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Verfahren und Anordnung zum Obertragen von digitalen
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Daten zwischen Datenquellen und Datensenken
Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Ubertragen von digitalen Daten zwischen
Datenquellen und Datensenken. Die Datenquellen und -senken können beispielsweise
verschiedene Digitalprozessoren, Digitalspeicher oder Ein-/Ausgabegeräte sein, auf
die zur Lösung einer gemeinsamen Datenverarbeitungsaufgabe Teilaufgaben bzw.
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Teildaten so verteilt sind, daß die Teilaufgaben auf Digital-Prozessoren
mit angepaßtem Funktionsumfang und mit angepaßter Verarbeitungsleistung bearbeitet
werden und daß die Teildaten in Digitalspeichern mit angepaßtem Speichervermögen
und angepaßter Speicherstruktur gespeichert werden. Entsprechend diesem Beispiel
transferieren dann die Digitalprozessoren Daten einerseits von und zu den Digitalspeichern,
andererseits von und zu anderen Digitalprozessoren sowie von und zu Ein-/Ausgabegeräten.
Die Struktur des Verbindungsnetzwerkes zwischen diesen Datenquellen und Datensenken
ergibt sich aus der zu lösenden gemeinsamen Datenverarbeitungsaufgabe und ist an
diese so anzupassen, daß der zwischen bestimmten Datenquellen und Datensenken bei
der Bearbeitung der Datenverarbeitungsaufgabe angeforderte Datendurchsatz geleistet
werden kann. Dem Stand der Technik entspricht es, diejenigen Datenquellen und Datensenken,
die Daten aufgabengemäß miteinander austauschen, entweder durch einzelne direkte
elektrische übertragungswege (Punktzu-Punkt-Verbindungen), über Bussysteme (Sammelleitungssysteme)
oder Kreuzschienenverteiler so miteinander zu verbinden, daß einerseits der Realisierungsaufwand
kostenmäßig vernünftig und technisch beherrschbar bleibt sowie andererseits die
unter diesen Gesichtspunkten realisierte Struktur des Verbindungsnetzes die angeforderten
Datendurchsätze mit möglichst geringen Durchsatzbehinderungen zu erfüllen gestattet.
Der Stand der Technik ist in folgender Literatur festgehalten: - Peschke, P., Heger,
D., Viehweger, W.: "Schaltungsanordnung zum Obertragen von digitalen Nachrichten
zwischen mehreren Datenstationen"; P 26 44616.2-31, 1980.
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- Wulf, W.A., Bell, C.G.: "C.mmp - A Multi-Mini-Processor", Proc.
AFIPS Fall Joint Computer Conference, Vol. 41, Part II, 1972, S. 765-777.
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- Kober, R.: "Parallel System Structures", Siemens Forschungs-und
Entwicklungsberichte Bd. 7, Nr. 6, 1978, S. 316-318.
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- Händler, W., Hofmann, F., Schneider, H.J.: "A General Purpose Array
with a Broad Spectrum of Applications", Informatik-Fachberichte, Bd. 4, Springer-Verlag
Berlin-Heidelberg-New York 1975, S. 311-335.
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- Swan, R.J., Fuller, S.H., Sieworek, D.P.: "Cm* - A Modular, Multi-Microprocessor",
Proc. AFIPS National Computer Conference, Vol. 46, 1977, S. 637-644.
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weller, R,M., Lindstrom, G., Patil, S.: "A Loosely-Coupled Applicative
Multi-Processing System", Proc. AFIPS National Computer-Conference, Vol. 48, 1979,
S. 613-621.
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- Denelcor Inc.: "Heterogeneous Element Processor (HEP) Principles
of Operation", Denver, Colorado, 1979.
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- Freundl, M.: "Multiprozessorprojekt MUPSI: Untersuchung von Strategien
zur Verteilung der Anwenderprozesse auf die Einzelprozessoren", Diplomarbeit am
IMMD IV, Universität Erlangen-Nürnberg, 1981.
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- Händler, W., Schreiber, H., Sigmund, V.: "Computation Structures
Reflected in General Purpose and Special Purpose Multi-Microprocessor Systems",
Proc. Int. Conf. on Parallel Processing, Bellaire, Michigan, 1979, S. 95-102.
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- Hockney, R.W., Jesshope, C.R.: Parallel Computers. Adam Hilger Ltd.,
Bristol, 1981; Chapter 3.2 "Switching Networks".
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- Haynes, L.S., Lau, R.L., Siewiorek, D.P., Mizel, D.W.: "A Survey
of Highly Parallel Computing", IEEE Computer, Vol. 15, S. 9-24, 1982.
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Giloi, W.K.: "Rechnerarchitektur", Heidelberger Taschenbücher Bd.
208, Springer Verlag Berlin-Heidelberg-New York, 1981, Kap. 4.8 "Verbindungen der
PEs (processing elements) zu einem Prozessor-Array".
