計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論文-數(shù)據(jù)流計算機

數(shù)據(jù)流計算機班級：學(xué)號：姓名：摘要：數(shù)據(jù)流計算機體系結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的馮?諾依曼式體系結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用前景更加廣泛。本文主要介紹了數(shù)據(jù)流計算機體系結(jié)構(gòu)的分類，工作原理，性能分析，系統(tǒng)的優(yōu)缺點介紹以及DDMP處理器的結(jié)構(gòu)與特點。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)流計算機；數(shù)據(jù)驅(qū)動；需求驅(qū)動；數(shù)據(jù)驅(qū)動處理器DDMP；操作碼；運算順序;數(shù)據(jù)流圖；中圖分類號：TP302.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1引言1.1計算機體系結(jié)構(gòu)分類計算機體系結(jié)構(gòu)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?諾依曼計算機，其程序的運算執(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)在實際應(yīng)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(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。1.2數(shù)據(jù)流計算機分類數(shù)據(jù)流計算機又可以分為兩類：數(shù)據(jù)驅(qū)動和需求驅(qū)動。數(shù)據(jù)驅(qū)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(qū)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(qū)動計算技術(shù)。數(shù)據(jù)驅(qū)動是一種不同于傳統(tǒng)馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的先進(jìn)計算結(jié)構(gòu)，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(jìn)程調(diào)度機制。使用這種非傳統(tǒng)的計算結(jié)構(gòu)將有助于提高系統(tǒng)的安全性和處理能力。2數(shù)據(jù)流計算機工作原理2.1基本工作原理在數(shù)據(jù)流計算機結(jié)構(gòu)中以“數(shù)據(jù)驅(qū)動”方式啟動指令的執(zhí)行。按照這種方式，程序中任一條指令只要其所需的操作數(shù)已經(jīng)全部齊備，且有可使用的計算資源就可立即啟動執(zhí)行（稱為點火）。指令的運算結(jié)果又可作為下一條指令的操作數(shù)來驅(qū)動該指令的點火執(zhí)行。這就是“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的含義。在數(shù)據(jù)流計算機模型中不存在共享數(shù)據(jù)，一條指令執(zhí)行后不送存儲器保存，以供其他指令共享，而是直接流向需要該結(jié)果的指令，作為新的操作數(shù)供下一條指令使用，每個操作數(shù)經(jīng)過指令的一次使用后便消失。如果若干條指令要求使用相同的數(shù)據(jù)，那么就需要事先復(fù)制該數(shù)據(jù)的若十個副本，分別供多條指令使用。數(shù)據(jù)流計算機中也不存在指令計數(shù)器。指令得以啟動執(zhí)行的時機取決于操作數(shù)具備與否。程序中各條指令的執(zhí)行順序僅僅由指令間的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系決定。因此，數(shù)據(jù)流計算機中指令的執(zhí)行是異步并發(fā)地進(jìn)行的。在數(shù)據(jù)流程序中，由于“數(shù)據(jù)驅(qū)動”要求每條指令標(biāo)明其運算結(jié)果的流向，也就是指向?qū)⒈局噶畹倪\算結(jié)果作為操作數(shù)的那條目標(biāo)指令。因此數(shù)據(jù)流程序中只有一條鏈路，即各條指令中指向目標(biāo)指令的指針。在數(shù)據(jù)流計算機中，沒有變量的概念，也不設(shè)置狀態(tài)，在指令間直接傳送數(shù)據(jù)，操作數(shù)直接以“令牌”（Token）或“數(shù)值”的記號傳遞而不是作為“地址”變量加以訪問。因此操作結(jié)果不產(chǎn)生副作用，也不改變機器狀態(tài)，從而具有純函數(shù)的特點。所有數(shù)據(jù)流計算機通常與函數(shù)語言有密切的關(guān)系。2.2數(shù)據(jù)流計算機指令結(jié)構(gòu)及指令的執(zhí)行先來分析一下數(shù)據(jù)流計算機的指令系統(tǒng)：在數(shù)據(jù)流計算機中，一條指令主要有操作包(OperationPacket)和數(shù)據(jù)令牌(DataToken)兩部分組成，如圖1(a)所示。其中，操作包由操作碼(OperationCode)，一個或幾個源操作數(shù)(SourceData)及后繼指令地址(NextAddress)等等組成，如圖1(b)所示。這里的后繼指令地址用來組成新的數(shù)據(jù)令牌，以便把本指令的運算結(jié)果送往需要它的目標(biāo)指令中去。數(shù)據(jù)令牌通常有結(jié)果數(shù)值和目標(biāo)地址等組成。其中的結(jié)果值是上條指令的運算結(jié)果，而目標(biāo)地址直接取自上條指令的后繼指令地址，如圖1(c)所示。如果一條指令的運算結(jié)果要送往幾個目的地，則分別形成幾個數(shù)據(jù)令牌。