”处理代替程序的“中断”处理。

当某道程序需要被中断时，它不是象传统的中断处理方法那样实际上将其暂时中止执行或中断执行，而是将其放置到一个缓时执行的状态中，即把它放到一个队列中，称为缓执队列，暂时不参与程序的正常执行，以便让其它程序执行。被缓执的程序在缓执队列中依据某种规则由缓执队列的入口逐级蠕动到队列的出口，完成类似于传统中断处理中的中断等待。处于缓执队列出口处的程序可相机自行返回到正常的程序执行状态中去。

根据在同一时刻在单台CPU上能够并行地执行多道程序的计算机的特性，如用本发明提出的这种程序缓执的方法与装置代替传统的中断处理，不仅可以免去程序的多次切换与转移，而且可以避免大量的访存操作，进而可显著的提高计算机的总体效率。

如上所述的一种程序缓执方法及使用这种方法的程序缓执装置，其特征在于：

1.有一个或多个用于缓存程序驱动器的队列，称为缓执队列；

2.缓执队列设有N栈，即缓执队列的长度为N；第0栈是缓执队列的尾部，也是程序缓执装置的输入缓存寄存器；第N-1栈是缓执队列的首部，也是程序缓执装置的输出缓存寄存器；也称N为程序缓时执行装置的缓执深度；

3.缓执队列的每一栈都有一个忙闲标志；当缓执队列的某一栈保存有某个程序驱动器时，该栈对应的忙闲标志将被置为忙标志；否则为闲标志；

4.每n拍，标志为忙标志的栈都检测它下一栈的忙闲标志是否为闲标志；若是，则将保存在本栈的程序驱动器打入下一栈，将下栈的忙闲标志置为忙标志、将本栈的忙闲标志置为闲标志；其中n大于等于1；也称n为程序缓时执行装置的栈周期；程序缓时执行装置的缓执周期等于缓执深度乘以栈周期，即N*n；

5.有一个或多个栈周期计数器，初值为0，每拍递增i，其中i≥1。

如上所述的一种程序缓执方法及使用这种方法的程序缓执装置，其特征在于：

1.程序缓时执行装置的输入缓存寄存器，即程序缓执队列的队列尾部，与L结构CPU中的程序控制装置的程序驱动器发送输出部分相连；

2.程序缓时执行装置的输出缓存寄存器，即程序缓执队列的队列首部，与L结构CPU中的取指令装置的程序驱动器输入接收部分相连。

如上所述的一种程序缓执方法及使用这种方法的程序缓执装置，其特征在于：

1.当某道程序由于某种原因需要被中断时，L结构CPU的程序控制装置首先检测程序缓执装置的接收缓存是否空闲，即缓执队列的第0栈的忙闲标志是否为闲；若为闲，则将该道程序的程序驱动器发送到程序缓执装置的接收缓存寄存器，并置该栈的忙闲标志为忙标志；

2.当某道程序驱动器结束中断等待需要离开程序缓执装置的输出缓存寄存器时，即缓执队列的第N-1栈的忙闲标志为忙标志时，程序缓执装置首先检测L结构CPU的取指令装置的接收缓存是否空闲；若为空闲，则该程序缓执装置将其输出缓存寄存器中保存的程序驱动器发送到L结构CPU的取指令装置的接收缓存寄存器，置第N-1栈的忙闲标志为闲标志。

如上所述的一种程序缓执方法及使用这种方法的程序缓执装置，其特征在于：根据需要，可设置多个可并行工作的程序缓执装置，也可在一个程序缓执装置中设置多个缓执队列，每个缓执队列又可有不同的缓执深度N和栈周期n。

如上所述的一种程序缓执方法及使用这种方法的程序缓执装置，其特征在于：栈周期n的值可根据需要动态地调整；较大值的栈周期n意味着较长的缓时滞后时间、更长的等待时间，反之意味着较短的缓时滞后时间、更快的出对速率；某些事件的发生、或某些条件、状态的改变可能导致某些处于缓时状态的程序驱动器需要尽快结束缓时状态，此时可以以某种方式通知程序缓执装置调低相应的缓执队列的栈周期n的值，以加快在该缓执队列中处于等待状态的程序驱动器的出对速率；由于在该缓执队列中至多有N个程序驱动器，故提速N拍后，程序缓执装置可自动将栈周期n调回到正常值。

