計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論文-數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)

數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：摘要：數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的分類(lèi)，工作原理，性能分析，系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)介紹以及DDMP處理器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；需求驅(qū)動(dòng)；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)處理器DDMP；操作碼；運(yùn)算順序;數(shù)據(jù)流圖；中圖分類(lèi)號(hào)：TP302.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言1.1計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)分類(lèi)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)?？刂屏饔?jì)算機(jī)又稱(chēng)為馮?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(lài)關(guān)系和操作數(shù)的有效性，指令間沒(méi)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(jì)算機(jī)分類(lèi)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)又可以分為兩類(lèi)：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(lài)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?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。2數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)工作原理2.1基本工作原理在數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中以“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”方式啟動(dòng)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(jì)算資源就可立即啟動(dòng)執(zhí)行（稱(chēng)為點(diǎn)火）。指令的運(yùn)算結(jié)果又可作為下一條指令的操作數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)該指令的點(diǎn)火執(zhí)行。這就是“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的含義。在數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)模型中不存在共享數(shù)據(jù)，一條指令執(zhí)行后不送存儲(chǔ)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(gè)操作數(shù)經(jīng)過(guò)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(gè)副本，分別供多條指令使用。數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中也不存在指令計(jì)數(shù)器。指令得以啟動(dòng)執(zhí)行的時(shí)機(jī)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(lài)關(guān)系決定。因此，數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)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(dòng)”要求每條指令標(biāo)明其運(yùn)算結(jié)果的流向，也就是指向?qū)⒈局噶畹倪\(yùn)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(jì)算機(jī)中，沒(méi)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(hào)傳遞而不是作為“地址”變量加以訪問(wèn)。因此操作結(jié)果不產(chǎn)生副作用，也不改變機(jī)器狀態(tài)，從而具有純函數(shù)的特點(diǎn)。所有數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)通常與函數(shù)語(yǔ)言有密切的關(guān)系。2.2數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)指令結(jié)構(gòu)及指令的執(zhí)行先來(lái)分析一下數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)：在數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)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(gè)或幾個(gè)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(lái)組成新的數(shù)據(jù)令牌，以便把本指令的運(yùn)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(yùn)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(yùn)算結(jié)果要送往幾個(gè)目的地，則分別形成幾個(gè)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(jì)算機(jī)中允許有多個(gè)操作，包括多個(gè)數(shù)據(jù)令牌同時(shí)在各個(gè)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(jì)算機(jī)中指令的主要組成數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中指令的執(zhí)行過(guò)程在數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)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(gè)操作符、一個(gè)或幾個(gè)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(gè)，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(jì)算機(jī)中的計(jì)算過(guò)程。圖中用符號(hào)()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(jì)算機(jī)中計(jì)算函數(shù)x=(a+b)*(a-b)時(shí)指令的執(zhí)行過(guò)程圖3表示數(shù)據(jù)令牌在指令間傳送的過(guò)程，圖中用“.”表示數(shù)據(jù)令牌。

圖3數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)工作時(shí)的瞬時(shí)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(jì)算機(jī)工作時(shí)的瞬時(shí)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(yùn)算產(chǎn)生結(jié)果止步，3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。3.1DDMP內(nèi)部結(jié)構(gòu)DDMP是Sharp公司開(kāi)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4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(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)。FF，罰DU.I莉葡祁笛攜門(mén)定時(shí)隘楸LFF，罰DU.I莉葡祁笛攜門(mén)定時(shí)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(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(guò)數(shù)據(jù)包交換網(wǎng)絡(luò)互連。DDMP中一個(gè)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(chǔ)器（MM）后被暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的協(xié)調(diào)，不需要定時(shí)器來(lái)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。3.2DDMP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。