由圖1所示指令結(jié)構(gòu)可以看出，在數(shù)據(jù)流計算機中允許有多個操作，包括多個數(shù)據(jù)令牌同時在各個操作部件之間傳送，允許有多條指令并行執(zhí)行。圖1數(shù)據(jù)流計算機中指令的主要組成數(shù)據(jù)流計算機中指令的執(zhí)行過程在數(shù)據(jù)流計算機中，用數(shù)據(jù)令牌傳送數(shù)據(jù)并激活指令，用一種有向圖表示數(shù)據(jù)流程序。一條指令主要由一個操作符、一個或幾個操作數(shù)及后繼指令地址組成，后繼指令地址也可能有幾個，它的作用是把本命令的執(zhí)行結(jié)果送往需要它的指令中。圖2表示函數(shù)x=(a+b)X(a-b)在數(shù)據(jù)流計算機中的計算過程。圖中用符號()表示數(shù)據(jù)令牌所攜帶的操作數(shù)。圖2在數(shù)據(jù)流計算機中計算函數(shù)x=(a+b)*(a-b)時指令的執(zhí)行過程圖3表示數(shù)據(jù)令牌在指令間傳送的過程，圖中用“.”表示數(shù)據(jù)令牌。

圖3數(shù)據(jù)流計算機工作時的瞬時狀態(tài)圖圖3中，第一步，數(shù)據(jù)令牌()=a,()=b;第二步，指令k、k+1被激活并行執(zhí)行，圖3數(shù)據(jù)流計算機工作時的瞬時狀態(tài)圖圖3中，第一步，數(shù)據(jù)令牌()=a,()=b;第二步，指令k、k+1被激活并行執(zhí)行，產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù)送下一條指令、第三步，指令k+2被激活，進(jìn)行乘法運算產(chǎn)生結(jié)果止步，3數(shù)據(jù)驅(qū)動處理器DDMP數(shù)據(jù)驅(qū)動處理器是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動計算模型設(shè)計的、內(nèi)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(jié)構(gòu)的并行處理器，具有超強的計算能力和極低的功耗。3.1DDMP內(nèi)部結(jié)構(gòu)DDMP是Sharp公司開發(fā)的一款數(shù)據(jù)驅(qū)動處理器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4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(nèi)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)。FF，罰DU.I莉葡祁笛攜門定時隘楸LFF，罰DU.I莉葡祁笛攜門定時隘楸LNoit..1PEDDMP是一款可以商用的處理器，采用0.25〃m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(qū)動處理單元以線性結(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中一個處理單元NanoPE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)匹配存儲器（MM）后被暫時儲存起來，直到另外一個操作數(shù)到達(dá)。如果匹配（另一個操作數(shù)到達(dá)），這兩部分會結(jié)合成一個操作數(shù)據(jù)包（包括操作碼、目的地、顏色標(biāo)志和一對操作數(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)行運算。指定的操作完成后，產(chǎn)生一個操作結(jié)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(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一個處理單元的內(nèi)部各個模塊（例如MM、FP和CPS）都采用自定時時鐘機制，進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)匹配即可。需強調(diào)的是在上述實現(xiàn)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實現(xiàn)運算的協(xié)調(diào)，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(dāng)?shù)钠ヅ鋽?shù)據(jù)速率。3.2DDMP的特點首先，DDMP數(shù)據(jù)驅(qū)動處理器內(nèi)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理等復(fù)雜的應(yīng)用。其次，DDMP采用異步電路實現(xiàn)，功耗極低。現(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(qū)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(zhuǎn)一起消耗能量。而數(shù)據(jù)驅(qū)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?諾依曼結(jié)構(gòu)的處理器，其實現(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(zhì)的區(qū)別。因此，使用傳統(tǒng)技術(shù)的黑客很難對數(shù)據(jù)驅(qū)動計算系統(tǒng)進(jìn)行有效攻擊，從而提高了系統(tǒng)的安全性。3.3開發(fā)環(huán)境1）軟件開發(fā)環(huán)境對于數(shù)據(jù)驅(qū)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(shè)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(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。