软硬件混同设计

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1、“最小指令系统”的理论探讨本身展现了“CPU-软件”形态的内在约束。说明了它是一种有本质的事物。“CPI；-软件”的数学基础和逻辑基础：数学基础：表达式分解和运算顺序，奠定了以ALU为中心的顺序计算模式的合理性。证明了可以达到任何数学计算目的。逻辑基础：分支、循环和子程序，奠定了迭代为基础的解决问题的方法。存储器是迭代变量，中央处理单元是执行机构。这两点是“CPU-软件”的基础，也是它的全部基础。换句话说，也是“CPU-软件”这种事物、工具或说解决方法的全部本质。这两个基础一下子拔高了寄存器、存储器和使能时序的地位一

2、让他们有了灵性，可以解决智能问题。其实它们还是它们自己，按照单调的步伐工作；只是对它们的理解改变了，把它们的动作赋之以解决问题的目的，把它们作为解决问题的工具。改变的是对待它们的态度。当然，我们这里研究的其实正是我们对待它们的态度而不是它们本身。而硬件工作机制本质上也是顺序的。可以区分为目标明确的步骤。组合信号的内在顺序是其表达逻辑的基础；时序逻辑天然就是顺序的。混同设计的需求来自这样一种诉求：让硬件完成相同的软件任务。硬件工作机制顺序性的根本特点决定了它可以胜任软件算法。由于CPU的存在才产生了软件，可是软件自身的

3、定义却不局限于CPU一种实现方式。采用纯硬件实现软件算法。出发点当然是软件算法描述本身。完整性考虑：算法、子程序和总体任务流程的硬件实现，三者缺一不可。数据结构；指针、变量和迭代；输入/输出。这些软件已经建立起来的设计体系概念的消化。硬件实现技术：组合逻辑；时序流水线和状态机；互联结构、总线和多路选择器。局部化和全局互连结构设计。硬件设计方法产生新的算法方式：算法广义定义其实是任务，在给定实现条件下的任务实现方式是狭义算法定义。表述算法的流程图其实是软件分支、循环、顺序等结构的逻辑抽象，是CPU实现任务时的算法。存储

4、器为基础的数据结构具有软硬实现方式下的通用性。但是当队列、堆栈和数组可以用硬件寄存器堆实现时情况有所不同，相应的数据结构算法的实现和软件有所不同。类似CAM的结构在硬件实现这里是通用结构，用户可以按要求设计自己的带有运算部件的专用寄存器堆。类似地，计算机专用加速技巧，如交叉存储器、虚拟地址表格映射、缓冲技术、流水线调度、微指令在硬件设计中都成为普遍技术。硬件效率评估：速度、资源利用率、并行和串行串行向并行的转化：两种方式，流水线（时间），（空间）复制展开。资源利用率和速度有并不矛盾。资源利用率（时钟节拍忙闲比率）低则

5、并行性优化的一定不好，速度一定不是最好的。一个好的并行设计应该让各部分节拍严丝合缝，不出现空闲节拍现象。结论：硬件和软件具有等同的实现算法任务的能力。硬件设计是执行效率为先的算法设计。或者说是并行算法设计。软件有变量和表达式为基础的描述工具；硬件也应该采用相同的工具，但是发展不同的效率分析思虑。采用相同的描述语言是混同设计的根本。软件有面向任务的软件工程方法，硬件也应该采用相同的工程方法。这样才能做到任务描述/需求分析上的等同，保证从源头上混同。是什么让普通的硬件有所不同？我们这里描述并确定的主观构造理论，这里的概念

6、给了使用硬件解决问题的能力，给了硬件联合在一起的自主趋势。硬件由电平和门变成这里探讨的预先定义的结构的一部分。缺少必要的系统级技术和设计方法。“总线”是CPU的核心构造技术。总线是功能组合的基础，是微码控制实现的基础。堆栈是软件子程序的基础。堆栈是数据缓冲式接口方式，可以理解为总线宽度扩展。硬件采用什么方式？极端方式通过拷贝复制每个子程序实例，接口采用一对一接口，不需要总线。通过分析控制通路，构造“网络”。对网络节点的工作节拍分析，进行网络优化；优化过程就是结构变换过程，根据创造符合需要的总线和数据接口机制。总的来说

7、，硬件模块总体上是分布式的。极端地看，互连决定了硬件系统级和模块级的结构方式。互连如同物理学中的“空间”概念，相对论说明重力是空间弯曲的结果；硬件各种形式的结构是选择互连形式的结果，不只有一种互连方式，根据资源规模、时序并行度进行折中，在满足实时性能要求的前提下用最少的资源。如果做对比，“网络”、“流式接口”是硬件系统中普遍适用的互连概念，相当于CPU系统中的“总线”。硬件中的“队列/FIFO”相当于软件中的“堆栈”。因为连线不可能很宽，数据缓冲是必然的；并行性也不可能是100%的，局部模块具有串行实现的时序长度；复

8、杂度让完全的并行是不可能的。但是，如此难以支撑抽象概念。开辟全新的设计概念和方法是艰难的。混同设计的意图就是复制软件算法，以软件为参考，用等效的方式发挥硬件设计的能量。全面的并行是实现方式，设计需求需要有抽象的描述语言。我们选择软件变量、事件、模块的概念。在软件平台上可以让抽象设计自由发挥。并行优化:让我们发现串、并转换规则；让我们发现时序内在