現(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(guò)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(méi)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?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(zhuān)用的指令集、具有獨(dú)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(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。3.3開(kāi)發(fā)環(huán)境1）軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算來(lái)說(shuō)，使用圖形化的編程語(yǔ)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(lài)性。DDMP處理器的程序設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)流圖。軟件開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)平臺(tái)。目前，DDMP的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)有兩種，分別基于PCI總線和基于USB接口。DDMP通過(guò)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(kāi)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(wèn)速度，F(xiàn)PGA配有外部SRAM。4數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的性能分析目前，數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)及與它相適應(yīng)的函數(shù)語(yǔ)言的研究還處于萌芽階段。雖然數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)計(jì)算的想法早就有人提出，但直到最近幾年才研制出可供實(shí)用的結(jié)構(gòu)模型。人們普遍認(rèn)為，在這個(gè)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(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)在許多方面的性能是優(yōu)于傳統(tǒng)的馮?諾依曼型計(jì)算機(jī)。下面就這個(gè)領(lǐng)域里的研究人員們提出的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，其中的一部分已得到模擬實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。高度并行運(yùn)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(kāi)發(fā)程序中有規(guī)則的并行性，還能開(kāi)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(shí)現(xiàn)無(wú)副作用的純函數(shù)型程序設(shè)計(jì)方法，可以在過(guò)程級(jí)及指令級(jí)充分開(kāi)發(fā)異步并行性，可以把實(shí)際串行的問(wèn)題用簡(jiǎn)單的辦法展開(kāi)成并行問(wèn)題來(lái)計(jì)算。與VLSI技術(shù)相適應(yīng)。雖然數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)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(chǔ)器、數(shù)據(jù)令牌緩沖器及可執(zhí)行指令隊(duì)列緩沖器等存儲(chǔ)部件，可以用VLSI存儲(chǔ)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(yǔ)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(lái)很多困難。而在數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中，執(zhí)行的是純函數(shù)操作，使用函數(shù)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)編程，從含義上取消了“變量”，取消了變量賦值機(jī)制。因而消除了巴科斯所說(shuō)的馮?諾依曼賦值操作的瓶頸口。4.2數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的缺點(diǎn)數(shù)據(jù)流技術(shù)的反對(duì)者們指出數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)在指令級(jí)并行性上有許多潛在問(wèn)題。確切地說(shuō)，上述這些數(shù)據(jù)流技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)實(shí)際上只是理論化的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)模型才具備的。實(shí)際的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)為獲得這些優(yōu)點(diǎn)往往要付出巨大的代價(jià)，從而使得實(shí)際的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)具有許多明顯的不足之處。操作開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大。不能有效利用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的研究成果。數(shù)據(jù)流語(yǔ)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(méi)有一種好的解決辦法。另外，對(duì)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中需要解決的幾個(gè)主要問(wèn)題研制易于使用，易于由硬件實(shí)現(xiàn)的高級(jí)數(shù)據(jù)流語(yǔ)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(jì)出性能價(jià)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(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)，研制智能式數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域里，對(duì)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的硬件和軟件作出性能評(píng)價(jià)，估計(jì)各種系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，包括開(kāi)發(fā)、運(yùn)行及應(yīng)用開(kāi)銷(xiāo)。5結(jié)束語(yǔ)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)是一種不同于傳統(tǒng)馮?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)間并行性和空間并發(fā)性,而且它的運(yùn)算執(zhí)行順序取決于數(shù)據(jù)間的相互依賴(lài)關(guān)系和操作數(shù)的有效性，指令間沒(méi)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(lái)必將得到很廣泛的應(yīng)用。目前相關(guān)的研究和開(kāi)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(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)安全等方面取得了好的較好的研究成果。我們相信，數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)將成為業(yè)界的主流。參考文獻(xiàn)蘇曉華計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算及應(yīng)用.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2008-08-05尹志宇姜興華等數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)一一一種新型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2007-5是兆雄數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī).自動(dòng)化博覽，1992年4期羅四維一個(gè)高速數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu).全國(guó)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議1986DataFlowComputerABSTRACTTheperformanceofDataFlowComputer’sarchitectureisbetterthanVonNeumann’s,anditsmustbeprovideus