专利名称：在冯·诺曼计算机体系下改进数据处理的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机数据处理技术，具体地说，涉及在冯·诺曼计算机体系下实现改进数据处理的系统，更具体地说，涉及在冯·诺曼计算机体系下实现多层次、可扩展、并行数据处理的系统，用于计算机图形图像处理设备，数字通信设备、网络安全设备、视频处理与服务设备和加密解密设备等，提高冯·诺曼体系计算机处理大流量数据能力。
背景技术：
现有计算机体系结构基本上都是冯·诺曼体系结构，数据和指令都存储在读写存储器之中，CPU通过多级总线与多个I/O设备相连，同一总线上的设备共享总线带宽，即同一时刻只能有一个设备独占总线，传送数据。目前最为通用的是PCI总线，广泛的使用在PC，工作站和服务器之中，通过在系统底板上提供PCI插槽，用户可以以插板形式在主系统上增加I/O设备。这种计算机体系与总线结构提供了较大的通用性与灵活性，但随着高速网络环境应用的发展，其缺乏足够的并行处理能力，内存访问速度瓶颈与总线带宽瓶颈等问题逐渐体现出来，导致了其大流量数据处理能力不足。
究其根本原因是冯·诺曼体系结构计算机原理产生于上世纪三、四十年代，其体系结构不足以适应当今高速网络应用环境提出的大流量数据处理要求。而该体系经过数十年发展，积累了大量的可用资源，是人类社会宝贵的财富，新的系统结构不可能抛开原有体系结构另起炉灶。为了解决这个问题，各厂商一方面在原有计算机体系结构本身作改进，设计了多CPU结构计算机结构，但依旧面临着多CPU访问内存速度瓶颈。最近出现了双内存通路技术方案，内存访问速度瓶颈得到一定程度缓解，但依旧没有改变冯·诺曼体系结构计算机缺乏并行处理能力与总线带宽瓶颈问题。各厂商另一方面使用专用插板完成一些大流量数据处理工作，如视频压缩解压缩，数据加密解密等。这在一定程度上增加了冯·诺曼体系计算机并行处理能力。但是目前的插板均是独立工作插板，其数据交换依靠CPU调度，通过系统总线完成。例如，在已有方案基础上，一个完成视频采集压缩网络播放系统，可以通过在原有计算机系统上增加一块视频采集压缩卡，一块网卡来完成。视频采集压缩卡将视频信号采集进来压缩后，通过系统总线将数据传送给CPU处理，CPU将视频数据打包成网络数据包后，通过系统总线传送给网卡，再发送到网络。在这个过程中，视频与网络数据处理依旧需要CPU参与，大量数据传送依旧需要通过系统总线。在这个例子中，CPU需要通过总线接收视频数据并发送打包后的网络数据，系统总线带宽至少需要是接收的视频数据带宽和发送的网络数据带宽之和，而CPU依然需要承担它所不擅长的大流量数据处理，在这过程之中还需要与内存交互大量数据，从而带来了内存访问瓶颈问题。利用现有技术方案实现数据加密传输也面临同样的问题。利用现有技术方案实现数据加密传输可以通过在计算机系统中增加一块加密卡和一块网卡来完成，也可以通过在系统增加一块既有加密功能又有网络传输功能的多功能卡完成。在使用多功能卡来完成加密与传输情况下，在同一块插板上完成加密与网络功能，其层次不清晰，可扩展性弱，如果想在加密层与网络传输层之间增加一个新的功能例如压缩，将难于实现。而现有的应用环境对于系统可扩展性要求较高，如果通过一块加密卡和一块网卡来完成，则需要CPU首先通过系统总线将数据传送到加密卡，加密卡完成数据加密后，再将加密后的数据通过系统总线传送给CPU，CPU完成相应处理后将数据通过系统总线传送给网卡，这同样面临着上个例子中的问题。
综上所述，在当今高速网络环境下，提出一种增加计算机处理大流量数据能力，同时具有高可扩展性，并与原有体系兼容的系统解决方案，是一项迫切的要求。
发明内容
本发明的目的是针对冯·诺曼计算机体系不适合处理大流量数据的问题，提供一种改进的数据处理系统，用于增加计算机处理大流量数据能力，将原有计算机系统通用性强的特点与专用数据处理模块处理性能高的特点结合起来，以适应高速网络应用环境下大数据流量处理要求，实现多层次、可扩展和并行数据处理，同时最大程度与原有计算机体系兼容。
为实现上述目的，本发明数据处理系统根据需要完成的特定功能，在冯·诺曼体系计算机结构中加入多块实现特定功能的插板，固定在计算机底板提供的总线插槽中，每块插板拥有各自的处理单元和内存等器件，能够完成其特定功能，通过标准计算机总线与计算机主系统交互，同时每块插板具有与其相邻两块插板的数据交互接口，可以与其相邻的两块插板传送数据。每块插板并行承担整个功能系统中不同层次的逻辑功能，其插入底板的排列顺序与其承担的逻辑功能层次相对应。
多块插板组成的数据处理系统，参照ISO(国际标准化组织)制定OSI/RM(开放系统互联参考模型)提出的分层次体系结构设计，将需要完成的特定功能划分成为分层次的功能模块，每块插板完成一项功能模块。
每块插板具有两对标准数据发送与接收通路分别与其相邻的插板交换数据。由于分层次设计，每块插板只对上一层插板提供服务，向下一层插板发布命令，即每块插板只与相邻的插板产生数据流，因此只需要使用数据连接线将相邻两块插板之间的数据交换接口相联即可。同时各插板承担相对独立的分层次专门处理任务，可以同时在两个方向上双向收发数据，即一块插板在接受来自下一层插板数据的同时可以向下一层插板发送数据，同时还可以向上一层插板发送数据，并同时接受来自上一层插板的数据。相邻两块插板间数据交换不再依赖于系统总线。插板的高速并行处理能力，不再受制于输出输入带宽限制，从而得以充分发挥出来。同时插板间大量数据流不占用系统总线，不会增加主系统负荷与系统总线占用压力。
由于分层次设计，每块插板只对相邻的上下两块插板提供标准连接接口，从而具有极强的可扩展性。如果需要在两个层次之间增加一项层次功能，只需要将连接两块插板的数据连接线断开，在两块插板间将另一块插板插入底板插槽，将新插入插板上两对数据接口与原来两块插板的响应数据接口相联即可。由于分层次设计，各插板模块并行处理数据，从系统的角度来看，处理的数据流在各插板间流水处理，新增加一个处理模块只要不成为数据处理瓶颈，就不会影响系统数据处理能力。而对于较复杂的一项处理任务可以划分为多个处理模块插板，使其不至于成为数据处理瓶颈。即这种体系结构易于扩展新功能，且扩展功能后不影响整个系统数据处理能力。因此，本发明的数据处理系统是一套完整的层次化并行处理的技术解决方案。
通过结合
对照下面示例性的实施例的详细描述，将更好地理解本发明本身以及最佳的使用模式、进一步的目的及优点。
图1是设置在计算机机箱内的本发明数据处理系统内部结构示意图，为了便于说明，取下了上面板和前面板。
图2是本发明数据处理系统中任一层功能模块插板的总体结构框图。
图3是本发明数据处理系统在网络应用中的工作流程图。
图4是本发明数据处理系统在视频服务器应用中的工作流程图。
具体实施例方式
图1所示为本发明内部结构，将各功能插板插入系统底板标准总线插槽，每块插板都具有与其相邻两块插板间数据交换接口，也都具有与主系统的数据交换接口，相邻两块插板之间通过数据连接线相联接。每块插板实现层次化功能模块，插板插入系统底板插槽排列顺序与所承担的逻辑功能层次顺序相对应，以方便板间互联。
每块插板可以通过但不限于PCI接口(包括PCI-X，Compact PCI接口)，可以通过但不限于插入系统底板PCI插槽的方式与主系统连接(包括通过无源底板与CPU板卡连接)。插板接口可以遵循PCI接口电气规范，PCI接口带宽可以是但不局限于32bit*33M，64bit*33M，64bit*64M，64bit*100M，64bit*133M。插板可以通过但不限于专用PCI桥接芯片驱动PCI接口信号，也可以使用FPGA芯片驱动PCI接口信号。
插板间可以通过但不限于LVDS接口连接，每块插板有两对数据发送与接收通路分别与上一层与下一层插板交换数据。每对数据通路可以包括但不限于一条16bit*125M LVDS发送通路，一条16bit*125M LVDS接收通路以及相应的控制通路。每块插板可以以针孔接插套件形式但不限于针孔接插套件形式提供LVDS物理接口，可以通过符合LVDS规范的连接线将相邻的两块插板连接起来。
其中第一块插板(处于逻辑功能模块最底层)的底层数据接口可以是网络接口或计算机总线接口。最后一块插板(处于逻辑功能模块最高层)的上层数据接口可以是计算机总线接口或网络接口。
每一块插板拥有输出输入接口，处理单元及内存等芯片，是一个完整的数据处理单元，其硬件结构与软件系统需要专门设计，使之最适合于完成所承担的任务。例如对于完成数据加密解密功能的插板，其核心处理器件可以选用FPGA芯片，高速实现加密解密算法；对于完成TCP/IP协议栈功能的插板，其核心处理器件可以选用网络处理芯片；对于完成视频处理的插板，可以选用DSP芯片，配合软件算法实现视频处理。每块插板同时还具有标准的计算机总线接口和插板间数据交换接口，用于和计算机主系统互联，以及插板间互联。同时这种系统通过系统总线与插板间连接线将多块插板与主系统，各插板之间紧密耦合起来，内部组织程度高，具有极高的系统处理能力。特别是每块插板专注于某项特定处理任务，如实现TCP/IP协议栈，数据加解密，视频压缩解压缩，具有专门的硬件体系，在每块插板内突破了内存访问性能瓶颈，插板之间通过专用数据连接相连，突破了数据输出输入带宽瓶颈，其处理能力远超过通用计算机系统。
以一个三块插板系统为例，第一块插板有两个千兆网口，完成TCP/IP协议栈功能，第二块插板完成数据加解密，第三块插板完成数据压缩解压缩之后，将数据与主系统CPU交互。插板之间以16bit*125M宽LVDS接收与发送两个通道相联接。第一块插板具有4G的网络带宽，第一块与第二块插板间具有4G(一个方向16bit*125M＝2G，双向共4G)带宽，第二块插板与第三块插板之间具有4G数据带宽，第三块插板与主系统CPU通过64bit*66M PCI总线连接，具有4G带宽，即具有4G系统总线带宽的系统可以支持4G带宽数据在各插板模块之间传送。如果不使用插板间标准接口互联方式，而以现有系统通过计算机总线连接多块插板间数据传输，则上述例子中需要计算机总线具有12G带宽。一个拥有一块主系统CPU加三块插板的系统具有远远超过四台计算机总和的处理能力。
在这种系统结构中，各插板模块依据任务不同，设计成具有专门的硬件体系，完成高速网络环境下复杂高强度的数据处理，主系统CPU承担管理配置，人机界面，以及传统的处理任务。主系统CPU通过系统总线接口管理配置各插板，接受插板状态信息，并承担部分适于CPU处理的任务。这种体系结构下，通用处理系统(CPU)与专用处理系统(各插板)紧密耦合起来(通过系统总线与插板间连接线)，在获得了极强可扩展性，高处理能力同时，充分利用主系统CPU硬件与软件资源，最大程度与原有系统兼容。
图2所示为本发明中各功能插板的总体结构框图。本实施例的收发数据接口为标准LVDS接口，由下层或下层传送的数据通过板间数据接口进入本层处理单元，本层处理单元通过系统总线(PCI)与计算机CPU通信，经过处理的数据由板间数据接口送入上一层或转发下一层。如果本层为最高层，则无需进行数据的向上层传送而处理后送入CPU处理或发送到网络。如果本层为最低层，则下层数据可以是由网口进入的原始网络数据或来自于CPU的数据。
构筑这种系统完成特定功能时(如网络安全，视频服务，加密解密等)首先分析系统功能，将之划分为易于通过插板模块实现，易于扩展的多层次功能模块。例如划分为网络传输模块，TCP/IP处理模块，压缩解压缩模块，加密解密模块等。
在不同层次功能模块(插板)之间定义服务与数据接口，不同层次模块之间通过最合适的服务与数据接口，交换数据。例如TCP/IP模块可以对上层模块提供“建立连接”，“传送数据”，“断开连接”等服务，并定义相应的数据接口。应注意到上述服务与数据接口是逻辑接口，其物理接口是相对固定的如16位LVDS接口。
如果要在两个层次功能模块之间，增加新的功能模块，而又不改动原有模块设计，可以将这两块插板之间的数据连接线断开，将底层插板向上一层的数据连接线与新插板线向下的数据接口相连，将原来上层插板向下一次层的数据连接线与新插板向上的数据接口相连，新插板在系统总线插槽的插入位置以方便连接为准。必要时改变插板在插槽中的位置，以方便多块插板间连接线连接，鉴于现有操作系统基本上都是即插即用操作系统，能够自动识别出插板位置改变，并相应处理，不需要用户软件做任何改动。在逻辑接口方面，新插入的模块向上的逻辑接口与原有下层模块向上的逻辑接口一致，新模块向下的逻辑接口与与原有上层模块向下的逻辑接口一致。以在TCP/IP模块与其上层模块之间增加一层加密解密功能模块为例，新模块对发送数据流作相应加密解密处理。将接收到的“建立连接”，“断开连接”等控制命令及应答不做处理，直接向前传递给相应模块。而对于传送的数据根据相应的处理规则进行加密解密处理后，再递交给相应的模块。
这样的体系结构，插板间大量数据直接通过板间连接线传送，CPU可以通过系统总线来管理各块插板。系统总线用以传输CPU与第一块或最后一块插板间可能发生的大量数据，以及CPU与各插板间流量较小的管理数据与状态数据。
特殊情况下也可以通过系统总线完成相邻插板与不相邻插板间数据传送，中间的插板也可以与CPU通过系统总线交换数据，但不鼓励这样做。
使用本发明的系统可以由两种工作模式，第一种模式是主要功能通过多块插板完成，主系统仅完成管理功能。第二种模式是多块插板完成部分功能，主系统完成主要处理功能。
如图3所示为本发明应用于网络数据处理为例的第一种模式，插板模块组成一个功能系统，实现特定功能，主系统仅完成管理功能。例如在网络安全应用中，可以将三块PCI插板插入主板，第一块插板完成网络数据收发实现防火墙功能，第二块插板实现数据加解密功能，第三块插板实现防病毒功能。工作流程如下从网络来的数据经过第一块插板完成防火墙功能检查，目的地址转换等功能后，通过插板间数据交换接口将数据包携带的数据递交给第二块插板完成数据解密，然后将解密后的数据通过插板间数据交换接口递交给第三块插板做防病毒检查。第三块插板完成防病毒检查后，将数据传送给第二块插板，第二块插板完成数据加密后，传送给第一块插板，第一块插板完成路由查找，原地址转换等防火墙功能后将数据发送出去。
在第二块插板向第三块插板传送数据的同时，第一块插板可以同时向第二块插板出送数据。在此同时第二块插板可以接受来自底三块插板处理过的数据，也可以同时向第一块插板传送数据，即插板间数据可以并行传输。
这种模式下，插板与主系统通过系统总线传送管理信息，主系统不承担主要处理功能。
如图4所示为本发明应用于网络数据处理的第二种模式，几块插板为主系统完成辅助功能，如应用于视频服务器。可以第一块插板完成网络数据包收发及TC/IP协议栈，第二块插板完成视频压缩，主系统完成视频服务器主要功能。工作流程如下从网络来的视频请求，经过第一块插板实现TCP/IP数据重组后，通过插板间数据交换接口递交给第二块插板，第二块插板相应处理后，通过插板与主系统数据交换接口传送给主系统处理，主系统将用户请求的视频数据通过插板与主系统数据交换接口传送给第二块插板，第二块插板完成压缩后，通过板间数据交换接口传送给第一块插板，第一块插板依据TCP/IP协议完成数据打包发送。
这种模式下，插板与主系统通过标准接口传送主要数据，主系统承担主要处理功能，插板承担辅助处理功能，以提高主系统处理能力。
权利要求
1.一种在冯·诺曼计算机体系下改进数据处理的系统，包括冯·诺曼计算机体系结构的计算机，其特征在于，在所述计算机体系结构中设有多块实现特定功能的插板，固定在计算机底板提供的总线插槽中，每块插板拥有各自的处理单元和内存等器件，能够完成其特定功能，通过标准计算机总线与计算机主系统交互，所述的每块插板都具有与其相邻两块插板的数据交互接口，可以与其相邻的两块插板传送数据。
2.根据权利要求1所述的数据处理的系统，其特征在于，所述的每块插板并行实现整个功能系统中不同层次的逻辑功能。
3.根据权利要求2所述的数据处理的系统，其特征在于，所述的每块插板具有两对标准数据发送与接收通路，分别与其相邻的插板交换数据，每块插板只对上一层插板提供服务，向下一层插板发布命令，即每块插板只与相邻的插板产生数据流。
4.根据权利要求3所述的数据处理的系统，其特征在于，所述的每块插板插入底板的排列顺序与其承担的逻辑功能层次相对应。
5.根据权利要求4所述的数据处理的系统，其特征在于，所述的每块插板通过在两个相邻插板之间接入一块新插板的方式，实现在原来两块插板所对应的逻辑功能模块之间加入一层新的逻辑功能。
全文摘要
一种在冯·诺曼计算机体系下改进数据处理的系统，在所述计算机体系结构中设有多块实现特定功能的插板，固定在计算机底板提供的总线插槽中，每块插板拥有各自的处理单元和内存等器件，能够完成其特定功能，通过标准计算机总线与计算机主系统交互，所述的每块插板都具有与其相邻两块插板的数据交互接口，可以与其相邻的两块插板传送数据。每块插板通过在两个相邻插板之间接入一块新插板的方式，实现在原来两块插板所对应的逻辑功能模块之间加入一层新的逻辑功能。本发明提高了现有计算机处理大流量数据的能力，可实现多层次、可扩展和并行数据处理及交换。
文档编号G06F15/76GK1558338SQ20041000340
公开日2004年12月29日 申请日期2004年2月13日 优先权日2004年2月13日
发明者林伟, 林 伟 申请人:北京麦哲籁博科技有限公司