本发明提出的用于代替传统的中断处理方法的核心思想是：当某道程序需要被中断时，它不是象传统的中断处理方法那样实际上将其中止执行，而是将其置放到一个缓行的状态中，即把它放到缓行队列中每n拍挪一栈，因而至少在n*N拍内不参与程序的正常执行，以便让其它更需要执行的程序执行。

这里的“以便”是指：一、如果更需要执行的程序未执行，则它有机会被执行了；二、如果更需要执行的程序在执行中，则它获取执行所需资源的机会将大于被缓行的程序。

被缓执的程序在缓执队列中依据某种规则由缓执队列的入口逐级蠕动到队列的出口，完成类似于传统中断处理中的中断等待。

当中断发生时，只需要将相应程序的程序驱动器发送到程序缓执装置，中断的处理既告结束。由于被缓执的程序没有被真正的中止执行，而是在缓执，因而没有换道到系统管理程序、以及保存现场等操作所需要的开销。

又由于当中断等待结束时，即被缓执的程序结束缓执时，它将自行检测是否可以返回到正常的执行状态。如果可以就返回，否则就等在缓执队列中。因而也没有系统管理程序挑选下一道程序、并恢复其现场、最后再换道等操作所需要的开销。

本文所述仅为本发明技术构思下的一些基本说明。基于本技术构思，可有多种实施方法，如程序缓时执行队列可采用FIFO等，故而依据本发明的技术构想所做的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。本发明的应用也不仅仅局限于本文所涉及的领域中。

附图说明

图1是本发明的程序缓时执行装置的硬件结构图。

图2是本发明的程序缓时执行方法的工作流程图。

图3是L结构CPU的程序驱动器驱动流程图。

图4是增设本发明的程序缓时执行装置后的L结构CPU的程序驱动器驱动流程图。

具体实施方式

图1是本发明的程序缓时执行装置的硬件结构图。描述了程序缓时执行装置的硬件组成、及其相应的主要功能。程序缓时执行装置的各组成部件之间的连接关系如图所示。程序缓时执行装置的主要的组成部件是用于存放程序驱动器的程序缓时执行队列，共由N栈组成，每栈的位数与程序驱动器的位数相同。每栈都配备有一个忙/闲标志位，标明该栈当前的忙/闲状态，即当前该栈中是否存放有某个程序驱动器。栈移计数器每拍递增，当达到某个指定值时归零，给出移栈许可信号。程序缓时执行装置的管理控制部件主要用于管理控制完成本装置的各项操作，如判别程序缓时执行装置的输入缓存是否非空、根据移栈许可信号以及各栈的忙/闲标志位控制程序驱动器在程序缓时执行队列各栈间的移动等。

图2是本发明的程序缓时执行方法的工作流程：

步骤1：栈深度计数器加一；若栈深度计数器的当前值小于栈深度n，则继续本步骤；否则转步骤2；

步骤2：栈深度计数器置0；

步骤3：程序缓时执行队列各栈同时检测本栈是否为满；凡检测到本栈为空的栈无操作；凡检测到本栈为满的栈转步骤4；

步骤4：程序缓时执行队列满足上述条件的各栈同时检测下栈是否为空；凡检测到下栈为满的栈无操作；凡检测到下栈为空的栈转步骤5；

步骤5：程序缓时执行队列满足上述条件的各栈同时将保存在本栈的程序驱动器打入到下栈，置下栈标志为满，置本栈标志为空，转步骤1。

图3是L结构CPU的程序驱动器驱动流程示意图。当没有使用程序缓时执行方法极其使用这种方法的装置时，在L结构CPU中，程序驱动器驱动程序执行的主要驱动流程，在L结构CPU中，多个程序驱动器可在同一时刻同时驱动多道程序并行的执行。一个程序驱动器驱动一道程序的驱动流开始于程序控制装置，经取指令装置、指令译码装置、到指令执行装置，最后返回到程序控制装置，周而复始。其具体流程如下：

