計算機系統(tǒng)中數(shù)據(jù)驅動的計算及其應用

　　數(shù)據(jù)驅動計算概述

　　計算機體系結構可以分為控制流計算機和數(shù)據(jù)流計算機?？刂屏饔嬎銠C又稱為馮o諾依曼計算機，其程序的運算執(zhí)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(zhí)行?，F(xiàn)在實際應用的計算機都使用控制流機制，而數(shù)據(jù)流計算機運算的執(zhí)行順序取決于數(shù)據(jù)間的互相依賴關系和操作數(shù)的有效性，指令間沒有固定的順序，不需預先設定，更符合人們的思維習慣。

　　數(shù)據(jù)流計算機又可以分為兩類：數(shù)據(jù)驅動和需求驅動。數(shù)據(jù)驅動計算機運算執(zhí)行的順序由輸入數(shù)據(jù)的有效性決定，需求驅動計算機運算執(zhí)行的順序依賴于數(shù)據(jù)的需求。目前絕大多數(shù)數(shù)據(jù)流計算機都采用數(shù)據(jù)驅動計算技術。

　　數(shù)據(jù)驅動是一種不同于傳統(tǒng)馮o諾依曼結構的先進計算結構，可以簡單方便地挖掘出運算的時間并行性和空間并行性，不需要程序指針和進程調度機制。使用這種非傳統(tǒng)的計算結構將有助于提高系統(tǒng)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(shù)據(jù)驅動計算模型實現(xiàn)下式的運算：

　　R=frac{AB-CD}{AC+BD}

　　具體實現(xiàn)如圖1所示：

　　在數(shù)據(jù)驅動概念中，運算單元（如加減乘除等運算）稱為節(jié)點，連接節(jié)點之間的通道稱為弧。從圖1可以看出，傳統(tǒng)的馮o諾依曼計算結構使用程序指針控制程序的順序執(zhí)行；而數(shù)據(jù)驅動計算結構的計算順序只由數(shù)據(jù)的依賴關系決定，只要數(shù)據(jù)到達就可以進行計算，有效地挖掘了程序的時間并行性和空間并行性，非常適合于并行處理。

　　數(shù)據(jù)流計算的運算順序不是預先確定的，而是在程序運行時動態(tài)確定，采用運行時的數(shù)據(jù)依賴性作為運算順序的判定機制。所以，數(shù)據(jù)流計算機沒有程序指針，而是直接編譯和運行數(shù)據(jù)流圖。編譯器產生一組操作數(shù)；每個操作的結果有一個或多個目的地；只要操作數(shù)有效，操作將會被安排盡快進行。

　　數(shù)據(jù)驅動處理器DDMP

　　數(shù)據(jù)驅動處理器是基于數(shù)據(jù)驅動計算模型設計的、內部包含多個處理單元、使用超長自定時流水線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公司開發(fā)的一款數(shù)據(jù)驅動處理器，內部結構如圖2所示，包含10個并行處理單元nPE#0～nPE#9，這些處理單元通過一個高速路由器連接起來，每個處理單元內部具有40～60級異步流水線，該流水線全部采用自定時時鐘機制，該芯片是一個真正的多處理器系統(tǒng)。

　　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個基本數(shù)據(jù)驅動處理單元以線性結構排列，組成多處理單元系統(tǒng)，基本處理單元通過數(shù)據(jù)包交換網絡互連。

　　DDMP中一個處理單元Nano PE的基本結構圖中，數(shù)據(jù)首先從處理器的輸入端口進入處理器，接著發(fā)往合并模塊（M）。到達匹配存儲器（MM）后被暫時儲存起來，直到另外一個操作數(shù)到達。如果匹配（另一個操作數(shù)到達），這兩部分會結合成一個操作數(shù)據(jù)包（包括操作碼、目的地、顏色標志和一對操作數(shù)），被分發(fā)到適當?shù)墓δ芴幚韱卧‵P）或者算數(shù)邏輯單元（ALU）進行運算。指定的操作完成后，產生一個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一個處理單元的內部各個模塊（例如MM、FP和CPS）都采用自定時時鐘機制，進行獨立工作。在數(shù)據(jù)處理過程中，不需要任何控制，只需進行數(shù)據(jù)匹配即可。需強調的是在上述實現(xiàn)中，主要功能（例如MM、FP和CPS）完成的任務是相互獨立的。所以，在這樣的處理器中，不需要使用集中控制機制來實現(xiàn)運算的協(xié)調，不需要定時器來保證運算的順序，唯一需要的是各功能模塊中適當?shù)钠ヅ鋽?shù)據(jù)速率。

