計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算及其應(yīng)用

　　數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算概述

　　計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可以分為控制流計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)。控制流計(jì)算機(jī)又稱為馮o諾依曼計(jì)算機(jī)，其程序的運(yùn)算執(zhí)行順序是預(yù)先設(shè)置好的，按照編程者的控制（程序指針）逐條執(zhí)行?，F(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算機(jī)都使用控制流機(jī)制，而數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)運(yùn)算的執(zhí)行順序取決于數(shù)據(jù)間的互相依賴關(guān)系和操作數(shù)的有效性，指令間沒有固定的順序，不需預(yù)先設(shè)定，更符合人們的思維習(xí)慣。

　　數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)又可以分為兩類：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和需求驅(qū)動(dòng)。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算執(zhí)行的順序由輸入數(shù)據(jù)的有效性決定，需求驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)運(yùn)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(jì)算機(jī)都采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算技術(shù)。

　　數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)是一種不同于傳統(tǒng)馮o諾依曼結(jié)構(gòu)的先進(jìn)計(jì)算結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)單方便地挖掘出運(yùn)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(diào)度機(jī)制。使用這種非傳統(tǒng)的計(jì)算結(jié)構(gòu)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(jì)算模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)下式的運(yùn)算：

　　R=frac{AB-CD}{AC+BD}

　　具體實(shí)現(xiàn)如圖1所示：

　　在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)概念中，運(yùn)算單元（如加減乘除等運(yùn)算）稱為節(jié)點(diǎn)，連接節(jié)點(diǎn)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(jì)算結(jié)構(gòu)使用程序指針控制程序的順序執(zhí)行；而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算結(jié)構(gòu)的計(jì)算順序只由數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系決定，只要數(shù)據(jù)到達(dá)就可以進(jìn)行計(jì)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(shù)據(jù)流計(jì)算的運(yùn)算順序不是預(yù)先確定的，而是在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)確定，采用運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)依賴性作為運(yùn)算順序的判定機(jī)制。所以，數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)沒有程序指針，而是直接編譯和運(yùn)行數(shù)據(jù)流圖。編譯器產(chǎn)生一組操作數(shù)；每個(gè)操作的結(jié)果有一個(gè)或多個(gè)目的地；只要操作數(shù)有效，操作將會(huì)被安排盡快進(jìn)行。

　　數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)處理器DDMP

　　數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)處理器是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算模型設(shè)計(jì)的、內(nèi)部包含多個(gè)處理單元、使用超長(zhǎng)自定時(shí)流水線和異步電路結(jié)構(gòu)的并行處理器，具有超強(qiáng)的計(jì)算能力和極低的功耗。

　　DDMP內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　DDMP是Sharp公司開發(fā)的一款數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)處理器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含10個(gè)并行處理單元nPE#0～nPE#9，這些處理單元通過一個(gè)高速路由器連接起來，每個(gè)處理單元內(nèi)部具有40～60級(jí)異步流水線，該流水線全部采用自定時(shí)時(shí)鐘機(jī)制，該芯片是一個(gè)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(gè)基本數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)處理單元以線性結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)互連。

　　DDMP中一個(gè)處理單元Nano PE的基本結(jié)構(gòu)圖中，數(shù)據(jù)首先從處理器的輸入端口進(jìn)入處理器，接著發(fā)往合并模塊（M）。到達(dá)匹配存儲(chǔ)器（MM）后被暫時(shí)儲(chǔ)存起來，直到另外一個(gè)操作數(shù)到達(dá)。如果匹配（另一個(gè)操作數(shù)到達(dá)），這兩部分會(huì)結(jié)合成一個(gè)操作數(shù)據(jù)包（包括操作碼、目的地、顏色標(biāo)志和一對(duì)操作數(shù)），被分發(fā)到適當(dāng)?shù)墓δ芴幚韱卧‵P）或者算數(shù)邏輯單元（ALU）進(jìn)行運(yùn)算。指定的操作完成后，產(chǎn)生一個(gè)操作結(jié)果并送往緩沖存儲(chǔ)器（CPS）。最后，分發(fā)單元（D）按目的地將操作結(jié)果分發(fā)到相應(yīng)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(nèi)部各個(gè)模塊（例如MM、FP和CPS）都采用自定時(shí)時(shí)鐘機(jī)制，進(jìn)行獨(dú)立工作。在數(shù)據(jù)處理過程中，不需要任何控制，只需進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配即可。需強(qiáng)調(diào)的是在上述實(shí)現(xiàn)中，主要功能（例如MM、FP和CPS）完成的任務(wù)是相互獨(dú)立的。所以，在這樣的處理器中，不需要使用集中控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的協(xié)調(diào)，不需要定時(shí)器來保證運(yùn)算的順序，唯一需要的是各功能模塊中適當(dāng)?shù)钠ヅ鋽?shù)據(jù)速率。

