专利名称：一种新一代计算机系统的设计思想及其实现方法
技术领域：
本发明属于计算机信息处理技术领域，尤其涉及到一种新的计算机系统设计思想。
背景技术：
计算机自从诞生到现在已有几十个年头了，从开始仅作为简单的计算工具发展到 现在应用到各行各业、方方面面，从其技术角度这一方面来看，它确实是日新月异、突飞猛 进，这让最初的设计者也是无法想象的，但就其本质和原理这个角度来看，人们对它却是知 之甚少。一个事物必有其本质属性，其产生和发展必有其自身的原理和规律，若单从一时的 现象出发进行人为的改观，而不站在一个科学的高度对事物的本质和内在规律进行探索和 认定，那么，事物发展中的可观现象只是一时的，矛盾和问题早晚会要暴露出来的。对于计算机，在很大程度上就存在这样的问题。虽然它给人类在社会生产、科学研 究、工作、学习和生活带来了很大的提高和进步，但是，计算机作为人类智慧高度结晶的产 物，人们把它过于复杂化，对它的投入过于巨大，特别是在脑力和物力方面，丝毫没有把它 的价值体现出来，人们对它的付出和应该得到的回报存在巨大的反差。更重要的是其发展 受经济利益的主导，总是在现有基础上向后发展，而它又是建立在一个不正确的起点上，这 样使它偏离本身应有的正确发展方向越来越远。当前，计算机系统在硬件体系结构、操作系统、应用开发和用户操作方面仍旧是建 立在最初的设计思想上，而当时甚至到现在人们对计算机的原理和本质仍没有一个正确和 彻底的认识，没有对计算机在定义、原理和本质上给出一个公认的定论，特别是指令系统的 设计原则，I/O设备功能与系统的界定，以及操作系统、应用程序和用户操作的设计思想方 面，都没能建立在一个正确的科学原理上面，所以设计出的计算机系统在实际使用中会存 在各种各样的问题。其急待解决的问题主要表现在以下几个方面效率，计算机提供给用户两个接口，一个是操作接口，另一个是开发接口。当前操 作系统提供给用户的开发接口过于繁杂，需开发者掌握许多的专业知识和设计理念，只有 专业的人员在掌握了大量的专业知识后才能设计出相应的应用程序，而不能使任何一个用 户只专注于自己的应用而简单、迅速地开发出一个自己的应用程序。安全，计算机病毒、木马、蠕虫、流氓软件等恶意程序严重破坏和威协着用户的数 据安全，并且越来越猖狂，给社会生产和人们生活带来巨大的损失。虽然人们使用了各种安 全软件和采用了不少安全措施，但是，在当前计算机系统体系的思想下，根本无法主动地、 彻底地防治和清除这些恶意程序，始终处于被动，受治于恶意程序。速度，虽然计算机的速度以指数级的趋势增加，但它目前已基本到达极限，然而， 在解决现实中的某些需要巨量运算的问题时，比如NP-完全问题、复杂的非线性问题等，它 的速度还远远不够。
发明内容
为了解决当前计算机系统在效率、安全和速度方面存在的不足，本发明提出新一 代计算机系统的设计思想及其实现方法，能使计算机在效率、安全和速度方面得到彻底地 改进。本发明所采用的技术方案是首先通过对客观世界中的物质、思维、信息和抽象信 息在概念和本质上进行深刻地认识，并在此基础上彻底地剖析了计算机的原理、运行机制 和本质，对计算机有一个深刻、正确的认识，然后在此基础上，找出人们在现实世界中接受 和处理各种事物的一般过程、一般规律和一般原理，并加以总结和提炼，然后把它应用到计 算机中，使我们在计算机系统即硬件系统和软件系统的设计、开发和操作上有一个共同的、简 洁的、正确的思维模式和操作方式，其特征是新一代计算机系统包括硬件系统和软件系统；硬件系统包括处理器、存储器和I/O设备；软件系统包括操作系统、应用程序和用户操作。所述处理器的指令系统仅仅包括数学运算指令、数据移动指令、控制转移指令和 处理器控制指令，其中，数学运算指令仅为加、减、乘、除、逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑异或 8条指令，数据移动指令仅为1条MOV指令，控制转移指令仅为1条JMP指令。