专利名称：积木式计算机和操作系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的通用计算机——积木式计算机(NewCs)和操作系统(MOS)，它是以一种新理念为基础设计的，可以广泛应用于办公、科研、管理、信息、自动控制、通信、军事、教育和家庭等领域。
背景技术：
电子计算机经历了几代的发展。现今除了大型和专用计算机以外，几乎是PC的天下，它被广泛应用，已经成为一个日趋完善模式。然而现今的PC有着不可克服的弱点和难以解决问题1.资源闲置和浪费投资许多情况下人们总是有限地使用它，仅仅使用PC部分有限的资源，绝大多数用户不可能也没有必要使用它强大的资源。现今世界上的PC都应用同一个模式，在这种情况下，用户不得不接受一个完整的计算机系统，许多用户根本就不知道自己的计算机究竟有多少功能，因此不得不让自己的计算机的某些硬件和软件资源闲置。
从资金方面，人们也不得不为一个没有充分利用的计算机系统投入不需要的资金，这对研制、生产、销售和使用者以及地球环境都是多余的负担和浪费。
2.快速发展与实际应用的矛盾计算机科学和技术在飞速发展，几乎是两三年就更新一次。当新的计算机出现时，旧的计算机就得不到软硬件方面的技术支持和维护——尽管它仍然能够很好地处理许多相对简单问题(如奔腾2处理器的计算机，配置Windows98操作系统就能很好的完成通常的文字处理、电子表格和网络浏览工作)，也不得不整机废弃，实际上许多机器还是完好的。这就造成了必要的计算机技术进步和实际上不需要最新计算机技术的用户之间的矛盾，近10年来这个矛盾日益突出。随着新的处理芯片(如双/多核处理器)的出现和新的操作系统(如Vista)的发布，这个矛盾有加剧的趋势。
3.难以适应智能化社会需求随着科学技术的发展，对智能化设备的需求越来越多，这离不开计算机的控制和管理。在这方面，人们大多使用微处理器来来解决设备智能化问题。由于微处理器的能力限制，它只能以分散控制的方式来完成。然而，在许多情况下需要的是集中控制(如家庭智能化方面的门禁与空调控制，从逻辑上应该是一个统一的控制过程。)，需要有较强处理能力的计算机来完成智能化工程控制。
在智能化工程控制领域，PC的扩展方式、接入能力、灵活性、多类型控制的集成和经济性等诸多方面都不尽如人意。尽管由PC衍生的工控计算机已经形成一定的规模，然而它们大多被应用于特定的工作场合。这也是至今具有高处理性性能的PC在智能化工程方面几乎毫无建树的原因。
4.社会和安全问题PC的广泛应用，尤其是结合现代网络技术，在给人类带来进步的同时也引起了广泛的社会和安全问题，其中相当部分原因是由PC和操作系统的结构及其组成产生的。诸如应用软件的任意安装功能带来的迷恋游戏和网络等；外存储器与内存的动态结合使用使计算机病毒得以泛滥。
5.硬件和软件行业垄断阻碍技术进步和发展PC的发展和应用已经被Inter和微软控制和垄断，这种垄断阻碍了计算机技术的进步和发展(如美国政府对微软的指控)。这种垄断也严重阻碍我国计算机行业的自主发展(如我国自主研制的CPU应用前景)。
6.计算机行业知识产权保护尽管人们在计算机领域付出了很多的努力来保护这个行业的知识产权，然而盗版和侵权事件依旧泛滥，原因来自于多方面，而PC的结构和软件使用条件使得这种侵害更为容易。
为了克服以上的弱点和问题，在人类新一代的智能计算机的实现之前，需要一种新的计算机来取代现在的PC。这种新的计算机必须具备以下特点●能够利用现有的计算机科学和工程技术，并且跟随它的进步而发展。
●具备现今计算机的全部功能，并且更强大。
●具备对智能设备强大和方便的控制和管理功能。
●具有灵活的结构，务实的部分软硬件升级和继承的能力。
●在安全和知识产权保护方面，具有比现今的计算机明显的优势。
●开放的技术，避免产生行业垄断。
●较低的价格、方便的使用、应用范围广泛、易于维护。
积木式计算机能够满足以上的条件，而且现今的计算机科学技术、工程和工艺的发展已经能够满足它的设计和生产要求。
发明内容
名称 积木式计算机和操作系统操作系统名称 菜单操作系统计算机英文名称NewCs操作系统英文名称 MOS(Menu Operation System)1.积木式计算机概念(Conception ofNewCs)积木式计算机的概念基于模块化结构。积木式计算机所有的硬件、软件和接口都被设计和制造成模块的形式——积木块，人们可以根据不同的用途和需要选择积木块，然后将它们组合在一起，就如同搭积木一样构成适应用户需求的计算机。积木式计算机的操作系统在逻辑上将这些积木连接在一起，并且控制和操作它们的运行过程，实现计算机的全部功能。
