計算機系統中數據驅動(dòng)的計算及其應用

　　數據驅動(dòng)計算概述

　　計算機體系結構可以分為控制流計算機和數據流計算機?？刂屏饔嬎銠C又稱(chēng)為馮o諾依曼計算機，其程序的運算執行順序是預先設置好的，按照編程者的控制（程序指針）逐條執行?，F在實(shí)際應用的計算機都使用控制流機制，而數據流計算機運算的執行順序取決于數據間的互相依賴(lài)關(guān)系和操作數的有效性，指令間沒(méi)有固定的順序，不需預先設定，更符合人們的思維習慣。

　　數據流計算機又可以分為兩類(lèi)：數據驅動(dòng)和需求驅動(dòng)。數據驅動(dòng)計算機運算執行的順序由輸入數據的有效性決定，需求驅動(dòng)計算機運算執行的順序依賴(lài)于數據的需求。目前絕大多數數據流計算機都采用數據驅動(dòng)計算技術(shù)。

　　數據驅動(dòng)是一種不同于傳統馮o諾依曼結構的先進(jìn)計算結構，可以簡(jiǎn)單方便地挖掘出運算的時(shí)間并行性和空間并行性，不需要程序指針和進(jìn)程調度機制。使用這種非傳統的計算結構將有助于提高系統的安全性和處理能力。

　　如圖1所示，分別用馮o諾依曼計算模型和數據驅動(dòng)計算模型實(shí)現下式的運算：

　　R=frac{AB-CD}{AC+BD}

　　具體實(shí)現如圖1所示：

　　在數據驅動(dòng)概念中，運算單元（如加減乘除等運算）稱(chēng)為節點(diǎn)，連接節點(diǎn)之間的通道稱(chēng)為弧。從圖1可以看出，傳統的馮o諾依曼計算結構使用程序指針控制程序的順序執行；而數據驅動(dòng)計算結構的計算順序只由數據的依賴(lài)關(guān)系決定，只要數據到達就可以進(jìn)行計算，有效地挖掘了程序的時(shí)間并行性和空間并行性，非常適合于并行處理。

　　數據流計算的運算順序不是預先確定的，而是在程序運行時(shí)動(dòng)態(tài)確定，采用運行時(shí)的數據依賴(lài)性作為運算順序的判定機制。所以，數據流計算機沒(méi)有程序指針，而是直接編譯和運行數據流圖。編譯器產(chǎn)生一組操作數；每個(gè)操作的結果有一個(gè)或多個(gè)目的地；只要操作數有效，操作將會(huì )被安排盡快進(jìn)行。

　　數據驅動(dòng)處理器DDMP

　　數據驅動(dòng)處理器是基于數據驅動(dòng)計算模型設計的、內部包含多個(gè)處理單元、使用超長(cháng)自定時(shí)流水線(xiàn)和異步電路結構的并行處理器，具有超強的計算能力和極低的功耗。

　　DDMP內部結構

　　DDMP是Sharp公司開(kāi)發(fā)的一款數據驅動(dòng)處理器，內部結構如圖2所示，包含10個(gè)并行處理單元nPE#0～nPE#9，這些處理單元通過(guò)一個(gè)高速路由器連接起來(lái)，每個(gè)處理單元內部具有40～60級異步流水線(xiàn)，該流水線(xiàn)全部采用自定時(shí)時(shí)鐘機制，該芯片是一個(gè)真正的多處理器系統。

　　DDMP是一款可以商用的處理器，采用0.25μm工藝，性能為8600MOPS，供電電壓為2.5V。在DDMP芯片中，10個(gè)基本數據驅動(dòng)處理單元以線(xiàn)性結構排列，組成多處理單元系統，基本處理單元通過(guò)數據包交換網(wǎng)絡(luò )互連。

　　DDMP中一個(gè)處理單元Nano PE的基本結構圖中，數據首先從處理器的輸入端口進(jìn)入處理器，接著(zhù)發(fā)往合并模塊（M）。到達匹配存儲器（MM）后被暫時(shí)儲存起來(lái)，直到另外一個(gè)操作數到達。如果匹配（另一個(gè)操作數到達），這兩部分會(huì )結合成一個(gè)操作數據包（包括操作碼、目的地、顏色標志和一對操作數），被分發(fā)到適當的功能處理單元（FP）或者算數邏輯單元（ALU）進(jìn)行運算。指定的操作完成后，產(chǎn)生一個(gè)操作結果并送往緩沖存儲器（CPS）。最后，分發(fā)單元（D）按目的地將操作結果分發(fā)到相應的處理器或輸出，并將舊目的地址換成新目的地址。

　　DDMP一個(gè)處理單元的內部各個(gè)模塊（例如MM、FP和CPS）都采用自定時(shí)時(shí)鐘機制，進(jìn)行獨立工作。在數據處理過(guò)程中，不需要任何控制，只需進(jìn)行數據匹配即可。需強調的是在上述實(shí)現中，主要功能（例如MM、FP和CPS）完成的任務(wù)是相互獨立的。所以，在這樣的處理器中，不需要使用集中控制機制來(lái)實(shí)現運算的協(xié)調，不需要定時(shí)器來(lái)保證運算的順序，唯一需要的是各功能模塊中適當的匹配數據速率。

　　DDMP的特點(diǎn)

　　首先，DDMP數據驅動(dòng)處理器內部具有10個(gè)并行的處理單元，具有強大的處理能力，適合圖像處理、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議處理等復雜的應用。