所述存储器是双口存储器，在同一个存储器上有两个操作控制接口，同一时间可 以对存储器上两个不同的存储单元进行读写。所述I/O设备在逻辑上包括处理器、存储器、ROM和设备本身，把传统处理器中与 设备功能相关的机器指令分离出来，以及把操作系统中的设备驱动程序和中断处理程序分 离出来，由相应的I/O设备本身去实现。所述操作系统的设计思想包括以下方面1、把计算机中的所有信息分为可感觉的和不可感觉的，可感觉的是字符、语言文 字、图形图像这些视觉信息，分为信息载体和信息元素，不可感觉的是程序和数据；紧紧以 视觉信息为中心，视觉信息都具有视觉属性和操作属性，视觉属性是指层次、位置、大小、背 景和前景，操作属性是指接收和处理用户的键盘事件和鼠标事件，把计算机中所有的操作 分为视觉操作和功能操作，视觉操作是对视觉信息在视觉属性方面的操作，功能操作是以 视觉信息为交互界面为实现某种功能的操作，即程序对数据的加工处理；2、把计算机执行的所有操作分为视觉操作和功能操作，操作系统提供一个统一操 作开发环境，它创建、记录、组织和管理当前计算机中所有的信息载体和信息元素，把利用 计算机完成现实中的所有任务的开发全部放在一个共同的环境下进行，操作系统和应用程 序的设计者以及操作用户，始终都坚持紧紧以视觉信息及其视觉属性和操作属性为中心的 统一思维方式。所述应用程序的开发主要包括以下内容1、数据类型，数据类型分为二种，可感类型和数值类型，可感类型是指我们的感官 可以感受到的信息，即字符、语言文字、图形、图像和声音，数值类型包括整数、实数、数组和 自定义结构类型等；2、功能实现，应用程序开发的核心思想是紧紧以视觉抽象信息为中心，以消息驱 动的方式来实现各个功能，消息的产生是建立在视觉抽象信息基础上的，因为用户只有看 见当前的视觉信息才知道需要作些什么。因此，应用程序的功能实现方面主要包括两部分，也就是上面说到的视觉操作和功能操作。在实现这两部分功能时需要操作系统的紧密配 合，实时监控系统的时间事件和用户事件，比如鼠标当前在哪个信息载体中的哪一个信息 元素上面、当前活动的信息载体和具有操作焦点的信息元素、用户的鼠标事件等。(1)、视觉操作，这部分操作是对视觉抽象信息的操作，可调用操作系统提供的接 口函数去实现，主要包含以下这些①、创建一个信息载体、信息元素；②、设置、获取信息载体或该载体上所有信息元素的视觉属性；③、遍历指定信息载体下所有的子载体和信息元素。(2)、功能操作，功能操作是程序员实现自己功能的操作部分，首先根据所要解决 的问题建立一个数据结构或数学模型，然后编写代码对它进行操作以实现对问题的解决， 最后设置信息载体或该载体上所有信息元素的操作属性。所述用户操作为，用户面对的总是视觉抽象信息即信息载体和信息元素，信息元 素显示在信息载体上，信息载体和信息元素都具有视觉属性和操作属性，视觉属性是指层 次、位置、大小、背景和前景等，操作属性是指信息载体或信息元素接受和处理哪些事件，也 就是能实现哪些功能。本发明的有益效果是，可以使计算机的操作、开发和使用非常的简单和安全，用户 可以用自然语言与计算机进行沟通和交互。
图1表示本发明所提出的硬件系统逻辑结构示意图；图2表示本发明所提出的计算机系统逻辑结构示意图；图3表示计算机中的视觉信息系统；图4表示本发明数学运算指令执行的流程图；图5表示本发明数据移动指令执行的流程图；图6表示本发明控制转移指令执行的流程图。
具体实施例方式根据本发明所采用的技术方案，下面结合附图对本发明的一个优选实施例进行具 体详细地说明，包括硬件体系结构、操作系统、应用程序和用户操作。图1表示硬件系统逻辑结构，包括主机和I/O设备主机主机主要包括操作控制器、运算器、存储器、数据移动处理器、指令地址寄存器、地 址译码器、地址/数据寄存器。该处理器采用了一套精简的指令系统，分为四种类型仅10 条左右的机器指令，即数学运算指令、数据移动指令、控制转移指令和处理器控制指令。数 学运算指令仅为算术运算(加、减、乘、除)和逻辑运算(与、或、非、异或)8条指令；数据移 动指令仅一条MOV指令，用于在主机内、主机与I/O设备之间、本地机到远程机之间的数据 移动；控制转移指令仅一条JMP指令，实现在程序执行过程中的操作转移。这样，处理器在 设计时紧紧以这些数学运算、数据移动和控制转移指令为中心，对于与一个I/O设备功能 相关的指令把它从处理器中分离出来，由设备本身去实现。
在处理器中仅以上这些指令可以完成现实中的各种任务，满足各种不同的需求。 处理器控制指令涉及到一系列对它自身的操作，与完成一个具体的任务无关，主要用于实 现处理器的运行控制、多任务支持、虚拟存储等。通过这种指令系统设计方式，指令大大减少，大大地简化了处理器的结构，极大地 提高了速度、性能和安全，并使用户开发非常的简单，可以用自然语言编写程序。I/O 设备每一个I/O设备系统在逻辑上都是由设备处理器、存储器、ROM、设备驱动程序、中 断处理程序、设备本身等构成。设备处理器可以有自己的指令系统，接收和执行主机发送过 来的命令和数据，根据读写请求在设备存储器与设备之间传输数据；存储器用于缓冲输入 或输出的数据，它的地址可被编入到系统存储空间；ROM用于存储引导程序、初始化程序、 设备驱动程序、中断处理程序等；设备是进行真正工作的机电装置。把传统指令系统中与设备功能操作相关的指令分离出来放入到相应的设备中，由 设备本身去实现，同时把设备驱动程序和中断处理程序从操作系统中分离出来，由设备自 己去实现，并固化在设备中，使设备本身相对主机来说就是一个独立的功能体。所有I/O设 备与主机之间的数据传输严格遵守一个共同的协议，所有的输入输出设备在设计和开发时 要以这个协议为标准。图2表示软件系统逻辑结构，包括操作系统和应用程序。操作系统操作系统主要包括统一操作开发环境、进程管理模块、存储管理模块、设备管理模 块和文件系统模块，其中，统一操作开发环境占主导地位，管理和控制其它各个功能模块， 它的设计思想和功能表现在以下方面—、把计算机中的所有信息分为可感觉的和不可感觉的，可感觉的是字符、语言文 字、图形和图像这些视觉信息，分为信息载体和信息元素，不可感觉的是程序和数据；紧紧 以视觉信息为中心，视觉信息都具有视觉属性和操作属性，视觉属性是指层次、位置、大小、 背景和前景，操作属性是指接收和处理用户的键盘事件和鼠标事件，把计算机中所有的操 作分为视觉操作和功能操作，视觉操作是对视觉信息在视觉属性方面的操作，功能操作是 以视觉信息为交互界面而实现某种功能的操作，即程序对数据的加工处理。视觉抽象信息分为信息载体和信息元素，信息载体是一个介质，用于在上面向用 户展示信息，就象日常所见到的纸，有了纸才能在上面写字；信息元素是在信息载体上显示 的内容，即语言文字、图形和图像，用于向用户表示真实意思和提供操作接口。信息元素包 括真实元素、表征元素和交互元素，真实元素是一个实际的信息单元，如字符、语言文字、图 形和图像；表征元素用于代替或表示一个物质或事物，比如用图标表示一个电脑、硬盘分 区、文件或程序等；交互元素用于在事物处理过程中和用户交互而提供的操作接口，用于用 户根据实际情况对机器发出操作事件，向机器提供信息，或由机器向用户显示当前运行状 态和结果，交互元素可具有相应的变量以保存与用户交互的数据。无论是信息载体还是信息元素它们都具有视觉属性和操作属性。视觉属性，是指视觉抽象信息在我们视觉感官上的反应，主要表现在层次、位置、 大小、背景和前景等。层次，是指多个抽象信息在同一个载体上发生重叠时，用于指出它们 所处的层次，通常最上层的信息是可见的。位置，是指信息在载体上从左上角开始的平面坐标U，y)的值。大小，是指信息单元在载体上从位置U，y)开始所占的面积。背景，是指 信息载体或元素的背景颜色或图案。