2.积木式计算机体系结构(Construction of NewCs)多年来，计算机一直沿用著名的冯.诺伊曼体系结构(Von Neumann Architecture)。在这个体系结构下(说明书附图中图1)，内存储器(只有一个主存储器)和应用程序(可以有多个)是分别存在的，当需要使用某一个应用程序时(这个程序的主体多半预先安装和存储在外存储器中，如硬盘)，操作系统通过输入设备将该程序的相应部分调入内存，然后(经常结合外存储器)运行。这种外存储器与内存的动态结合使用方式在内存储器非常昂贵的时期或者运行较大型程序时是必要的，也是必须的，当然也是许多问题的主要根源。
积木式计算机沿用了冯.诺伊曼体系结构的主体，但是它在以下方面进行了扩展1)系统中有多个内存储器，每一个内存储器都是独立的。
2)每一个内存储器中固化一个(也可以将几个合并在一起)独立运行的应用程序，程序类型不受限制。
3)内存储器可以有属于本身的接口与其他设备连接，并且利用该内存储器中固化的程序对连接的设备进行控制和操作。
4)CPU可以单独访问每一个存储器，并且与它建立独立的逻辑关系。
说明书附图中的图2给出了积木式计算机的体系结构——扩展的冯.诺伊曼体系结构(AnExtended Type of von Neumann Architecture)。
积木式计算机与现今的计算机在实际结构上也存在着差别，说明书附图中的图3给出了PC的主要部件结构关系；说明书附图中的图4给出了积木式计算机的结构关系，这个结构关系也显示出积木式计算机各部分的逻辑关系。
3.积木式计算机组成(Composing of NewCs)积木式计算机由以下8个模块组成，它们都是独立的硬件模块●主板模块(MBM——Main Board Model)●中央处理器模块(CPUM——CPU Model)●高速缓存模块(CacheM——Cache Model)●菜单操作系统模块(MOSM——Menu Operation System Model)●内存、程序和接口模块(MPIM——Memory，Program and Interface Model)●扩展主板模块(EBM——Extended Board Model)●电源模块(PAM——Power Adapter Model)●机箱模块(BM——Box Model)1)主板模块(MBM)主板模块是一块高密度印刷电路板，它是积木式计算机的主电路，它的作用是在机械和电气上将积木式计算机的各个模块连接起来；对地址、数据和控制3类信号进行传输；对于32位数据采用总线式系统结构；对于64位数据采用总线式系统结构或者通道式系统结构；对于128位数据采用通道式系统结构。
主板模块上有若干电路插槽，每一个插槽与总线或者通道连接，插槽是其他模块构成和连接计算机的接口，插槽采用统一的机械、电气和数据标准。
主板模块上有一个总线扩展插槽，用于连接扩展主板。
主板模块上有专门的供电插槽，连接标准的电源模块。主板模块上连接的其他模块通过主板模块供电或者单独供电。
2)中央处理器模块(CPUM)中央处理器模块由CPU和数据统一转换电路组成，CPU可以是32位、64位和128位，不同系列的CPU通过数据统一转换电路形成统一的数据格式和指令集，中央处理器模块通过标准插槽连接到主板模块上，构成计算机的主体部分。
3)高速缓存模块(CacheM)高速缓存采用高速随机存储器，用来存放当前执行的程序中的活跃部分，它通过标准插槽连接到主板上，构成计算机的主体部分。高速缓存模块的大小和类型可以根据需要选择。
4)内存、程序和接口模块(MPIM)内存、程序和接口模块是积木式计算机的功能模块，所有的应用程序或者需要程序驱动的I/O设备都通过MPIM连接到计算机上；MPIM与主板的接口采用积木式计算机的标准结构；MPIM采用只读存储器(ROM)，应用程序预先存储固化在内，而且应用程序必须是该程序的全集；MPIM可以有自己独立标准的接口连接其他外部设备(包括传统意义上的外设)；可以有不需要指令就直接运行的MPIM(如连接人工输入初始指令的设备)。
