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计算机体系结构的层次设计：来自易经模型的视角

更新时间：2019-12-24 06:09:04 大小：1M 上传用户：zhiyao6 查看TA发布的资源 标签：计算机体系结构 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

易经是中华民族的宝贵文化遗产,它包含上古时期人们对自然宇宙和人生社会的思想认识、哲学理念和辩证法,代表了先民哲学地认识宇宙模型的思维成果.从易经模型方法来观察计算机体系结构层次设计,对层阴阳性质的分类可以带来层次设计的深化,可以认识层次设计的本质,为层次设计带来模型体系和学说理念.我们建立了层次对立统一和刚柔相应学说,给出了体系结构层次设计的模型和评价,并且可以促进层次部件之间的协调发展.本文论述了经卦分层连接关系和六爻的层次模型与理念学说,拓展了易经层次模型的发展演化,透过SDN网络层次模型和云计算层次模型的例子阐明了层次设计的模型方法和演化推理.最后,进行了总结,并对下一步的研究进行了简单展望.

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第１１期

电ꢀ

ꢀ

子ꢀ

ꢀ

学ꢀ

ꢀ

报

Ｖｏｌ．４５ꢀ Ｎｏ．１１

Ｎｏｖ．ꢀ ２０１７

２０１７年１１月

ＡＣＴＡＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＡＳＩＮＩＣＡ

计算机体系结构的层次设计：来自易经模型的视角

林ꢀ 闯^１，２

（１．深圳大学计算机与软件学院，广东深圳５１８０６０；２．清华大学计算机科学与技术系，北京１０００８４）

ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要：ꢀ 易经是中华民族的宝贵文化遗产，它包含上古时期人们对自然宇宙和人生社会的思想认识、哲学理念

和辩证法，代表了先民哲学地认识宇宙模型的思维成果．从易经模型方法来观察计算机体系结构层次设计，对层阴阳

性质的分类可以带来层次设计的深化，可以认识层次设计的本质，为层次设计带来模型体系和学说理念．我们建立了

层次对立统一和刚柔相应学说，给出了体系结构层次设计的模型和评价，并且可以促进层次部件之间的协调发展．本

文论述了经卦分层连接关系和六爻的层次模型与理念学说，拓展了易经层次模型的发展演化，透过ＳＤＮ网络层次模

型和云计算层次模型的例子阐明了层次设计的模型方法和演化推理．最后，进行了总结，并对下一步的研究进行了简

单展望．

关键词： ꢀ 计算机体系结构；层次设计；易经；六爻层次；模型

中图分类号： ꢀ ＴＰ３０２ư １ꢀ ꢀ ꢀ 文献标识码： ꢀ Ａꢀ ꢀ ꢀ 文章编号： ꢀ ０３７２⁃２１１２（２０１７）１１⁃２５６９⁃０６

电子学报ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｊｏｕｒｎａｌ．ｏｒｇ．ｃｎꢀ

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０３７２⁃２１１２．２０１７．１１．００１

ＨｉｅｒａｒｃｈｙＤｅｓｉｇｎｉｎＣｏｍｐｕｔｅｒＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ：

ｆｒｏｍｔｈｅＰｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｏｆｔｈｅＩＣｈｉｎｇ

ＬＩＮＣｈｕａｎｇ^１，２

（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ＆ＳｏｆｔｗａｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｚｈｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ５１８０６０，Ｃｈｉｎａ；

２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ꢀ ＴｈｅＩＣｈｉｎｇｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｐｒｅｃｉｏｕｓｃｕｌｔｕｒａｌｈｅｒｉｔａｇｅｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅｎａｔｉｏｎ．Ｉｔｃｏｎｔａｉｎｓａｎｃｉｅｎｔｐｅｏｐｌｅ＇ｓ

ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ，ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｙａｎｄｄｉａｌｅｃｔｉｃｓｏｆｔｈｅｕｎｉｖｅｒｓｅａｎｄｈｕｍａｎｓｏｃｉｅｔｙ，ｗｈｉｃｈｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｐｈｉｌｏｓｏｐｈｉｃａｌｔｈｉｎｋｉｎｇｏｆ

ａｎｃｅｓｔｏｒａｂｏｕｔｕｎｉｖｅｒｓｅ．ＷｅｓｔｕｄｙｔｈｅｈｉｅｒａｒｃｈｙｄｅｓｉｇｎｉｎｃｏｍｐｕｔｅｒａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｒｏｍｔｈｅｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｏｆｔｈｅＩＣｈｉｎｇａｎｄｃｌａｓ⁃