前景，是指信息载体或元素本身的颜色痕迹，即视觉感 受。操作属性，是指信息载体或元素接收和处理的事件。即采用某种算法对数据进行 加工处理以实现某种功能，具有操作属性的信息载体或信息元素一般应具有程序和数据， 主要表现在它们是否接受并处理事件，这些事件包括时间事件和用户事件。时间事件是指 以时间的自然流逝来执行一系列的操作，比如，动画就是在时间的控制下显示一系列连续 的图像。用户事件是指接受用户行为的意图并实现用户目的的操作。在这个过程中，系统 紧紧跟踪用户的“意识焦点”，所谓的“意识焦点”就是用户的操作意图集中在当前哪一个信 息载体或哪一个信息元素上，用户的意图是通过鼠标、键盘等输入设备来表示的，系统正是 通过实时地监控这些硬件事件来获取当前用户的“意识焦点”的。一个信息载体或元素接 收和处理的硬件事件包括键盘和鼠标事件，其中鼠标事件包括鼠标移动，鼠标左键单击， 鼠标左键双击，鼠标右键单击，鼠标右键双击，鼠标轮滚动等，这些事件代表了用户的意图， 信息载体或信息元素的操作属性正是通过处理这些事件来实现用户的功能和目的。二、把利用计算机完成现实中的所有任务的开发全部放在一个共同的环境下进 行，比如文字处理、应用程序开发、WEB网页、平面设计、工业设计、游戏等等，操作系统和应 用程序的设计者以及操作用户，始终都坚持紧紧以视觉信息及其视觉属性和操作属性为中 心的共同思维方式。(一)、开发环境创建、记录、组织和管理当前计算机中所有的信息载体和信息元 素。计算机中只有唯一的一个根信息载体，它就是操作系统引导机器成功完成后最初显示 器的屏幕，这个根信息载体及其上面的信息元素是由这个开发环境创建的，其它所有的信 息元素都是通过处理这个根信息载体或其上的信息元素的操作事件而创建的。图3表示了计算机中视觉信息系统所形成的一颗倒立的树。除了根信息载体外其它所有的信息载体都是子载体，把这些子载体分为二种，一 种是同体子载体，另一种是异体子载体，同体子载体是指该载体与父载体为一体，是父载体 的一个元素，在位置上不能离开它的父载体；异体子载体虽然是父载体的子载体但不是父 载体中的一个元素，可以完全脱离父载体而被任意移动。一个进程对应一个主信息载体，它属于异体子载体，主信息载体又可包含多个子 信息载体，子信息载体可再包含信息载体，这样形成一个倒立的树，每个信息载体上包含有 信息元素，通过处理操作属性中的事件可以创建信息载体，然后就可在信息载体上创建信
息元素。对于这样一个“视觉信息树”，系统紧紧跟踪用户的“意识焦点”，一个信息载体或 信息元素接收和处理的事件主要包括键盘、鼠标和时间事件，其中鼠标事件包括鼠标移 动，鼠标停止、鼠标左键单击，鼠标左键双击，鼠标右键单击，鼠标右键双击，鼠标轮滚动，鼠 标左键按下并移动，这些不同的事件代表了用户不同的意图，信息载体或信息元素的操作 属性通过处理这些事件来完成各种任务。( 二)、把计算机执行的所有操作分为视觉操作和功能操作。上层应用程序或用户所有的操作请求发送到操作系统，这些请求都归属于对视觉 属性和功能属性的操作，包括创建、操作和保存。创建是指创建信息载体或信息元素；操作是指设置信息载体或信息元素的视觉属性、获取信息载体或信息元素的视觉属性、设置信 息载体或信息元素的操作属性、获取信息载体或信息元素的操作属性；保存是指保存当前 视觉信息的操作结果。应用程序操作系统中的统一开发环境为用户开发应用程序提供支持，实现完全的可视化开 发平台。根据该设计思想，应用程序开发主要包括以下内容一、数据类型。数据类型分为二种，可感类型和数值类型，可感类型是指我们的感 官可以感受到的信息，即字符、语言文字、图形、图像和声音，数值类型包括整数、实数、数组 和自定义结构类型等。二、功能实现。应用程序开发的核心思想是紧紧以视觉抽象信息为中心，以消息驱 动的方式来实现各个功能，消息的产生是建立在视觉抽象信息基础上的，因为用户只有看 见当前的视觉信息才知道需要作些什么。