MPIM也可以有属于自己的随机存储器(RAM)，用来存放自身在运行过程中的临时程序和数据。这类随机存储器也可以有自己独立的供电(如电池)系统，用于长久保存数据(如在控制过程中的用户参数和数据)。
表1列出了MPIM的主要类型
5)菜单操作系统模块(MOSM)菜单操作系统模块中的ROM固化了菜单操作(MOS)，它是积木式计算机的核心部分之一，它通过标准插槽连接到主板上，构成计算机的主体部分。菜单操作系统是一个面向多任务的实时操作系统，它有一个菜单式操作过程，其他所有的应用程序都链接在它的上面。针对不同的需求它可以有不同的版本。它的主要功能是●识别安装于计算机上的模块，并在它们之间建立起相应的联系。
●启动、运行和终止应用程序。
●在MPIM与CPUM之间、不同的MPIM之间传输指令和数据。
●处理计算机运行过程中出现的非正常事件。
6)扩展主板模块(EBM)扩展主板模块是积木式计算机的主电路延伸，当主板的插槽不能满足需要时，将扩展主板模块通过总线扩展插槽连接到主板模块上，也可以将多个扩展主板模块连接在一起，扩大主板的规模。
●结构类型相同的主板模块可以直接连接；●总线式主板模块可以作为一个通道连接到通道式主板模块上；●数据类型不同(如32位与64位)的主板模块之间的数据传输通过专门的数据转换器协调完成。
●当互相连接的主板模块都安装有CPUM时，就形成了多处理机。
扩展主板模块概念的引用，使得积木式计算机具有强大的扩展和升级能力。当主板扩展和升级后，原来的MPIM依旧可以保留在原来的主板模块上继续使用。
7)电源模块标准的电源模块为积木式计算机供电，不同功率和规格的电源模块适应不同的需求。
8)机箱模块机箱模块为积木式计算机提供安装空间，不同结构和规格的机箱模块适应不同的需求。
4.积木式计算机控制(Control of NewCs)积木式计算机的控制由菜单操作系统(MOS)的整体控制和MPIM的应用程序控制两部分构成。
1)整体控制由MOS实现的整体控制包括以下部分●开机后检查主板上安装的模块，启动有不需要指令就直接运行的MPM(如键盘和显示屏)，并且将全部模块及程序以菜单形式显示在相应的界面上。
●由用户选择需要运行的程序，然后启动、控制和关闭它们。
●在运行程序、高速缓存和CPU之间传输数据和指令。
●控制不同的MPIM之间传输数据。
●在多任务的情况下，切换不同的运行程序于前后台。
●向整个系统提供统一的时钟，用于实时操作。
●处理非正常事件(如死锁)。
2)应用程序控制每一个应用程序都是预先完整的存储在MPIM中，不需要进行任何安装和处理(病毒和恶意攻击都无从去破坏它)就可以运行，它具有独立的完整指令集和内存地址。当用户通过MOS选择运行它时，这个程序就被激活运行，同时启动由它自己连接和控制的设备。
在应用程序运行中它执行以下工作●执行独立和完整的程序运行周期；●使用自己独立的内存地址；●通过标准接口与CPU建立起联系，并且由CPU完成其运算；●可以将临时程序和数据放在高速缓存中，也可以保存在自己的随机存储器中；●接受来自其他的MPIM的数据(或者发给其他的MPIM)；●控制它自己的设备，并完成相应的任务。
5.积木式计算机组合(Combination of NewCs)在理论上，积木式计算机具有无限制的组合形式，这些组合从简单的单功能到复杂的多任务，不同的组合构成了性能迥异计算机。下面列出几个典型的组合形式1)基本型基本型是积木式计算机的简单形式，它由主板模块、CPU模块、高速缓存模块、MOS模块和必要的MPIM组成。基本型适用于单一功能需求的用户，表1给出了常用基本型的组合
表22)通用型将多种功能的MPIM组合在一起就构成了通用型的积木式计算机，如将表2的4种基本型组合在一起就形成了一种通用型的计算机，表3给出了它的组合。
表3这是一个典型的组合形式，从它的功能上可以看出，它能够满足大多数家庭对计算机的使用需求。由于一般的办公室文员不需要电器控制和游戏两项功能，因此，用户只需简化典型的组合形式，就能够满足大多数办公文员的需要。
如果将这个通用型的积木计算机与PC进行比较，可以得出明显的结论——积木计算机解决和克服了PC存在的问题和弱点(如前面提到的)。
特别需要指出的是如果在一个积木式计算机上配置一个有具有相应的随机存储器、硬盘和PC操作系统软件的MPIM就构成了一台传统意义的PC。
数据和处理中心型利用积木式计算机的技术可以构建出功能强大的计算机，当连接相当数量的外存储器和CPU时，它可以成为一个强大的数据和处理中心。
