维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年６月 石家庄职业技术学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ＪＵＩ１ ２００２ ＶｏＩ．１４ Ｎｏ．２ 第１４卷第２期 文章编号：１００９—４８７３（２００２）０２．００１５－０３ 数据流计算机 一种新型的计算机系统结构模型 尹志宇 ， 姜兴华 ， 张庆秀 （１．河北师范大学物理学院，河北石家庄０５００１６；２．河北师范大学传播学院，河北石家庄０５００９１） 摘 要：介绍了数据流机的数据驱动特征、数据流程图、数据流程序设计语言以及其特殊的系统结构，以期更 多的人了解非冯・诺依曼结构计算机的发展及未来计算机系统结构发展的方向． 关键词：诺依曼计算机；数据流计算机；计算机系统结构 中图分类号：ＴＰ３８７ 文献标识码：Ｂ 从１９４６年第一台电子计算机问世至今，计算机的发展 线），而数据流程序（ｂ）中，只有一条链路，就是本指令的运算 结果指向需要它作为操作数的那条指令． Ｘ ｙ 已经历了５０余年，但是计算机所遵循的基本体系结构始终 是冯・诺依曼机结构．这种结构是把程序和数据存放在共享 存储器内，ＣＰＵ从中取出指令和数据进行相应的运算，由于 存储器的存取速度远低于ＣＰＵ的运算速度，而且每一时刻 只能访问存储器的一个单元，从而大大降低了计算机的运算 速度；另外，指令计数器控制着指令的执行次序，只能串行执 ／＋ ／Ｚ ／ ★ ３ 行，不支持能并行执行指令的并行运算．所以，有关专家学者 对冯－诺依曼机做了很多改革，使计算机系统结构有了很多 新发展，但始终无法克服诺依曼结构的缺陷．于是，他们大胆 地脱离诺依曼机的原有模式，推出了一种新型的计算机系统 结构模型——数据流计算机． １数据驱动特征 程序存储器 数据存储器 程序存储器 （ｂ）数据流程序 （ａ）指令控制流程序 图１ 诺依曼机与数据流机在运行 Ｃ＝（ｘ—ｙ十ｚ）＊３时的区别 ２数据流程图 传统的诺依曼结构计算机的特点是“共享数据，指令控 制”．而数据流计算机，首先，指令之间的数据不是通过共享 众所周知，传统的诺依曼机编程中，程序流程图是很重 要的一个环节，它是程序设计和程序运行的基础；而数据流 计算机的程序流程图——数据流图是数据流机的机器语言． 的存储器进行传递，而是通过一种表示操作数或参数已经准 备就绪的标志——数据令牌来实现传递的，数据直接传送到 享用该数据的有关指令的操作中去；其次，它是数据驱动方 式启动指令的执行，只要某条指令所需的操作数已就绪并已 可用，就可以执行，也就是说数据流计算机中程序不存在固 定的顺序，执行次序仅仅由指令问的数据相关性决定．因此． 只要有足够多的处理单元，就可以充分地实现程序固有的并 行性成分，使并行处理得以更高度的发展．【１ 它可以更恰当的描述数据流程序的方向性，形象地描绘出数 据流计算机的工作原理，所以对于这种机型来说就显得更为 重要．例如，计算Ｃ＝（Ｘ—ｙ十Ｚ）＊（Ｘ—ｙ），用数据流图表 示见图２： 下面就以实例来说明传统诺依曼机与数据流机在程序 运行上的区别：例如，计算Ｃ＝（Ｘ—ｙ＋Ｚ）＊３其中ｎ＝ Ｙ，６＝ｎ＋ ．ｆ＝ｂ＊３ 从图１中可以很明屁的看出，指令控制流程序（ａ）中有 两条链路，一是指令执行顺序（虚线），二是数据存取顺序（实 图２ Ｃ＝（Ｘ一 ＋ｚ）＊（ｘ—ｙ）的数据流图 收稿日期：２００２—０ｌ一２１ 作者简介：尹志宇（１９７０一），女，河北乐亭人，河北师范大学物理学院教师 维普资讯 http://www.cqvip.com 石家庄职业技术学院学报 第１４卷 图中每个节点表示一个操作（运算），节点之间通过有向 弧连接，有向弧表示数据流动的路径和方向，有向弧指向的 目标节点需要有前一个节点的运算结果数据来点火点火规 则如下： （１）节点间所有弧线是ＦＩＦＯ队列．（２）一个节点当它的 各个输入弧含有令牌数目等于执行该指令需要的输入数据 数目时，才能合法执行．（３）当一个节点最终执行时，它读人 数据，然后将数据令牌撤销，并执行操作．（４）节点产生输出 结果，将结果数据令牌放到它的输出弧上．（５）随着数据记号 在节点之间的流动，这一过程持续不断的进行，直至整个程 序运行终止．… ３数据流机的程序设计语言 既然数据流图是数据流机的机器语言，而且它又直观、易 理解，完全可以直接用它来编写数据流机应用程序．但是，从 程序设计者的角度来讲，还是使用高级语言更为方便，而且可 以避免与具体机器结构打交道，提高了编程效率．原则上讲， 高级语言程序通过相应的编译程序都可以变成数据流图，但 是像Ｆ０ＲＴＲＡＮ，ＰＡＳＣＡＬ等这些传统的面向过程的高级语 言，由于缺乏并行性描述，不适于数据流计算方式的要求． 为充分表达计算的并行性，提高数据流程序设计的效 率，必须研制专门的数据流语言．当前已出现的数据流语言 有美国的ＩＤ和ＶＡＬ，英国的ＳＩＳＡＬ，日本的ＥＭＬＩＳＰ等单 赋值语言以及美国的ＨＤＦＬ等函数程序设计语言，这些数据 流语言都具有如下特点：鉴于数据流机的异步性，变量仅有 值的名称，不存在全局变量，并对变量的作用域加以控制；遵 循单赋值规则，即在一个程序中一个变量只允许赋值一次， 不允许同一变量在不同赋值语句的左边出现一次以上；不规 则语句的执行顺序，执行顺序由数据依赖关系决定；在程序 的循环结构中，对循环体要做多次迭代运算，因此需要一种 特殊的处理方式．