计算机系统中数据驱动的计算及其应用

环境

对于数据驱动计算来说，使用图形化的编程语言更直观、自然，能够充分体现出运算中的并行性和数据依赖性。DDMP处理器的程序设计就使用专用的图形化编程语言，用来编制各种算法的数据流图。软件开发界面如图3所示，不仅能够进行数据流图的编制，还可以进行程序的编译、调试和仿真。

3.2 硬件开发环境

为了将编制好的数据流图真正在硬件上调试和实现，需要有相应的硬件开发平台。目前，DDMP的硬件开发平台有两种，分别基于PCI总线和基于USB接口。DDMP通过PCI接口或USB接口与计算机通信；可以从计算机给DDMP和FPGA进行初始化、下载程序和输入数据，初始化外部存储器，并得到硬件输出的计算结果。

在基于PCI总线的开发平台中，DDMP和两个FPGA组成一个单向的通信环路，DDMP可以给FPGA1发送数据，FPGA1可以给FPGA2发送数据，FPGA2可以给DDMP发送数据。DDMP、FPGA1和FPGA2分别带有外部SDRAM；为了提高外部存储器的访问速度，FPGA配有外部SRAM。

4 基于数据驱动计算的防火墙设计

数据驱动处理器的并行处理能力强、功耗低、安全性高，适用于图像和视频等多媒体处理、网络安全与协议处理等运算复杂度和并发性较高的应用。

嵌入式防火墙用于保护主机安全，要求自身安全性高、体积小、功耗低。DDMP可满足这些要求。

嵌入式防火墙的基本结构如图4所示。首先，进入主机的数据包被储存在缓冲区中；同时，该数据包的IP头和TCP/UDP头被传送到动态包过滤功能模块中处理。在动态包过滤模块中，使用TCP头来确定该数据包是否属于一个新的连接。如果属于，则在数据表中建立一个新的连接表项；包分类模块（分类器）使用过滤规则库检查该数据包。如果该数据包属于已有连接，则数据包状态检测器（SPI）检测该数据包是否为非法状态转移。UDP是一种无连接协议，可以使用IP地址和端口号来建立一个虚拟连接。因此，对于UDP数据包，SPI会使主机更安全。对第四层数据包头部的状态检测之后，只有安全合法的数据包进入应用层过滤器（AF）中，AF检查数据包的内容，包括URL或者E-mail附件等等。最后，合法的数据包从缓冲区中提取并通过防火墙。

嵌入式防火墙中各模块的数据依赖关系如图5所示，包括进程创建、执行和删除、分类器、数据包状态监测器SPI和应用层过滤器APF、高速数据包缓冲等等。把这些数据流变成数据流图，装入DDMP处理器，就是数据驱动防火墙系统的设计要点。

通过软件仿真和硬件测试比较，基于DDMP数据驱动处理器的嵌入式防火墙的SPI模块超过千兆的包处理能力，可满足千兆以太网的需求。

5 总结

数据驱动计算以及数据驱动处理器，具有并行性高、处理能力强、功耗低、安全性能好的优点，虽然目前还未广泛使用，但相关的研究和开发工作一直在进行和发展。本文介绍的DDMP处理器就是基于数据驱动原理、采用异步电路和自定时流水线技术的多核心处理器，已经在图像处理、网络安全等方面取得了较好的研究成果。