1多年来，计算机一直沿用著名的冯.诺伊曼体系结构(Von Neumann Architecture)，图1给出了这个体系结构的示意图。
2图2给出了积木式计算机的体系结构——扩展的冯.诺伊曼体系结构(An Extended Type ofvon Neumann Architecture)。通过图2与图1的比较可以看出它们之间的区别。
3图3给出了PC的主要部件结构关系4图4给出了积木式计算机的主要部件结构关系。通过图3与图4的比较可以看出它们之间的区别。
具体实施例方式
PC在计算机中成为为主流计算机已经有20多年历史，智能计算机的实现还需要等待相当一段时间。在这期间需要有新型的计算机出现，从而体现计算机科学与技术发展的成果。
积木式计算机在结构上与现今的PC完全不同，这个不同不仅仅体现在卓越的性能上，同时也带来了诸如主板及硬件、接口电气规格、数据格式、指令集、操作系统、应用程序结构、对现有技术成果应用和继承、商业运作和用户认同等一系列的新问题，其中对于积木式计算机新的理念(如英文名称所指——NewCsNew Conception，Construction，Composing，Control，Combination and Computer)的认同将是首要的。
积木式计算机的实现应该包括以下八个阶段1.国际范围的知识产权申请和保护。
2.确定电气和数据标准。
3.MOS操作系统开发。
4.样机设计和制造。
5.开放电气和数据标准、开放MOS接口。
6.放弃MPIM方面的专利权。
7.工业化生产8.商业化推广。
从现今我国的条件看，积木式计算机的实现在技术、材料、工艺、生产和人员上都没有不可解决的问题，其中许多条件已经成熟，如国产CPU完全可以用于积木式计算机，并且具有很好的应用前景(如家庭和控制领域)。所以具体的开发实施工作应该立足国内，争取在3年时间内实现产业化生产目标，打破Inter和微软的控制和垄断，扩大国际市场，提高我国在计算机领域的国际地位。
权利要求
1.积木式计算机和操作系统，它所有的硬件、软件和接口都被设计和制造成模块——积木块，人们可以根据不同的用途和需要选择积木块，然后将它们组合在一起，就如同搭积木一样构成适应用户需求的计算机，积木式计算机的操作系统在逻辑上将这些积木连接在一起，并且控制和操作它们的运行，实现计算机的全部功能。其特征是积木式计算机系统中有多个内存储器；每一个内存储器都是独立的；每一个内存储器中固化一个(也可以将几个合并在一起)独立运行的应用程序，程序类型不受限制；内存储器可以有属于本身的接口与其他设备连接，并且利用该内存储器中固化的程序对连接的设备进行控制和操作；CPU可以单独访问每一个存储器，并且与它建立独立的逻辑关系；积木式计算机由以下8个部分组成主板模块(MBM——Main Board Model)，中央处理器模块(CPUM——CPU Model)，高速缓存模块(CacheM——Cache Model)，菜单操作系统模块(MOSM——Menu Operation SystemModel)，内存、程序和接口模块(MPIM——Memory，Program and Interface Model)，扩展主板模块(EBM——Extended Board Model)，电源模块(PAM——Power Adapter Model)机箱模块(BM——Box Model)；积木式计算机的控制由菜单操作系统(MOS)的整体控制和MPIM的应用程序控制两部分构成。
2.根据权利要求1所述的积木式计算机和操作系统，其特征是主板模块是一块高密度印刷电路板，它是积木式计算机的主电路，它的作用是在机械和电气上将积木式计算机的各个模块连接起来；对地址、数据和控制3类信号进行传输；对于32位数据采用总线式系统结构；对于64位数据采用总线式系统结构或者通道式系统结构；对于128位数据采用通道式系统结构；主板模块上有若干电路插槽，每一个插槽与总线或者通道连接，插槽是其他模块构成和连接计算机的接口，插槽采用统一的机械、电气和数据标准；主板模块上有一个总线扩展插槽，用于连接扩展主板；主板模块上有专门的供电插槽，连接标准的电源模块。
3.根据权利要求1所述的积木式计算机和操作系统，其特征是中央处理器模块由CPU和数据统一转换电路组成，CPU可以是32位、64位和128位，不同系列的CPU通过数据统一转换电路形成统一的数据格式和指令集，中央处理器模块通过标准插槽连接到主板模块上，构成计算机的主体部分。