因此，应用程序的功能实现方面主要包括两部分， 也就是上面说到的视觉操作和功能操作。在实现这两部分功能时需要操作系统的紧密配 合，实时监控系统的时间事件和用户事件，比如鼠标当前在哪个信息载体中的哪一个信息 元素上面、当前活动的信息载体和具有操作焦点的信息元素、用户的鼠标事件等。1、视觉操作，这部分操作是对视觉抽象信息的操作，可调用操作系统提供的接口 函数去实现，主要包含以下这些①、创建一个信息载体、信息元素；②、设置、获取信息载体或该载体上所有信息元素的视觉属性；③、遍历指定信息载体下所有的子载体和信息元素。2、功能操作，功能操作是程序员实现自己功能的操作部分，首先根据所要解决的 问题建立一个数据结构或数学模型，然后编写代码对它进行操作以实现对问题的解决，最 后设置信息载体或该载体上所有信息元素的操作属性。用户操作计算机通过操作系统向用户提供操作界面和开发接口，以使用户对计算机进行操 作和开发，实现用户的各种目的。在该思想下，用户对计算机的操作和开发始终都在一个统 一、简洁的思维模式和操作方式中操作界面，用户面对的总是视觉抽象信息即信息载体和信息元素，信息元素显示 在信息载体上，信息载体和信息元素都具有视觉属性和操作属性，视觉属性是指层次、位 置、大小、背景和前景等，操作属性是指信息载体或信息元素接受和处理哪些事件，也就是 能实现哪些功能。开发接口，在程序员眼里，始终面临的都是信息载体和信息元素，以及在它们的操 作属性中要处理哪些事件，这些是共同的，不同的是在事件处理程序中如何实现各自的功 能。图4表示了数学运算指令执行的流程1、从指令地址寄存器读出当前机器指令的地址；2、把地址送往地址译码器A ；3、地址译码器译出地址并送到存储器；4、存储器根据地址选定指定存储单元并读出机器指令；
5、机器指令从存储器的数据线发出的信号包括三部分①、机器指令操作码输出 到操作控制器，操作控制器根据操作码对各功能部件发出操作控制信号；②、操作数地址A 输出到地址/数据寄存器A ；③、操作数地址B输出到地址/数据寄存器B ；6、操作控制器判断地址/数据寄存器中的值是地址还是数据，如果是地址跳到步 骤2，否则继续下一步；7、把两个操作数送往运算器进行数学运算；8、把运算结果保存到指定的寄存器或存储单元。图5表示了数据移动指令执行的流程1、从指令地址寄存器读出当前机器指令的地址；2、把地址送往地址译码器A ；3、地址译码器译出地址并送到存储器；4、存储器根据地址选定指定存储单元并读出机器指令；5、机器指令从存储器的数据线发出的信号包括三部分①、机器指令操作码输出 到操作控制器，操作控制器根据操作码对各功能部件发出操作控制信号；②、操作数地址A 输出到地址/数据寄存器A ；③、操作数地址B输出到地址/数据寄存器B ；6、操作控制器判断出是数据移动指令，如果是①、主机内小量数据移动，如字节、 字、两个字、四个字、五个字，则由运算器进行移动；②、内存中大量数据移动；③、内存与I/ 0设备或I/O设备之间大量数据移动，这两种情况是由数据移动处理器来完成的，数据移动 处理器根据指令中的相关参数设备类型、源设备号、目的设备号、源操作数地址、目的操作 数地址、数据移动长度，通过控制系统总线在内存中、内存与I/O设备之间、I/O设备之间、 I/O设备内进行大批量的数据移动。图6表示了控制转移指令执行的流程1、从指令地址寄存器读出当前机器指令的地址；2、把地址送往地址译码器A ；3、地址译码器译出地址并送到存储器；4、存储器根据地址选定指定存储单元并读出机器指令；5、机器指令从存储器的数据线发出的信号包括三部分①、机器指令操作码输出 到操作控制器，操作控制器根据操作码对各功能部件发出操作控制信号；②、操作数地址A 输出到地址/数据寄存器A ；③、操作数地址B输出到地址/数据寄存器B ；6、操作控制器判断出是控制转移指令，把地址/数据寄存器A中的值送往指令地 址寄存器。以上所述具体实施方式