步骤1：程序控制装置按规定用程序驱动器中的ΔPC更新程序驱动器中的PC生成下一条指令的地址并完成其它一些相关的设置；如果检测到该道程序无需中断，则将该已更新的程序驱动器以某种方式发送给L结构CPU的取指令装置，即转步骤2；

步骤2：取指令装置按程序驱动器中的PC地址到程序存储器中取到相应的指令并将其保存到当前程序驱动器的相应单元中；之后，将携带有当前指令的程序驱动器发送给指令译码装置，即转步骤3；

步骤3；指令译码装置对当前程序驱动器携带的指令进行译码并将其保存到当前程序驱动器的相应单元中；随后将携带有已译码的当前指令的程序驱动器发送给指令执行装置，即转步骤4；

步骤4；指令执行装置按指令所规定的操作执行该指令、形成ΔPC等执行状态，并将它们保存到当前程序驱动器的相应单元中；最后将该程序驱动器以某种方式发送给程序控制装置，以执行该道程序的下一条指令，即转步骤1。

在L结构CPU中，中断处理是按照传统的方法，在提供一些硬件支持的条件下，主要由一些专用的系统程序来完成。当某道程序因某种原因需要中断时，程序控制装置将保存需中断的程序驱动器的相关现场，并启动一道专用的系统程序将被中断的程序驱动器的相关现场信息保存到某存储器中，并根据程序调度规则选取另一道程序，恢复其程序驱动器的相关现场，交由程序控制装置启动执行。

图4是增设本发明的程序缓时执行装置后的L结构CPU的程序驱动器驱动流程示意图。是在使用了程序缓时执行方法极其使用这种方法的装置后，在L结构CPU中，程序驱动器驱动程序执行的新的驱动流程。

在无中断发生时，程序驱动器驱动一道程序的驱动流程与图3所示的流程相同。不同的是：当某道程序因某种原因需要中断时，相应的中断处理是通过程序缓时执行装置完成的。其具体步骤如下：

步骤1：程序控制装置按规定用程序驱动器中的ΔPC更新程序驱动器中的PC生成下一条指令的地址并完成其它一些相关的设置；如果检测到该道程序无需中断，则将该已更新的程序驱动器以某种方式发送给L结构CPU的取指令装置，即转步骤2；如果检测到该道程序需要进行中断处理时，则将该已更新的程序驱动器以某种方式发送给L结构CPU的程序缓时执行装置，即转步骤5；

步骤2：取指令装置按程序驱动器中的PC地址到程序存储器中取到相应的指令并将其保存到当前程序驱动器的相应单元中；之后，将携带有当前指令的程序驱动器发送给指令译码装置，即转步骤3；

步骤3：指令译码装置对当前程序驱动器携带的指令进行译码并将其保存到当前程序驱动器的相应单元中；随后将携带有已译码的当前指令的程序驱动器发送给指令执行装置，即转步骤4；

步骤4：指令执行装置按指令所规定的操作执行该指令、形成ΔPC等执行状态，并将它们保存到当前程序驱动器的相应单元中；最后将该程序驱动器以某种方式发送给程序控制装置，以执行该道程序的下一条指令，即转步骤1；

步骤5：程序缓时执行装置接收到需要进行中断处理的程序驱动器后，将其打入程序缓执队列的第0栈；此后，该道程序的程序驱动器就被动态地锁在程序缓时执行装置中进行动态等待；每隔n拍，如果下栈空闲，就下挪一栈；直到被中断的程序驱动器已经经过逐栈移动到程序缓执队列的对首，即程序缓执队列的第N-1栈；此时，被中断的程序驱动器已经经过了一段时间的中断等待、可以返回到正常的程序驱动流程中了；此时，程序缓执装置以某种方式将存放在程序缓执队列第N-1栈的被中断的程序驱动器发送给取指令装置使该道程序转入正常的执行流程，即转步骤2。

Claims (10)