　　DDMP的特點(diǎn)

　　首先，DDMP數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)處理器內(nèi)部具有10個(gè)并行的處理單元，具有強(qiáng)大的處理能力，適合圖像處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理等復(fù)雜的應(yīng)用。

　　其次，DDMP采用異步電路實(shí)現(xiàn)，功耗極低?，F(xiàn)在大部分處理器都使用同步電路實(shí)現(xiàn)，同步系統(tǒng)擁有同一個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，在電路運(yùn)行過程中，即使是暫時(shí)不工作的部分也會(huì)隨著時(shí)鐘的翻轉(zhuǎn)一起消耗能量。而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)處理器使用異步電路實(shí)現(xiàn)，沒有統(tǒng)一的時(shí)鐘，其中的超長(zhǎng)流水線使用自定時(shí)機(jī)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(jié)構(gòu)的處理器，其實(shí)現(xiàn)原理與目前廣泛使用的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)完全不同，使用專用的指令集、具有獨(dú)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(jì)算機(jī)有本質(zhì)的區(qū)別。因此，使用傳統(tǒng)技術(shù)的黑客很難對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)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(duì)于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)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(yùn)算中的并行性和數(shù)據(jù)依賴性。DDMP處理器的程序設(shè)計(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)流圖的編制，還可以進(jìn)行程序的編譯、調(diào)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(diào)試和實(shí)現(xiàn)，需要有相應(yīng)的硬件開發(fā)平臺(tái)。目前，DDMP的硬件開發(fā)平臺(tái)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(jì)算機(jī)通信；可以從計(jì)算機(jī)給DDMP和FPGA進(jìn)行初始化、下載程序和輸入數(shù)據(jù)，初始化外部存儲(chǔ)器，并得到硬件輸出的計(jì)算結(jié)果。

　　在基于PCI總線的開發(fā)平臺(tái)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(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(chǔ)器的訪問速度，F(xiàn)PGA配有外部SRAM。

　　基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算的防火墻設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)處理器的并行處理能力強(qiáng)、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(yùn)算復(fù)雜度和并發(fā)性較高的應(yīng)用。

　　嵌入式防火墻用于保護(hù)主機(jī)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(jié)構(gòu)如圖4所示。首先，進(jìn)入主機(jī)的數(shù)據(jù)包被儲(chǔ)存在緩沖區(qū)中；同時(shí)，該數(shù)據(jù)包的IP頭和TCP/UDP頭被傳送到動(dòng)態(tài)包過濾功能模塊中處理。在動(dòng)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(gè)新的連接。如果屬于，則在數(shù)據(jù)表中建立一個(gè)新的連接表項(xiàng)；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(cè)器（SPI）檢測(cè)該數(shù)據(jù)包是否為非法狀態(tài)轉(zhuǎn)移。UDP是一種無連接協(xié)議，可以使用IP地址和端口號(hào)來建立一個(gè)虛擬連接。因此，對(duì)于UDP數(shù)據(jù)包，SPI會(huì)使主機(jī)更安全。對(duì)第四層數(shù)據(jù)包頭部的狀態(tài)檢測(cè)之后，只有安全合法的數(shù)據(jù)包進(jìn)入應(yīng)用層過濾器（AF）中，AF檢查數(shù)據(jù)包的內(nèi)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(guān)系如圖5所示，包括進(jìn)程創(chuàng)建、執(zhí)行和刪除、分類器、數(shù)據(jù)包狀態(tài)監(jiān)測(cè)器SPI和應(yīng)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(qū)動(dòng)防火墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

　　通過軟件仿真和硬件測(cè)試比較，基于DDMP數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(wǎng)的需求。

　　總結(jié)

　　數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)處理器，具有并行性高、處理能力強(qiáng)、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(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)原理、采用異步電路和自定時(shí)流水線技術(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。