原创 基于新型工作原理的计算机—事件处理机

现有的电子计算机采用“状态机”(State Machine)工作原理，即由时钟信号定时驱动的，每个时钟信号推动计算机前进一步，完成预先设定的处理工作。本文提出的事件处理机采用“事件机”(Event Machine)工作原理，事件处理机是由外部“事件”信号随机驱动的，事件处理机对于特定“事件”序列的反应是可以预先设置的。一个特定“事件”的发生将推动事件处理机产生相应的输出信号并且改变到相应的等待下一个“事件”的状态。

事件处理机的工作原理使它在处理随机信号时具有两个主要优点(与状态机相比)：

1．当特定的“事件”信号发生时，它将直接驱动事件处理机完成特定的操作，因此具有更快的反应和处理速度；

2．当无特定的“事件”信号发生时，事件处理机不产生相关的驱动动作，因此功率消耗较低。

上述两个优点使得事件处理机特别适用于要求高速和低功耗的随机信号处理领域，如雷达信号处理、电网控制、高速飞行器飞行轨迹控制等等，如果采用事件机技术，其控制器的反应速度将比采用状态机快许多。

本文描述了事件处理机每个功能部件的输入/输出关系、连接关系和工作原理。其功能示意方框图见图1。事件处理机不仅可以由电子元件构成，成为电子事件处理机，也可以由具有相应功能的机械元件、光学元件等元件构成，成为机械结构、光学结构或者其它结构的事件处理机。

三个功能部件

事件处理机由触发器矩阵、列信号发生器和行信号发生器三个功能部件构成。

触发器矩阵是事件处理机的运算核心，触发器矩阵由m行乘以n列个触发器构成。触发器矩阵具有两组输入信号：行信号发生器发出的行选择信号和列信号发生器发出的列触发信号。触发器矩阵具有两组输出信号：操作编码信号和行编码信号。触发器矩阵中的触发器[x,y]具有两个输入信号：行[y]和列[x]，每个触发器内具有若干存储器，能够预先设置操作编码和行编码。

图1：事件处理机功能示意方框图。

列信号发生器是事件发生器，列信号发生器具有两组输入信号：外部事件变量信号和行信号发生器发出的同步信号。列信号发生器具有一组输出信号：列触发信号。列信号发生器具有存储器，能够预先设置列触发信号对外部事件变量信号的反应规律和相关事件的优先级。

行信号发生器是场合发生器，行信号发生器具有一组输入信号：触发器矩阵发出的行编码信号，行信号发生器还具有一个输入信号：外部复位信号。行信号发生器具有两组输出信号：行选择信号和同步信号。行信号发生器具有存储器，能够预先设置行选择信号的初始值。

触发器矩阵是这样工作的：在一个触发器[x,y]的行[y]变为有效后，如果该触发器的列[x] 由无效状态变为有效状态，则该触发器将被“触发”，此时它将用内部预先设置的操作编码驱动事件处理机的操作编码信号，产生一组预先设置的二进制输出信号，这组二进制输出信号可以驱动事件处理机所连接的操作机构产生相应的操作动作，操作编码信号由任意位二进制信号组成。同时，该触发器还将用它内部预先设置的行编码驱动事件处理机内部的行编码信号，使行信号发生器产生一组新的行选择信号，这个新的行信号将改变触发器矩阵有效行的状态，触发器矩阵将在新的有效行状态下等待特定事件(列信号)的发生，行编码信号由任意位二进制信号组成。

上述过程顺序发生，就可以对特定的随机事件序列产生预先设置的处理过程。

场合定义：在事件处理机中，两个相邻行选择信号发生时刻之间的时间所对应的环境及其变化过程称为一个场合。如果一个事件触发所产生的新的行选择信号与前一个行选择信号相同，仍然认为是进入了一个新的场合。在一个场合内，只能有一位行选择信号为有效状态，其它位的行选择信号均为无效状态。

功能和工作过程

事件处理机的功能和工作过程可以描述为：在预定的场合中等待预定事件(输入信号)发生，并在这个预定事件发生后产生预定的输出信号，然后进入一个新的预定场合等待新的预定事件发生。