仅为本发明的优选实施例，本发明不限于上述实施例，在 不背离本发明所采用的技术方案和设计思想的基础上所作的任何显而易见的改动，都属于 本发明的构思和所附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种新一代计算机系统的设计思想及其实现方法，该方法是，首先通过对客观世界 中的物质、思维、信息和抽象信息在概念和本质上进行深刻地认识，并在此基础上彻底地剖 析了计算机的原理、运行机制和本质，对计算机有一个深刻、正确的认识，然后在此基础上， 找出人们在现实世界中接受和处理各种事物的一般过程、一般规律和一般原理，并加以总 结和提炼，然后把它应用到计算机中，使我们在计算机系统即硬件系统和软件系统的设计、 开发和操作上有一个共同的、简洁的、正确的思维模式和操作方式，其特征是新一代计算 机系统包括硬件系统和软件系统；硬件系统包括处理器、存储器和I/O设备；软件系统包括操作系统、应用程序和用户操作。
2.根据权利要求1所述的新一代计算机系统，其特征是处理器的指令系统仅仅包括数 学运算指令、数据移动指令、控制转移指令和处理器控制指令，其中，数学运算指令仅为加、 减、乘、除、逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑异或8条指令，数据移动指令仅为1条MOV指令，控 制转移指令仅为1条JMP指令。
3.根据权利要求1所述的新一代计算机系统，其特征是存储器是双口存储器，在同一 个存储器上有两个操作控制接口，同一时间可以对存储器上两个不同的存储单元进行读 写。
4.根据权利要求1所述的新一代计算机系统，其特征是I/O设备在逻辑上包括处理器、 存储器、ROM和设备本身，把传统处理器中与设备功能相关的机器指令分离出来，以及把操 作系统中的设备驱动程序和中断处理程序分离出来，由相应的I/O设备本身去实现。
5.根据权利要求1所述的新一代计算机系统，其特征是操作系统的设计思想包括以下方面(1)、把计算机中的所有信息分为可感觉的和不可感觉的，可感觉的是字符、语言文字、 图形图像这些视觉信息，分为信息载体和信息元素，不可感觉的是程序和数据；紧紧以视觉 信息为中心，视觉信息都具有视觉属性和操作属性，视觉属性是指层次、位置、大小、背景和 前景，操作属性是指接收和处理用户的键盘事件和鼠标事件，把计算机中所有的操作分为 视觉操作和功能操作，视觉操作是对视觉信息在视觉属性方面的操作，功能操作是以视觉 信息为交互界面为实现某种功能的操作，即程序对数据的加工处理；(2)、把计算机执行的所有操作分为视觉操作和功能操作，操作系统提供一个统一操作 开发环境，它创建、记录、组织和管理当前计算机中所有的信息载体和信息元素，把利用计 算机完成现实中的所有任务的开发全部放在一个共同的环境下进行，操作系统和应用程序 的设计者以及操作用户，始终都坚持紧紧以视觉信息及其视觉属性和操作属性为中心的统 一思维方式。
全文摘要
本发明提出新一代计算机系统的设计思想及其实现方法，首先通过对客观世界中的物质、思维、信息和抽象信息在概念和本质上进行深刻地认识，并在此基础上彻底地剖析了计算机的原理、运行机制和本质，对计算机有一个深刻、正确的认识，然后在此基础上，找出人们在现实世界中接受和处理各种事物的一般过程、一般规律和一般原理，并加以总结和提炼，然后把它应用到计算机中，使我们在计算机系统即硬件系统和软件系统的设计、开发和操作上有一个共同的、简洁的、正确的思维模式和操作方式。
文档编号G06F9/44GK102004528SQ20101053738
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月10日 优先权日2010年11月10日
发明者吴晓栋 申请人:吴晓栋