　　其次，DDMP采用異步電路實(shí)現，功耗極低?，F在大部分處理器都使用同步電路實(shí)現，同步系統擁有同一個(gè)時(shí)鐘驅動(dòng)，在電路運行過(guò)程中，即使是暫時(shí)不工作的部分也會(huì )隨著(zhù)時(shí)鐘的翻轉一起消耗能量。而數據驅動(dòng)處理器使用異步電路實(shí)現，沒(méi)有統一的時(shí)鐘，其中的超長(cháng)流水線(xiàn)使用自定時(shí)機制，即保證了高性能，又降低了功耗。

　　另外，DDMP為非馮o諾依曼結構的處理器，其實(shí)現原理與目前廣泛使用的馮·諾依曼結構完全不同，使用專(zhuān)用的指令集、具有獨特的專(zhuān)用開(kāi)發(fā)環(huán)境和圖形化編程語(yǔ)言。其開(kāi)發(fā)方法和過(guò)程與傳統的計算機有本質(zhì)的區別。因此，使用傳統技術(shù)的黑客很難對數據驅動(dòng)計算系統進(jìn)行有效攻擊，從而提高了系統的安全性。

　　開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　對于數據驅動(dòng)計算來(lái)說(shuō)，使用圖形化的編程語(yǔ)言更直觀(guān)、自然，能夠充分體現出運算中的并行性和數據依賴(lài)性。DDMP處理器的程序設計就使用專(zhuān)用的圖形化編程語(yǔ)言，用來(lái)編制各種算法的數據流圖。軟件開(kāi)發(fā)界面如圖3所示，不僅能夠進(jìn)行數據流圖的編制，還可以進(jìn)行程序的編譯、調試和仿真。

　　硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　為了將編制好的數據流圖真正在硬件上調試和實(shí)現，需要有相應的硬件開(kāi)發(fā)平臺。目前，DDMP的硬件開(kāi)發(fā)平臺有兩種，分別基于PCI總線(xiàn)和基于USB接口。DDMP通過(guò)PCI接口或USB接口與計算機通信；可以從計算機給DDMP和FPGA進(jìn)行初始化、下載程序和輸入數據，初始化外部存儲器，并得到硬件輸出的計算結果。

　　在基于PCI總線(xiàn)的開(kāi)發(fā)平臺中，DDMP和兩個(gè)FPGA組成一個(gè)單向的通信環(huán)路，DDMP可以給FPGA1發(fā)送數據，FPGA1可以給FPGA2發(fā)送數據，FPGA2可以給DDMP發(fā)送數據。DDMP、FPGA1和FPGA2分別帶有外部SDRAM；為了提高外部存儲器的訪(fǎng)問(wèn)速度，FPGA配有外部SRAM。

　　基于數據驅動(dòng)計算的防火墻設計

　　數據驅動(dòng)處理器的并行處理能力強、功耗低、安全性高，適用于圖像和視頻等多媒體處理、網(wǎng)絡(luò )安全與協(xié)議處理等運算復雜度和并發(fā)性較高的應用。

　　嵌入式防火墻用于保護主機安全，要求自身安全性高、體積小、功耗低。DDMP可滿(mǎn)足這些要求。

　　嵌入式防火墻的基本結構如圖4所示。首先，進(jìn)入主機的數據包被儲存在緩沖區中；同時(shí)，該數據包的IP頭和TCP/UDP頭被傳送到動(dòng)態(tài)包過(guò)濾功能模塊中處理。在動(dòng)態(tài)包過(guò)濾模塊中，使用TCP頭來(lái)確定該數據包是否屬于一個(gè)新的連接。如果屬于，則在數據表中建立一個(gè)新的連接表項；包分類(lèi)模塊（分類(lèi)器）使用過(guò)濾規則庫檢查該數據包。如果該數據包屬于已有連接，則數據包狀態(tài)檢測器（SPI）檢測該數據包是否為非法狀態(tài)轉移。UDP是一種無(wú)連接協(xié)議，可以使用IP地址和端口號來(lái)建立一個(gè)虛擬連接。因此，對于UDP數據包，SPI會(huì )使主機更安全。對第四層數據包頭部的狀態(tài)檢測之后，只有安全合法的數據包進(jìn)入應用層過(guò)濾器（AF）中，AF檢查數據包的內容，包括URL或者E-mail附件等等。最后，合法的數據包從緩沖區中提取并通過(guò)防火墻。

　　嵌入式防火墻中各模塊的數據依賴(lài)關(guān)系如圖5所示，包括進(jìn)程創(chuàng )建、執行和刪除、分類(lèi)器、數據包狀態(tài)監測器SPI和應用層過(guò)濾器APF、高速數據包緩沖等等。把這些數據流變成數據流圖，裝入DDMP處理器，就是數據驅動(dòng)防火墻系統的設計要點(diǎn)。

　　通過(guò)軟件仿真和硬件測試比較，基于DDMP數據驅動(dòng)處理器的嵌入式防火墻的SPI模塊超過(guò)千兆的包處理能力，可滿(mǎn)足千兆以太網(wǎng)的需求。

　　總結

　　數據驅動(dòng)計算以及數據驅動(dòng)處理器，具有并行性高、處理能力強、功耗低、安全性能好的優(yōu)點(diǎn)，雖然目前還未廣泛使用，但相關(guān)的研究和開(kāi)發(fā)工作一直在進(jìn)行和發(fā)展。本文介紹的DDMP處理器就是基于數據驅動(dòng)原理、采用異步電路和自定時(shí)流水線(xiàn)技術(shù)的多核心處理器，已經(jīng)在圖像處理、網(wǎng)絡(luò )安全等方面取得了較好的研究成果。