數(shù)據(jù)驅(qū)動計(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)�？刂屏饔�(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)動和需求驅(qū)動。數(shù)據(jù)驅(qū)動計(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)動計(jì)算技術(shù)。

　　數(shù)據(jù)驅(qū)動是一種不同于傳統(tǒng)馮o諾依曼結(jié)構(gòu)的先進(jìn)計(jì)算結(jié)構(gòu)，可以簡單方便地挖掘出運(yùn)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(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。

　　分別用馮o諾依曼計(jì)算模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)下式的運(yùn)算：

　　r=\frac{ab-cd}{ac+bd}
　　

　　在數(shù)據(jù)驅(qū)動概念中，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)行時動態(tài)確定，采用運(yùn)行時的數(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)；每個操作的結(jié)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(jìn)行。

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(jì)算模型設(shè)計(jì)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(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)動處理器，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(jī)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(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(yùn)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(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)動處理器內(nèi)部具有10個并行的處理單元，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)擁有同一個時鐘驅(qū)動，在電路運(yùn)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(shí)現(xiàn)，沒有統(tǒng)一的時鐘，其中的超長流水線使用自定時機(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)的黑客很難對數(shù)據(jù)驅(qū)動計(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

　　對于數(shù)據(jù)驅(qū)動計(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