触发器矩阵中的触发器仅能由列信号的有效边沿(即列信号由无效状态变为有效状态时)所触发，即触发器被输入信号所触发的必要充分条件是：首先行信号变为有效状态，然后列信号由无效状态变为有效状态。

如果行信号是无效状态，则触发器不会被触发。在行信号处于无效状态情况时，列信号首先由无效状态变为有效状态，然后行信号再由无效状态变为有效状态，则触发器不会被触发。

行选择信号是一组m位的二进制信号，行信号发生器在外部复位信号(一位二进制信号)处于有效状态时，其输出的行选择信号的所有位全部处于无效状态，在外部复位信号由有效状态变为无效状态后，行信号发生器首先将内部预先设置的行信号初始值输出，产生复位后第一个有效的行选择信号，开始了复位后的第一个场合，然后行信号发生器开始接收触发器矩阵输出的行编码信号，并根据接收到的行编码信号产生新的行选择信号，开始一个新的场合。

列信号发生器的输入信号是外部事件变量信号，由任意位二进制信号组成。列信号发生器的输出信号是一组列触发信号，由n位二进制信号组成。列触发信号对外部事件变量信号的反应规律可以预先设置，使列触发信号中的相应位二进制信号与特定的事件状态(有效/无效)相对应。列信号发生器的另一组输入信号是行信号发生器发出的同步信号，可以用于进行场合同步和相应场合中各个列信号优先级的确定，同步信号由任意位二进制信号组成，列信号发生器使用同步信号使输出的

列触发信号符合下述规则：在一个场合内，只有一位二进制信号从无效状态变为有效状态，如果有多个特定外部事件发生，则仅有预先定义中优先级最高的那个事件对应的二进制信号从无效状态变为有效状态，而其它事件对应的二进制信号均为无效状态。

列信号发生器中各个特定事件在各个场合中是否发生以及发生的优先级可以预先设置。

图1显示了事件处理机的工作过程。在开始工作前，触发器矩阵中每个触发器内预先设置了操作编码和行编码，列信号发生器中预先设置了列触发信号对外部事件变量信号的反应规律并且预先设置了相关事件的优先级，行信号发生器中预先设置了行信号初始值。

首先外部复位信号为有效状态，使事件处理机处于复位状态，此时行选择信号的所有位均为无效状态，因此触发器矩阵中的所有触发器均处于不触发状态，操作编码信号和行编码信号均处于未被驱动的状态。

然后外部复位信号由有效状态变为无效状态，此时行信号发生器输出预先设置的行初始值，产生初始行选择信号，此时行选择信号中的有效位为行[y1]，因此触发器矩阵中所有第y1行触发器[x, y1]的行选择信号均处于有效状态，其它行触发器的行选择信号均处于无效状态。

此后如果特定事件对应的触发信号列[x1]由无效状态变为有效状态，则触发器[x1, y1]被触发，触发器[x1, y1]用它内部预先设置的操作编码驱动操作编码信号，产生输出编码1，触发器[x1, y1]还用它内部预先设置的行编码驱动行编码信号，使行信号发生器产生新的行选择信号，此时行选择信号中的有效位为行[y2]，因此触发器矩阵中所有第y2行的触发器[x, y2]的行选择信号均处于有效状态，其它行触发器的行选择信号均处于无效状态，触发器矩阵进入一个新的场合。

此后如果特定事件对应的触发信号列[x2]由无效状态变为有效状态，则触发器[x2, y2]被触发，触发器[x2, y2]用它内部预先设置的操作编码驱动操作编码信号，产生输出编码2，触发器[x2, y2]还用它内部预先设置的行编码驱动行编码信号，使行信号发生器产生新的行选择信号，此时行选择信号中的有效位为行[y3]，因此触发器矩阵中所有第y3行的触发器[x, y3]的行选择信号均处于有效状态，其它行触发器的行选择信号均处于无效状态，触发器矩阵进入一个新的场合。