2）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)試和實現(xiàn)，需要有相應(yīng)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(jìn)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(jié)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。4數(shù)據(jù)流計算機的性能分析目前，數(shù)據(jù)流計算機及與它相適應(yīng)的函數(shù)語言的研究還處于萌芽階段。雖然數(shù)據(jù)流驅(qū)動計算的想法早就有人提出，但直到最近幾年才研制出可供實用的結(jié)構(gòu)模型。人們普遍認(rèn)為，在這個領(lǐng)域應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行研究和探討。4.1數(shù)據(jù)流計算機的優(yōu)點數(shù)據(jù)流計算機在許多方面的性能是優(yōu)于傳統(tǒng)的馮?諾依曼型計算機。下面就這個領(lǐng)域里的研究人員們提出的優(yōu)點進(jìn)行歸納總結(jié)，其中的一部分已得到模擬實驗的驗證。高度并行運算。數(shù)據(jù)流方法本身就已經(jīng)體現(xiàn)了操作的高度并行性。它不僅能開發(fā)程序中有規(guī)則的并行性，還能開發(fā)程序中任意的并行性。流水線異步操作。由于在指令中直接使用數(shù)值本身，而不是使用存放數(shù)值的地址，從而能實現(xiàn)無副作用的純函數(shù)型程序設(shè)計方法，可以在過程級及指令級充分開發(fā)異步并行性，可以把實際串行的問題用簡單的辦法展開成并行問題來計算。與VLSI技術(shù)相適應(yīng)。雖然數(shù)據(jù)流計算機的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是它的基本組成具有模塊性和均勻性，其中的指令存儲器、數(shù)據(jù)令牌緩沖器及可執(zhí)行指令隊列緩沖器等存儲部件，可以用VLSI存儲陣列均勻地構(gòu)成。有利于提高軟件生產(chǎn)能力。在傳統(tǒng)語言如Fortran、Pascal等中，由于大量使用全局變量和同義名變量而產(chǎn)生副作用，給軟件的生產(chǎn)和調(diào)試帶來很多困難。而在數(shù)據(jù)流計算機中，執(zhí)行的是純函數(shù)操作，使用函數(shù)程序設(shè)計語言來編程，從含義上取消了“變量”，取消了變量賦值機制。因而消除了巴科斯所說的馮?諾依曼賦值操作的瓶頸口。4.2數(shù)據(jù)流計算機的缺點數(shù)據(jù)流技術(shù)的反對者們指出數(shù)據(jù)流計算機在指令級并行性上有許多潛在問題。確切地說，上述這些數(shù)據(jù)流技術(shù)的優(yōu)點實際上只是理論化的數(shù)據(jù)流計算機模型才具備的。實際的數(shù)據(jù)流計算機為獲得這些優(yōu)點往往要付出巨大的代價，從而使得實際的數(shù)據(jù)流計算機具有許多明顯的不足之處。操作開銷過大。不能有效利用傳統(tǒng)計算機的研究成果。數(shù)據(jù)流語言尚不完善。在數(shù)據(jù)流程序中由于引入了大量隱含的并行性，使得程序的調(diào)試工作變得非常困難。直到目前還沒有一種好的解決辦法。另外，對數(shù)據(jù)流計算機操作系統(tǒng)的研究還很少，在這一方面的研究還很不成熟。4.3數(shù)據(jù)流計算機設(shè)計中需要解決的幾個主要問題研制易于使用，易于由硬件實現(xiàn)的高級數(shù)據(jù)流語言。程序如何分解并如何把程序模塊分配給各處理部件。設(shè)計出性能價格比高的信息包交換網(wǎng)絡(luò)，以支持資源仲裁和令牌分配等大量通信工作。對靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)流計算機，研制智能式數(shù)據(jù)驅(qū)動機構(gòu)。在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域里，對數(shù)據(jù)流計算機的硬件和軟件作出性能評價，估計各種系統(tǒng)開銷，包括開發(fā)、運行及應(yīng)用開銷。5結(jié)束語數(shù)據(jù)流計算機是一種不同于傳統(tǒng)馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的先進(jìn)計算結(jié)構(gòu)，可以簡單方便地挖掘出運算的時間并行性和空間并發(fā)性,而且它的運算執(zhí)行順序取決于數(shù)據(jù)間的相互依賴關(guān)系和操作數(shù)的有效性，指令間沒有固定的順序,不需要預(yù)先設(shè)定，這符合于人們的思維習(xí)慣，因此未來必將得到很廣泛的應(yīng)用。目前相關(guān)的研究和開發(fā)工作一直在進(jìn)行和發(fā)展，文中介紹到的DDMP處理器就是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動原理，采用異步電路和自定時流水線技術(shù)的多核心處理器，已經(jīng)在圖像處理、網(wǎng)絡(luò)安全等方面取得了好的較好的研究成果。我們相信，數(shù)據(jù)流計算機將成為業(yè)界的主流。參考文獻(xiàn)蘇曉華計算機系統(tǒng)中數(shù)據(jù)驅(qū)動的計算及應(yīng)用.計算機技術(shù)與發(fā)展,2008-08-05尹志宇姜興華等數(shù)據(jù)流計算機一一一種新型的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2007-5是兆雄數(shù)據(jù)流計算機.自動化博覽，1992年4期羅四維一個高速數(shù)據(jù)流計算機結(jié)構(gòu).全國計算機體系結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議1986DataFlowComputerABSTRACTTheperformanceofDataFlowComputer’sarchitectureisbetterthanVonNeumann’s,anditsmustbeprovideus