[发明专利]动态数据流结构中存储-匹配-转发单元电路

说明书

技术领域

本发明属于采用数据流结构的专用集成电路领域

背景技术

1.数据流图和数据流结构电路

数据流图由节点和有向线段组成，典型的数据流图如图1所示。当一 个算法用数据流图表示时，节点代表了某一个操作，如加法；有向线段代 表了数据的流向，表示了数据流图中各个操作间的数据依赖关系。下面介 绍数据依赖关系的概念。对于一个算法，存在一系列操作，假设操作A的 输出是操作B的输入，则B与A就存在数据依赖关系，B必须在A执行 后才能执行。数据流图中操作的执行顺序是由依赖关系决定的。

一个算法的数据流图可以直接映射成为电路，节点映射成硬件计算单 元，有向线段映射成为硬件单元之间通信的通路，按照这种方法映射成的 电路是数据流结构电路。数据流结构电路中，单元之间传递的数据被称作 “令牌”，一个令牌是服从一定格式的定长二进制串，每一位有特定的含义。 例如，下面给出的一个令牌就包含了数据域、源地址、目标地址3个域， 它们在令牌中的位置为：低32位是数据域；第37位到第35位和第34位 到第32位分别是3位的目标地址和源地址。在数据流结构电路中，一个 计算单元被“激活”——开始处理数据的条件是该操作的所有输入令牌都到 达(即该操作所依赖的运算都已经执行)。计算单元完成运算后将产生的 结果打包成新的令牌传给它的后继操作。控制信息也通过令牌传达——例 如例子中的源地址和目标地址就分别指示了数据的来源和处理后应该发 送的目的地；一些控制命令也被封装成令牌(控制令牌)，传递给被控制 的运算。

数据流电路没有中央控制电路，数据交换具有局域性，相应地，数据 总线和存储单元也是分布式的。数据运算的触发是以操作数令牌是否全部 到达为条件的，属于数据驱动的异步工作。没有数据依赖关系的操作彼此 没有影响，自然地实现并行执行。

综上所述，数据流计算具有并行性、函数性(即每个操作相对独立， 且无关操作可以按任意顺序执行。)、分布性、异步性的特点。

2.异步电路和异步通道

一个异步电路系统，各部分电路之间通过异步传输通道连接。异步传 输通道是对一组信号的抽象：包括一组数据总线和请求、应答信号。异步 系统中各个单元间的通信遵从一种称为“握手协议”的通信协议。

异步集成电路没有时钟，握手协议包含两种控制信号：请求(request) 信号和应答(acknowledge)信号。请求信号启动一个工作，应答信号表示 工作完成。这两个信号可以完成系统中所有运算的时序控制。用电路实现 握手信号，需要把交替出现的请求和应答信号编码成控制线上的电平或电 平变化，下面介绍一种常用的4相位握手协议(见图2)。

请求信号的上升沿通知接收方有数据到达，接收方准备好接受数据后 升高应答信号，表示准备就绪，同时开始读取数据，请求信号又被应答信 号复位，请求信号的下降沿再把应答信号复位，准备接受下一个数据。其 中传输通道上的数据存储在一个锁存器中。(锁存器有一个控制端，当控 制端为低电平时输出随输入变化，当控制端为高时输出端的数据保持不 变。)在4相位握手的异步传输通道中，锁存器的控制端与应答信号相连， 即当应答信号升高后将发送方的数据锁存入锁存器，待一次通信过程结束 后才可以接受输入端的数据。

在异步电路中经常用到一种称为C单元的时序控制电路，此种电路有 2个输入1个输出，一般还有一个复位端，当两个输入全为1时，输出为 1；当两个输入全为0时输出0；当两个输入不同时，输出保持原来的状态。 由C单元实现的4相位握手协议的异步传输通道如图3所示。

3.令牌暂存-匹配-发射结构

数据流计算的内容就是对于令牌的处理，具体包括令牌的创建(发 射)、解析、处理，以及令牌的暂存和各个令牌的匹配。对于多个操作数 的操作，各个操作数的令牌往往不是同时到达，因此需要一个暂存单元把 到达的令牌暂存起来，然后对所有已到达的令牌进行“匹配”，当发现一对 (或多个)就绪的操作数令牌就打包成新的令牌发射到处理单元。

李翔宇在其博士论文《密码集成电路的非算法抗功耗分析设计方法研 究》中提出了一种实现上述令牌暂存匹配和转发功能的结构，称之为令牌 暂存-匹配-发射结构，简称作HMF单元。