4.根据权利要求1所述的积木式计算机和操作系统，其特征是高速缓存采用高速随机存储器，用来存放当前执行的程序中的活跃部分，它通过标准插槽连接到主板上，构成计算机的主体部分；高速缓存模块的大小和类型可以根据需要选择。
5.根据权利要求1所述的积木式计算机和操作系统，其特征是内存、程序和接口模块是积木式计算机的功能模块，所有的应用程序或者需要程序驱动的I/O设备都通过MPIM连接到计算机上；MPIM与主板的接口采用积木式计算机的标准结构；MPIM采用只读存储器(ROM)，应用程序预先存储固化在内，而且应用程序必须是该程序的全集；MPIM可以有自己独立标准的接口连接其他外部设备(包括传统意义上的外设)；可以有不需要指令就直接运行的MPIM(如连接人工输入初始指令的设备)；MPIM也可以有属于自己的随机存储器(RAM)，用来存放自身在运行过程中的临时程序和数据；这类随机存储器也可以有自己独立的供电(如电池)系统，用于长久保存数据(如在控制过程中的用户参数和数据)。
6.根据权利要求1所述的积木式计算机和操作系统，其特征是菜单操作系统模块中的ROM固化了菜单操作(MOS)，它是积木式计算机的核心部分之一，它通过标准插槽连接到主板上，构成计算机的主体部分；菜单操作系统是一个面向多任务的实时操作系统，它有一个菜单式操作过程，其他所有的应用程序都链接在它的上面；针对不同的需求它可以有不同的版本；它的主要功能是识别安装于计算机上的模块，并在它们之间建立起相应的联系；启动、运行和终止应用程序；在MPIM与CPUM之间、不同的MPIM之间传输指令和数据；处理计算机运行过程中出现的非正常事件。
7.根据权利要求1所述的积木式计算机和操作系统，其特征是扩展主板模块是积木式计算机的主电路延伸，当主板的插槽不能满足需要时，将扩展主板模块通过总线扩展插槽连接到主板模块上，也可以将多个扩展主板模块连接在一起，扩大主板的规模。
8.根据权利要求1所述的积木式计算机和操作系统，其特征是积木式计算机的整体控制由菜单操作系统(MOS)完成，它有以下功能开机后检查主板上安装的模块，启动有不需要指令就直接运行的MPM(如键盘和显示屏)，并且将全部模块及程序以菜单形式显示在相应的界面上；由用户选择需要运行的程序，然后启动、控制和关闭它们；在运行程序、高速缓存和CPU之间传输数据和指令；控制不同的MPIM之间传输数据；在多任务的情况下，切换不同的运行程序于前后台；向整个系统提供统一的时钟，用于实时操作；处理非正常事件(如死锁)。
9.根据权利要求1所述的积木式计算机和操作系统，其特征是每一个应用程序都是预先完整的存储在MPIM中，不需要进行任何安装和处理(病毒和恶意攻击都无从去破坏它)就可以运行，它具有独立的完整指令集和内存地址；当用户通过MOS选择运行它时，这个程序就被激活运行，同时启动由它自己连接和控制的设备；应用程序运行中它执行以下工作执行独立和完整的程序运行周期；使用自己独立的内存地址；通过标准接口与CPU建立起联系，并且由CPU完成其运算；可以将临时程序和数据放在高速缓存中，也可以保存在自己的随机存储器中；接受来自其他的MPIM的数据(或者发给其他的MPIM)；控制它自己的设备，并完成相应的任务。
10.根据权利要求1所述的积木式计算机和操作系统，其特征是积木式计算机具有无限制的组合形式，这些组合从简单的单功能到复杂的多任务，不同的组合构成了性能迥异计算机。
全文摘要
本发明涉及一种新型的通用计算机——积木式计算机(NewCs)和操作系统(MOS)，它是以一种新理念为基础设计的，可用于社会生活的各个领域。积木式计算机所有的硬件、软件和接口都被设计和制造成模块的形式——积木块，它在理论上具有无限扩展能力。人们根据用途选择积木块，然后将它们组合成适和用户需求的计算机。它的操作系统(MOS)是面向多任务的实时操作系统，它在逻辑上将这些积木连接在一起，并且控制和操作计算机运行，实现计算机的全部功能。积木式计算机在结构上与PC完全不同，它工作效率高、用途广、投资少、安全性高、利于知识产权保护、打破Intel在硬件和微软在软件的垄断地位，提高我国在计算机领域的国际地位。
文档编号G06F9/445GK101071409SQ20071009020
公开日2007年11月14日 申请日期2007年4月13日 优先权日2007年4月13日
发明者曲卫晶 申请人:曲卫晶