1、一种程序缓时执行的方法，其特征在于，用程序的“缓时执行”处理代替程序的“中断”处理；其步骤如下：当某道程序需要被中断时，就将其放置到一个缓时执行的队列中，暂时不参与程序的正常执行，以便让其它更需要执行的程序执行；被缓执的程序在缓执队列中依据某种规则由缓执队列的入口逐级蠕动到队列的出口，完成类似于传统中断处理中的中断等待；处于缓执队列出口处的程序可相机自行返回到正常的执行状态中去。

2、根据权利要求1所述的程序缓时执行的方法，其特征在于，还包括：L结构CPU的程序驱动器驱动的方法步骤和增设程序缓时执行装置后的L结构CPU的程序驱动器驱动的方法步骤。

3、一种程序缓时执行的装置，其特征在于：

●有一个或多个用于存放程序执行的相关信息、称为程序驱动器，其队列，称为程序缓时执行队列，简称为缓执队列；

●缓执队列设有N栈，即缓执队列的长度为N；第0栈是缓执队列的尾部，也是程序缓执装置的输入缓存寄存器；第N-1栈是缓执队列的首部，也是程序缓执装置的输出缓存寄存器；也称N为程序缓时执行装置的缓执深度；

●缓执队列的每一栈都有一个忙闲标志；当缓执队列的某一栈保存有某个程序驱动器时，该栈对应的忙闲标志将被置为忙标志；否则为闲标志；

●每n拍，标志为忙标志的栈都检测它下一栈的忙闲标志是否为闲标志；若是，则将保存在本栈的程序驱动器打入下一栈，将下栈的忙闲标志置为忙标志、将本栈的忙闲标志置为闲标志；其中n大于等于1；也称n为程序缓时执行装置的栈周期；程序缓时执行装置的缓执周期等于缓执深度乘以栈周期，即N*n；

●有一个或多个栈周期计数器，初值为0，每拍递增i，其中i≥1。

4、根据权利要求3所述的程序缓时执行装置，其特征在于：

1.程序缓时执行装置的输入缓存寄存器与L结构CPU中的程序控制装置的程序驱动器发送输出部分相连；

2.程序缓时执行装置的输出缓存寄存器与L结构CPU中的取指令装置的程序驱动器输入接收部分相连。

5、据权利要求1或2所述的程序缓时执行方法，其特征在于：

1.当某道程序由于某种原因需要被中断时，L结构CPU的程序控制装置首先检测程序缓执装置的接收缓存是否空闲，即缓执队列的第0栈的忙闲标志是否为闲；若为闲，则将该道程序的程序驱动器发送到程序缓执装置的接收缓存寄存器，并置该栈的忙闲标志为忙标志；

2.当某道程序驱动器结束中断等待需要离开程序缓执装置的输出缓存寄存器时，即缓执队列的第N-1栈的忙闲标志为忙标志时，程序缓执装置首先检测L结构CPU的取指令装置的接收缓存是否空闲；若为空闲，则该程序缓执装置将其输出缓存寄存器中保存的程序驱动器发送到L结构CPU的取指令装置的接收缓存寄存器，置第N-1栈的忙闲标志为闲标志。

6、根据权利要求1或2或5所述的程序缓时执行方法，其特征在于：根据需要，可设置多个可并行工作的程序缓执装置，也可在一个程序缓执装置中设置多个缓执队列，每个缓执队列又可有不同的缓执深度N和栈周期n。

7、根据权利要求1或2或5或6所述的程序缓时执行方法，其特征在于：栈周期n的值可根据需要动态地调整；较大值的栈周期n意味着较长的缓时滞后时间、更长的等待时间，反之意味着较短的缓时滞后时间、更快的出对速率；某些事件的发生、或某些条件、状态的改变可能导致某些处于缓时状态的程序驱动器需要尽快结束缓时等待状态，此时可以以某种方式通知程序缓执装置调低相应的缓执队列的栈周期n的值，以加快在该缓执队列中处于等待状态的程序驱动器的出对速率；由于在该缓执队列中至多有N个程序驱动器，故提速N拍后，程序缓执装置可自动将栈周期n调回到正常值。