ｓｉｆｙｌａｙｅｒｓｏｆｔｈｅｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｉｎｔｏｙｉｎａｎｄｙａｎｇｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｗｈｉｃｈｈｅｌｐｓｕｓｂｅｔｔｅｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｅｓｓｅｎｃｅｏｆｈｉｅｒａｒ⁃

ｃｈｙｄｅｓｉｇｎａｎｄｂｒｉｎｇｓｄｅｓｉｇｎｍｏｄｅｌｓａｎｄｔｈｅｏｒｉｅｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｄｅ⁃

ｓｉｇｎ，ｗｅｅｓｔａｂｌｉｓｈａｔｈｅｏｒｙｏｆｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｕｎｉｔｙｏｆｏｐｐｏｓｉｔｅｓａｎｄｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｈａｒｄｎｅｓｓｗｉｔｈｓｏｆｔｎｅｓｓ，ｗｈｉｃｈｃａｎｐｒｏｍｏｔｅ

ｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｂｙｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇｔｈｅｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｔｒｉ⁃

ｇｒａｍｓａｎｄｔｈｅｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆＳｉｘＹａｏ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｅｘｐａｎｄｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅＩＣｈｉｎｇｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ

ｍｏｄｅｌ．ＩｔａｌｓｏｃｌａｒｉｆｉｅｓｔｈｅａｐｐｒｏａｃｈａｎｄｒｅａｓｏｎｉｎｇｏｆｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｍｏｄｅｌｄｅｓｉｇｎｂｙｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｓｏｆＳＤＮｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｍｏｄｅｌ

ａｎｄｃｌｏｕｄｃｏｍｐｕｔｉｎｇｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｍｏｄｅｌ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｋｅｓａｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｌａｎｓｆｏｒｆｕｔｕｒｅ

ｗｏｒｋｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ꢀ ｃｏｍｐｕｔｅｒａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ；ｈｉｅｒａｒｃｈｙｄｅｓｉｇｎ；ＩＣｈｉｎｇ；ｈｉｅｒａｒｃｈｙｏｆＳｉｘＹａｏ；ｍｏｄｅｌ