此后如果特定事件对应的触发信号列[x3]由无效状态变为有效状态，则触发器[x3, y3]被触发，触发器[x3, y3]用它内部预先设置的操作编码驱动操作编码信号，产生输出编码3，触发器[x3, y3]还用它内部预先设置的行编码驱动行编码信号，使行信号发生器产生新的行选择信号，此时行选择信号中的有效位为行[y4]，因此触发器矩阵中所有第y4行的触发器[x, y4]的行选择信号均处于有效状态，其它行触发器的行选择信号均处于无效状态，触发器矩阵进入一个新的场合。

如上所述顺序进行下去，事件处理机就对预先设定的特定的外部随机事件列[x1]、列[x2]、列[x3] 、…… 做出了预先设定的输出反应序列输出编码1、输出编码2、输出编码3、……，实现了对预定外部随机事件序列的预定处理过程。

使用事件处理机构成控制系统时要完成三个要素的确定：事件、场合和操作。只要能够将系统过程中发生的所有事件、场合和操作全部确定下来，就可以使用相应容量的事件处理机构成一个完整的高速随机信号控制系统。

在事件处理机中，事件信号是由事件信号发生器(列信号发生器)根据外部事件变量信号合成产生的，因此事件信号发生器要具有相应的系统所必需的功能。下面介绍事件信号发生器的几种典型功能：

1．信号状态触发器：其功能是在外部事件变量信号中相应的若干个信号的电平(高电平/低电平)处于特定组合状态时发出触发信号。

2．信号边沿触发器：其功能是在外部事件变量信号中某个信号发生跳变(上升沿/下降沿/双沿)时发出触发信号。

3．信号总线触发器：其功能是可以使用外部事件变量信号中的相应位构成一个所需宽度的总线信号，当总线信号的值、一阶导数、二阶导数等相关参数处于特定状态(大于某值/小于某值/等于某值/在某区间内/在某区间外)时发出触发信号。

4．信号宽度触发器：其功能是在由外部事件变量信号合成的特定信号状态所持续时间的值处于特定范围(大于某值/小于某值/在某区间内/在某区间外)时发出触发信号。

事件处理机的具体实现形式

事件处理机具有高速处理随机事件的能力，在半导体集成电路领域，标准的矩阵式事件处理机可以制造成为一种通用的处理器元件，还需要发展出与事件处理机配套的编程语言及其软件平台，随着硬件和配套软件的发展，一种新型的通用型高性能随机事件处理系统就将成为现实。　

标准的矩阵式事件处理机的元件体积是由三维变量决定的：事件数目、场合数目和操作数目，其元件体积常常是较大的。在实际使用中，事件处理机的每个特定场合并不一定与全部事件相关，也不一定与全部操作相关，因此触发器矩阵中与行不相关的列对应的触发器就成为冗余元件，每个相关触发器中不相关的操作位对应的电路也成为冗余元件。

使用FPGA技术可以定制专用的事件处理机，如果一个FPGA设计软件平台能够按照用户的要求自动生成一个事件处理机，并能在设计中自动删除触发器矩阵中与行不相关的列所对应的触发器和每个相关触发器中不相关的操作位所对应的电路，那么就可以产生一个精简的事件处理机，常常可以大大缩小事件处理机的元件体积。另外，还可以在行编码中设置“不变”和“递增”等标识位，以便减少相关触发器中行编码的存储和驱动电路。

事件处理机可以作为超高速通用型微处理器进行批量生产，也可以使用FPGA技术设计成专用的超高速随机事件处理器，同时还可以多机组合，构成分级的控制系统，也可以与状态机组合，构成更为复杂的控制系统。

事件处理机是一种新型工作原理的计算机，它的产生将对随机信号数学及其相应的编程语言和软件设计平台提出新的要求，也在计算机领域展现出一个新的发展空间。当今的半导体集成电路技术已经能够制造出功能相当强大的事件处理机，随着随机信号数学及其相应编程语言和软件设计平台的发展，随机信号处理系统的水平将前进到一个新的阶段。

作者：徐建

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