8、根据权利要求1所述的程序缓时执行方法，其特征在于：其步骤如下：

●步骤1：栈深度计数器加一；若栈深度计数器的当前值小于栈深度n，则继续本步骤；否则转步骤2；

●步骤2：栈深度计数器置0；

●步骤3：程序缓时执行队列各栈同时检测本栈是否为满；凡检测到本栈为空的栈无操作；凡检测到本栈为满的栈转步骤4；

●步骤4：程序缓时执行队列满足上述条件的各栈同时检测下栈是否为空；凡检测到下栈为满的栈无操作；凡检测到下栈为空的栈转步骤5；

●步骤5：程序缓时执行队列满足上述两项条件的各栈同时将保存在本栈的程序驱动器打入到下栈，置下栈标志为满，置本栈标志为空，转步骤1。

9、根据权利要求1或2或5或6或7所述的程序缓时执行方法，其特征在于，L结构CPU的程序驱动器驱动方法，其步骤如下：

步骤1：程序控制装置按规定用程序驱动器中的ΔPC更新程序驱动器中的PC生成下一条指令的地址并完成其它一些相关的设置；如果检测到该道程序无需中断，则将该已更新的程序驱动器以某种方式发送给L结构CPU的取指令装置，即转步骤2；

步骤2：取指令装置按程序驱动器中的PC地址到程序存储器中取到相应的指令并将其保存到当前程序驱动器的相应单元中；之后，将携带有当前指令的程序驱动器发送给指令译码装置，即转步骤3；

步骤3；指令译码装置对当前程序驱动器携带的指令进行译码并将其保存到当前程序驱动器的相应单元中；随后将携带有已译码的当前指令的程序驱动器发送给指令执行装置，即转步骤4；

步骤4；指令执行装置按指令所规定的操作执行该指令、形成ΔPC等执行状态，并将它们保存到当前程序驱动器的相应单元中；最后将该程序驱动器以某种方式发送给程序控制装置，以执行该道程序的下一条指令，即转步骤1。

10、据权利要求1或2或5或6或7所述的程序缓时执行方法，其特征在于，增设程序缓时执行装置后的L结构CPU的程序驱动器驱动方法，其步骤如下：

步骤1：程序控制装置按规定用程序驱动器中的ΔPC更新程序驱动器中的PC生成下一条指令的地址并完成其它一些相关的设置；如果检测到该道程序无需中断，则将该已更新的程序驱动器以某种方式发送给L结构CPU的取指令装置，即转步骤2；如检测到该道程序需要进行中断处理时，则将该已更新的程序驱动器以某种方式发送给L结构CPU的程序缓时执行装置，即转步骤5；

步骤2：取指令装置按程序驱动器中的PC地址到程序存储器中取到相应的指令并将其保存到当前程序驱动器的相应单元中；之后，将携带有当前指令的程序驱动器发送给指令译码装置，即转步骤3；

步骤3：指令译码装置对当前程序驱动器携带的指令进行译码并将其保存到当前程序驱动器的相应单元中；随后将携带有已译码的当前指令的程序驱动器发送给指令执行装置，即转步骤4；

步骤4：指令执行装置按指令所规定的操作执行该指令、形成ΔPC执行状态，并将它们保存到当前程序驱动器的相应单元中；最后将该程序驱动器以某种方式发送给程序控制装置，以执行该道程序的下一条指令，即转步骤1；

步骤5：程序缓时执行装置接收到需要进行中断处理的程序驱动器后，将其打入程序缓执队列的第0栈；此后，该道程序的程序驱动器就被动态地锁在程序缓时执行装置中进行动态等待；每隔n拍，如果下栈空闲，就下挪一栈；直到被中断的程序驱动器已经经过逐栈移动到程序缓执队列的对首，即程序缓执队列的第N-1栈；此时，被中断的程序驱动器已经经过了一段时间的中断等待、可以返回到正常的程序驱动流程中了；此时，程序缓执装置以某种方式将存放在程序缓执队列第N-1栈的被中断的程序驱动器发送给取指令装置使该道程序转入正常的执行流程，即转步骤2。

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