【２ Ｊ ４数据流计算机的体系结构 上述数据流语言的几个特点充分体现了数据流计算机的 特殊的体系结构．具体的来讲，把这些特点反映到硬件上，由 于对循环迭代的特殊处理，“可重入代码”的不同处理方式，可 把数据流机分为动态系统结构和静态系统结构２大类． 静态数据流计算机中禁止可重入代码的并行处理，只能 串行的调用．其基本特点是数据记号上没有附加的标志，即 在任意给定时问内，在数据流图的一条弧上只允许出现一个 数据记号，只有当指令所在输入弧都已出现了操作数并且其 输出弧上为空时，节点对应的操作才允许点火执行．由于数 据记号上不加标志，节点就无法判断输入弧上的数据是否属 于同一指令，所以在迭代计算机中就需要一个用来区分不同 迭代层次数据的控制记号，同时控制记号又用来确认该节点 输出弧上结果数据已被送走，从而给出该节点允许点火、激 活相应操作的定时信号．这种结构实现起来简单，但了 参考文献： ［１］刘勇，刘恩林．计算机体系结构［Ｍ］．北京：国防科技大学出版 并行性的开拓． 静态系统结构计算机，以Ｄｅｎｎｉｓ静态数据流计算机为 例，其主体结构由５大部分组成：（Ｉ）储存部分：由许多指令 单元组成．（２）处理部件：包括多个处理单元，可以并发执行 点火后的指令．（３）仲裁网络：将点火后的操作包从存储部分 发送到处理部分．（４）控制网络：将处理部分的控制记号发送 到存储部分．（５）分配网络：将处理部分产生的数据记号发送 到存储部分．＿３ 可以想见，以上５部分各自完成自己的相应功能并协调 工作，可以顺利地完成数据流程序的执行，但其并行处理的 局限性是其最大的缺点． 动态数据流计算机允许并发地调用“可重入代码”，完全 弥补了静态机的局限性，其特点是每个数据记号上都带有一 个特定的标志，即属于对一段“可重入代码”的同一次调用的 数据记号标以相同标志，属于不同次调用的数据记号标以不 同的标志．只有当一个节点的各输入弧上的所有数据记号都 已到达，且这些数据记号带有相同的标志，该节点才可以启 动点火．这样，数据流程图中一条弧上就可以同时传送几个 数据记号，他们凭各自的标志，互不干扰的驱动自己的操作． 而这样的机器中，就需要匹配部件对具有相同标志的数据记 号进行标志符合的比较，以对需要多个操作数的指令进行数 据令牌合并，并且还需要特殊指令设置或更改数据记号．¨Ｊ 这种结构实现起来比较复杂，典型的动态数据流机基本结构 见图３： 图３动态数据流机基本结构 工作过程为：“指令处理部件”中各处理单元输出的数 据记号送入“匹配部件”的输入池，“匹配部件”将这些数据记 号打上标记，并配成组，临时存储在某一存储空间里，直到指 令的一组数据记号全部配齐，而被激活后，送往“更新／读出 部件”取出这些激活的指令加入已配齐的操作数，再送往“可 执行的指令队列”，然后执行． ５结束语 以数据流计算机为代表的新型计算机系统机构模型是 计算机系统结构技术上的重大突破，大大提高了计算机的并 行处理能力，必将在未来计算机系统结构的研究中占据重要 地位． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 尹志宇等：数据流计算机——一种新型的计算机系统结构模型 大学出版社，２０００ ３４６．３５４． １７ ［２］郑伟民．计算机系统结构［Ｍ］．北京：清华大学出版社，ｌ９９８． ２ｌ １．２４７． ［４］王仁庆．计算机系统结构［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版 社，ｌ９９２ ２２８—２４７． ［３］ 蒋本珊．计算机组成原理与系统结构［Ｍ］北京：北京航空航天 责任编辑：金欣 Ｄａｔａｆｌｏｗ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿——Ａ ｎｅｗ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅ ＹＩＮ Ｚｈｉ—ｙｕ‘， Ｊ ＩＡＮＧ Ｘｉｎｇ—ｈｕａ ， ＺＨＡＮＧ Ｑｉｎｇ—ｘｉｕ （１．Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｈｅｂｅｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈａｎｇ ０５００１６，Ｃｈｉｎａ； ２．ＣｏＨｅｇｅ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｄｖｅｒｔｉｓｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，Ｈｅｂｅｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００９ｌ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄａｔａ ｃｏｎｄｕｃｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｄａｔａｆｌｏｗ ｓｃｈｅｍｅ，ｐｒｏｇｒａｍ ｄｅｓｉｇｎ ｌａｎｇｕａｇｅ ａｎｄ ｓｐｅｃｉａｌ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｄａｔａｆｏｌｗ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｈｏｐｅ ｔｏ ｍａｋｅ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｐｅｏｐｌｅ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｏｎ Ｎｅｕｍａｎｎ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｉｎ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｎｅｕｍａｎｎ ｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｄａｔａｆｌｏｗ ｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ （上接第１４页）但是机器学习到有关知识后，就能以相当快 的速度完成实际计算，甚至不太懂原理，只要给出算法就能 计算． 一一，而如何加强机器学习的研究、提高获取知识的真实性及 机器学到的知识本身的学习，更是重中之重． 通过计算机科学中关于人工智能领域的机器学习方面 个人学到的知识，几乎不能完全传授（复制）给其他 的科学研究过程，阐述了一般基础科学研究的过程，但不同 学科、不同分支研究的过程也不完全一样，而且相当复杂，所 人．人死后，他掌握的一切也随之消失．知识的传授极其困 难．这也是导致学习过程缓慢的原因之一．而机器学到的知 以很难用一个框架概括无余．这里只是大体就研究过程提出 了一个纲要性的步骤，具体到某一个科学问题时，要具体情 况具体分析，切莫一味地追求某一固定程度，而忽略了科学 研究的本质． 识，可以任意复制给另一台机器．这就避免了大量的重复学 习．机器学习是“一次性的”． 是否可以说人类学习虽然慢，却是最有效的学习方法 呢？理解人类学习的机制，仍是人工智能研究的重要目标之 参考文献： ［１］石纯一．人工智能原理［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９３． ［２］ 陆汝玲．人工智能［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９６． ［３］ 国家教委组．自然辩证法［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９１ 责任编辑：金欣 Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｔｕｄｙ ｔｏ“Ｍａｃｈｉｎｅ Ｓｔｕｄｙ” ——ＩＩｌｕｓｔｒａｔｅ ｉｎ ｂｒｉｅｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｓｃｉｅｎｃｅ ｓｔｕｄｙ ＹＡＮＧ Ｓｈｕ—ｙｕａｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｃｈｕｎ—ｆａｎｇ （１．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｎｏｒｔｈ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈｅｂｅｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｌ ｂａｓｉｃ ｓｃｉｅｎｃｅ ｓｔｕｄｙ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ“ｍａｃｈｉｎｅ ｓｔｕｄｙ”ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｆｉｖｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｓｃｉｅｎｃｅ ｓｔｕｄｙ ａｒｅ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉ１．Ｉｎ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ，ｗｈｅｎ ｗｅ ｄｏ ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｗｅ ｓｈｏｕｌｄ’ｔ ｎｅｇｌｅｃｔ ｔｈｅ ｅｓｓｅｎｃｅ ａｎｄ ｓｈｏｕｌｄ ａｎａｌｙｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｂｊｅｃｔｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗａｙｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｃｉｅｎｃｅ ｓｔｕｄｙ；Ｍａｃｈｉｎｅ Ｓｔｕｄｙ；ｐｒｏｃｅｓｓ；ｃｈｏｉｃｅ；ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｃｈｅｃｋ
