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SCIENTIA SINICA Informationis
中国科学 : 信息科学 2018 年 第 48 卷 第 3 期 : 315–328
c
⃝ 2018 《中国科学》杂志社 www.scichina.com infocn. scichina.com
论文
新一代软件定义体系结构
吕平
*
, 刘勤让, 邬江兴, 陈鸿昶, 沈剑良
国家数字交换系统工程技术研究中心, 郑州 450002
* 通信作者. E-mail: lp@ndsc.com.cn
收稿日期: 2017–10–24; 接受日期: 2018–02–08; 网络出版日期: 2018–03–16
国家科技重大专项核高基项目 (批准号: 2016ZX01012101)、国家核高基重大专项核高基项目 (批准号: 2017ZX01030301) 和国家
高技术研究发展计划 (863) 重点课题 (批准号: 2009AA012201) 资助项目
摘要 体系结构在信息系统中起着举足轻重的作用, 不仅决定了系统的功能和性能, 而且决定了系
统的效能和安全, 因此, 体系结构直接决定着信息系统的先进性. 本文在介绍体系结构概念的基础
上, 对体系结构的发展进行了归纳总结, 分析指出体系结构刚性是当前信息系统灵活性和高效能无
法兼备的问题本质, 提出了以软件定义互连和软件定义节点为特征的新一代软件定义体系结构, 基
于软件定义体系结构实现了 Web 服务、口令字恢复和图像识别 3 种典型系统, 对比测试表明, 软件
定义体系结构系统较传统通用系统性能提升 29.4∼344.5 倍, 效能提升 13.7∼315.4 倍, 证明了软件定
义体系结构的高灵活性和高效能.
关键词 信息系统, 软件定义互连, 软件定义节点, 软件定义体系结构
1 引言
体系结构即包括一组部件以及部件之间的联系, 在 1964 年由 Amdahl
[1]
首次提出, 最早用于描述
计算机系统, 并为计算机系统的设计与开发奠定了良好的基础. 40 多年来, 体系结构学科得到了长足
的发展, 其内涵和外延得到了极大的丰富, 被广泛用于软件系统、硬件系统、信息系统、信息栅格、科
学技术体系等领域. 当前, 体系结构是人工复杂系统的核心范畴, 体系结构在系统中起着举足轻重的作
用, 它不仅决定了系统的功能与性能, 也同时直接决定着系统的效能与安全, 体系结构的优劣直接决
定着信息系统的基因好坏, 体系结构围绕高速、高效、灵活、安全的目标不断地向前发展与演进. 构建
一个先进的体系结构也成为开发复杂信息系统的关键, 它既是一门艺术, 也是一门科学. 构建体系结构
的理论基础是系统科学; 科学方法是系统工程. 随着复杂系统体系结构研究的深入, 已经诞生了一些
专门的体系结构学, 如科学体系结构学
[2]
、C4ISR 系统体系结构学
[3]
等.
按照 “许氏循环” 对半导体特征的预测, 从 2018∼2028 年, 半导体将会重新走向通用. 可重构计
算技术的发展, 最终将推动主流应用进入 U-SoC 通用波动
[4]
. 通过对原始芯片的配置编程就可以得
引用格式: 吕平, 刘 勤 让, 邬江兴, 等. 新一代软件定 义 体 系 结 构. 中国科学: 信 息 科学, 2018, 48: 315–328, doi:
10.1360/N112017-00204
Lv P, Liu Q R, Wu J X, et al. New generation software-defined architecture (in Chinese). Sci Sin Inform, 2018, 48:
315–328, doi: 10.1360/N112017-00204
吕平等: 新一代软件定义体系结构
Input
device
Memory
Output
device
Arithmetic
unit
Control
unit
Central processing unit
图 1 处理器为中心体系结构
Figure 1 Processor-centric architecture
到用户自定义的功能电路, 从而引导半导体产业结构演变, 最终促进芯片应用创新无设计模式的兴起,
使得 “硬”、“软” 均可编程, 即算法可编程、可重构器件也可编程的 U-SoC.
本文从体系结构的发展脉络出发, 在分析现有体系结构问题的基础上, 基于半导体特征的可编程
发展趋势, 提出了软件定义体系结构, 相比现有的体系结构, 软件定义体系结构中的处理节点和互连
都支持软件在线定义. 基于该体系结构构建的信息系统, 处理节点的功能可定义、性能可分配, 处理节
点之间的互连拓扑可动态变化, 节点之间的处理流程可灵活重构, 从而支持信息系统体系结构适配应
用需求的在线定义, 是高灵活性与高效能兼备支持的开放式 “函数化” 体系结构; 最后基于软件定义体
系结构技术思想, 在 FPGA 平台上实现了 Web 服务、口令字恢复和图像识别 3 种典型应用系统, 通
过与通用服务器系统的性能和效能测试对比, 验证了软件定义体系结构在灵活性和能效方面的优势.
2 体系结构发展历程及面临问题
2.1 体系结构发展历程
按照体系结构, 本文将计算机与信息系统体系结构归纳为处理器为中心、存储器为中心和总线为
中心 3 代发展历程.
第 1 代. 以处理器为中心的体系结构
[5]
, 如图 1 所示. 该体系结构中, 通常包含单个处理器, 且处
理器是体系结构的中心, 处理器包括运算器和控制器, 输入/输出设备与存储器间的数据传送都要经过
处理器进行控制与传输.
第 2 代. 以存储器为中心的体系结构
[6]
, 如图 2 所示. 该体系结构中, 通常包括多个处理器, 为了
解决处理器与存储器之间的速度矛盾, 设计了包括寄存器、高速缓存、主存储器和外部存储器等多级
存储结构.
第 3 代. 以总线为中心的体系结构
[7]
, 如图 3 所示. 该体系结构通常包括多个处理机和多个存储
系统, 借助总线进行复杂任务的分布式协同处理, 总线既是指令的汇聚中心, 也是数据的汇聚中心, 是
系统的核心. 总线又经历了早期的共享总线, 到后来的交换总线两个阶段, 核心就是为了解决不同端
点系统 (包括处理系统、IO 系统和存储系统等) 之间的大规模并发互连需求.
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