　　DDMP的特點

　　首先，DDMP數(shù)據(jù)驅動處理器內部具有10個并行的處理單元，具有強大的處理能力，適合圖像處理、網絡協(xié)議處理等復雜的應用。

　　其次，DDMP采用異步電路實現(xiàn)，功耗極低?，F(xiàn)在大部分處理器都使用同步電路實現(xiàn)，同步系統(tǒng)擁有同一個時鐘驅動，在電路運行過程中，即使是暫時不工作的部分也會隨著時鐘的翻轉一起消耗能量。而數(shù)據(jù)驅動處理器使用異步電路實現(xiàn)，沒有統(tǒng)一的時鐘，其中的超長流水線使用自定時機制，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，其實現(xiàn)原理與目前廣泛使用的馮·諾依曼結構完全不同，使用專用的指令集、具有獨特的專用開發(fā)環(huán)境和圖形化編程語言。其開發(fā)方法和過程與傳統(tǒng)的計算機有本質的區(qū)別。因此，使用傳統(tǒng)技術的黑客很難對數(shù)據(jù)驅動計算系統(tǒng)進行有效攻擊，從而提高了系統(tǒng)的安全性。

　　開發(fā)環(huán)境

　　軟件開發(fā)環(huán)境

　　對于數(shù)據(jù)驅動計算來說，使用圖形化的編程語言更直觀、自然，能夠充分體現(xiàn)出運算中的并行性和數(shù)據(jù)依賴性。DDMP處理器的程序設計就使用專用的圖形化編程語言，用來編制各種算法的數(shù)據(jù)流圖。軟件開發(fā)界面如圖3所示，不僅能夠進行數(shù)據(jù)流圖的編制，還可以進行程序的編譯、調試和仿真。

　　硬件開發(fā)環(huán)境

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

　　在基于PCI總線的開發(fā)平臺中，DDMP和兩個FPGA組成一個單向的通信環(huán)路，DDMP可以給FPGA1發(fā)送數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA1可以給FPGA2發(fā)送數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA2可以給DDMP發(fā)送數(shù)據(jù)。DDMP、FPGA1和FPGA2分別帶有外部SDRAM；為了提高外部存儲器的訪問速度，F(xiàn)PGA配有外部SRAM。

　　基于數(shù)據(jù)驅動計算的防火墻設計

　　數(shù)據(jù)驅動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、網絡安全與協(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可滿足這些要求。

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

　　嵌入式防火墻中各模塊的數(shù)據(jù)依賴關系如圖5所示，包括進程創(chuàng)建、執(zhí)行和刪除、分類器、數(shù)據(jù)包狀態(tài)監(jiān)測器SPI和應用層過濾器APF、高速數(shù)據(jù)包緩沖等等。把這些數(shù)據(jù)流變成數(shù)據(jù)流圖，裝入DDMP處理器，就是數(shù)據(jù)驅動防火墻系統(tǒng)的設計要點。

　　通過軟件仿真和硬件測試比較，基于DDMP數(shù)據(jù)驅動處理器的嵌入式防火墻的SPI模塊超過千兆的包處理能力，可滿足千兆以太網的需求。

　　總結

　　數(shù)據(jù)驅動計算以及數(shù)據(jù)驅動處理器，具有并行性高、處理能力強、功耗低、安全性能好的優(yōu)點，雖然目前還未廣泛使用，但相關的研究和開發(fā)工作一直在進行和發(fā)展。本文介紹的DDMP處理器就是基于數(shù)據(jù)驅動原理、采用異步電路和自定時流水線技術的多核心處理器，已經在圖像處理、網絡安全等方面取得了較好的研究成果。