卦层次模型中发现与之对应的形态和哲学思维．计算机

１ꢀ 引言

体系结构层次设计应是易经这种形态和思维的一种自

然现象和映射对象，利用易经六十四卦层次模型的思

维和学说，可以深化层次模型设计，认识其设计的本质，

建立层次模型体系．

ꢀ ꢀ 易经是中华民族的宝贵文化遗产，它包含上古时

期人们对自然宇宙和人生社会的思想认识、哲学理念

和辩证法，代表了先民哲学地把握宇宙的思维成果．现

代科学的许多重大发现和突破，都可以从易经六十四

计算机体系结构描述了计算机系统的整体设计和结

收稿日期：２０１６⁃０６⁃１２；修回日期：２０１７⁃０２⁃１３；责任编辑：诸叶梅

基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．６１４７２１９９）

电ꢀ ꢀ 子ꢀ ꢀ 学ꢀ ꢀ 报

２０１７年

２５７０

构，整体设计就是不同级别的抽象，隐藏不必要的实现细

节．在广泛的意义上，计算机体系结构是抽象层次的设

计，允许我们使用有效的系统构造技术来完成信息处理

应用的设计．结构设计的核心之一就是它的层次设计，并

通过一些标识方法来标识系统组件之间的连接和交互．

层次设计可以减少设计的复杂性，提高设计和系统的效

率，并能使每个层次可以单独有效的设计和发展．

法上阐述了易经层次模型及相应设计理念学说．

２．１ꢀ 体系结构设计中的层次模型

在计算机体系结构中，技术在以不可预测的速度

发生着改变，但层次模型^［１１］及其设计方法的理念却依

然少有变化．这些层次模型的概念和机制可以帮助我们

更好地管理系统的复杂性，提高系统设计的效率．目前

层次模型包括如下概念和机制：

计算机体系结构层次设计已有了很多研究成果，

Ｄｉｊｋｓｔｒａ开创性地将层次模型应用在计算机操作系统的

设计中，他将操作系统分为六层．在此层次模型中，上层

的设计仅仅依赖于相邻的下层，这样的设计思路可以

循序渐进地完成系统的构建与测试，从而简化整个系

统的设计过程^［１］．国际标准组织ＯＳＩ网络七层协议模型

则是将层次模型运用于网络系统互联的设计中．这种层

次设计的思想简化了问题的复杂性，并且使得每层可

以独立演化，保证整个系统的可演进性^［２］．ＳＯＡ层次模

型^［３］是一种用于创建应用程序的软件架构，这种架构

将一些松耦合的、黑盒式的组件进行组合，发布为明确

定义的服务，继而实现业务流程或服务．当前ＳＤＮ网络

模型将控制层与数据层解耦，使得控制层具有全局的

网络视图，增加网络的灵活性与可编程特性，简化网络

的管理，并且控制层与数据层可以独立演化以适应网

络环境的变化^［４］．云计算是一种计算服务的层次模型，

它将计算服务分为多个层次，引入虚拟管理机制，提升

计算资源的效率，简化资源管理的复杂性^［５］．层次模型

设计的机制也在不断发展，如组件设计^{［６～８］}、覆盖网（ｏ⁃

ｖｅｒｌａｙ）^［９］、跨层设计（ｃｒｏｓｓ⁃ｌａｙｅｒ）^［１０］等．这些系统模型的

发展和进步为计算机体系结构设计带来勃勃生机．但还

存在一些普遍性的问题，缺乏层次设计模型体系和全

面的层次设计指导学说，这方面的研究和探讨很少见．

易经是由六爻符号组成的哲学推理系统，了解其

中六爻层组成规则、经卦间关系，掌握它的推理思维学

说，就能更好地解“易”，从而沟通易经六爻层次模型与

计算机体系结构设计原理之间的联系．本文重点描述了

易经层次模块阴与阳的性质和对应的理念学说，论述

了经卦分层连接关系和六爻的层次模型与理念学说，

拓展了易经层次模型的发展变化，透过ＳＤＮ网络层次

模型和云计算层次模型例子阐明了易经层次模型方法

和推理．

（１）模块：将系统部件分组为相互作用的子系统，

建立模块之间的边界，简化模块之间的相互作用，使模

块具有相对的独立性，可减轻系统的复杂性．

（２）抽象：建立良好的界面，隐藏界面背后部件实

现的细节和信息．减少模块之间的相互作用，简化界面

背后部件的调用．抽象可辅助挖掘个体部件的一致特性

和相互关系，将这类部件特性作为整体表现在界面中．

（３）虚拟：对系统和部件的物理观察转化为逻辑观

察的映射过程，相当于有一个可视界面层，部件在这层

中实现．它包含映射和隔离２种机制：映射将物理部件

映射为逻辑部件并提供对逻辑部件调用的接口和简化

界面，且存在一对多、多对一等多种映射关系；隔离使得

每个逻辑部件能够独立运行和管理．

（４）层次：组织模块进入层次结构，每一个节点标

示一组模块，模块仅能沿着层次链接相互作用．

（５）层：模块、虚拟和抽象所使用的组织技术，对现

存系统生成不同的观察方法．

计算机系统的结构层次可以观察为几个层的抽

象，层次的多少可由层次的划分、抽象和虚拟的粒度以

及循环发展来看待，每个层的抽象应提供灵活、可演进

的接口和界面，并且为相邻层提供有效的功能实现．

２．２ꢀ 易经层次模块阴与阳的性质和对应的理念学说

易经可以看作是一套六十四卦和爻象组成的层次

结构系统，它的哲学理念和描述内容均寓于“ 象数” 层

次结构中．自然界或人类社会中一切相互对立的现象与

事物，都可以用阴阳来表示．阳代表刚健、粗大、动荡、孤

独，阴代表柔顺、细小、静止、双多．从层所包含的模块数

量、层模型所描述系统部件的实施特性与设计理念两

个方面来看，计算机层次设计中也存在着性质相反的

层：包含多个模块和仅包含一个模块的层；随着软件和

环境可柔性改变的层，由协议、标准和规则刚性定义的，

不可随时随地改变的层；描述供给设计的层，描述需求

设计的层．

２ꢀ 层次设计的理念

传统的计算机层次设计仅是模块和层次的堆砌和

连接，易经层次模型可以给理解计算机层次设计的内

涵带来启发．对层阴阳性质的分类可以带来层次模型设

计的深化，认识设计的本质，促进系统设计部件之间的

协调发展；通过对立统一和刚柔相应学说，给出体系结

构层次设计的模型评价．

ꢀ ꢀ 本节从三个方面论述层次设计理念：首先回顾计算

机体系结构设计的相关概念和机制；接着从层次的阴阳

特性本质出发，来探索易经层次模型所对应的理念学说；

最后分成粗细两个层面来观察易经层次，粗为两个经卦

相叠二层模型，细为六爻相叠层次模型，并从层次结构语

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