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Allen bekannten Vorschlägen ist gemeinsam, daß aus Aufwandsgründen
kein Verbindungsnetz mit vollständiger Vernetzung verbunden ist. Vollständige Vernetzung
bedeutet, daß jeder Teilnehmer (Datenquelle oder Datensenke) mit jedem anderen in
beiden übertragungsrichtungen verbunden ist, so daß jeder Teilnehmer mit jedem beliebigen
anderen gleichzeitig und kollisionsfrei Daten austauschen kann, sofern die Teilnehmer
aufgrund ihrer technischen Auslegung dazu in der Lage sind.
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Nun ist das Prinzip der Speicherung und des Auslesens von digitalen
Daten in bzw. aus optischen Hologrammen bekannt Cz. B.: Collier, R.J., Burckhardt,
C.B., Lin, L.H.: Optical Holography; Academic Press, New York-San Francisco-London,
1971). Bei diesen Verfahren werden kohärent strahlende Punktmuster als Ortscodes
der zu speichernden Datensätze (Nutzinformation bzw. Aufrufinformation) jeweils
als Hologramm in einem optischen Speichermedium (z. B. fotografischer Film oder
fotorefraktiver Kristall) gespeichert. Wird nun nach erfolgter Speicherung von Hologrammen
ein Teil eines abgespeicherten Punktmusters als Aufrufmuster in das holografische
System eingegeben, so werden alle Hologramme, die dieses Punktmuster enthalten,
mit ihren vollständigen Datensätzen in Form von sich überlagernden Ausgabepunktmustern
antworten. Die Aufrufpunktmuster können auch inkohärent strahlen, so daß hierfür
beispielsweise eine Leuchtdiodenmatrix verwendet werden kann. Zur volumenholographischen
Speicherung in fotorefraktiven Kristallen liegen folgende Arbeiten vor: - Keller,
A.: Informationstheoretisches Modell zur Kapazitätsabschätzung und Optimierung von
volumenholographischen Datenspeichern. Dissertation an der Universität Klausthal-Zellerfeld,
1982> Fortschritt-Berichte der VDI-Zeitschriften, Reihe 10, Nr. 12, 1982.
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- Bolle, H.: Physikalische Eigenschaften von Volumenhologrammen zur
Speicherung digitaler Daten in photorefraktiven Kristallen. Dissertation an der
Universität Karlsruhe, 1983.
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- Becker, P.-J., Bolle, H., Munser, R., Wagner, U.: "Grundlagen und
physikalische Grenzen integrierbarer holographischer Speicher mit und ohne assoziativen
Zugriff.
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BMFT-FB-DV 83-002.
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Hieraus ergibt sich, - daß bei gutem Störabstand bis zu 108 Hologramme
in einen fotorefraktiven Kristall als holographisches Speichermedium gespeichert
und wieder ausgelesen werden können; - daß wegen der hohen Winkelselektivität von
Volumenhologrammen bei eindeutiger Ortscodierung von Datensätzen das Obersprechen
auf "benachbarte" Datensätze sehr gering istß - daß daher mehrere Hologramme, falls
geeignete disjunkte Punktmuster zur Codierung der Datensätze verwendet werden, gleichzeitig
ohne gegenseitige Beeinflussung ausgelesen werden können.
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Erfindungsgemäß wird ein volumenholografisches System, bestehend aus
einem Speichermedium 1, einer Sendermatrix 2 sowie einer Empfängerzeile 3, dazu
verwendet, um eine große Zahl von Datenquellen 4 und Datensenken 5 mit holografisch
optischen Mitteln so zu verbinden, daß von den Datenquellen zu den Datensenken gleichzeitig
und kollisionsfrei digitale Daten übertragen werden können. Die in Fig. 1 dargestellte
Anordnung läßt sich bezügl. ihres optischen Wirkungsgrades durch Einfügen von optischen
Abbildungssystemen zwischen Sendermatrix 2 und Speichermedium 1 sowie zwischen Speichermedium
1 und Empfängerzeile 3 verbessern. Für jede benötigte Verbindung zwischen einer
Datenquelle zu einer Datensenke enthält das holografische System ein Hologramm.
Die Sendermatrix 2 enthält für jede Datenquelle 4 soviele Lichtsender, wie Datensenken
5 von einer Datenquelle direkt adressiert werden sollen. Die Empfängerzeile 3 enthält
für jede Datensenke soviele Lichtempfänger wie Datenquellen die jeweilige Datensenke
direkt adressieren können. Die matrixförmige Anordnung der Lichtsender wie die zeilenförmige
Anordnung der
Lichtempfänger hängen ursächlich mit den optischen
Eigenschaften der hier vorgesehenen Volumenhologramme zusammen, ebenso können jedoch
die Lichtsender zeilenförmig und die Lichtempfänger matrixförmig angeordnet werden.
Bei holografischen Systemen mit anderen optischen Eigenschaften können die Lichtsender
und die Lichtempfänger auch gleichartig z. B. vorzugsweise matrixförmig angeordnet
werden. Da das holografische System bis zu 108 Hologramme enthalten kann, können
ebensoviele gleichzeitig benutzbare Verbindungen hergestellt werden. Die Verbindungen
können entweder bitseriell oder wortseriell ausgeführt sein. Bei wortserieller Ausführung
ist für jedes Bit eines Digitalwortes auf der Sendermatrix 2 ein Lichtsender, auf
der Empfängerzeile 3 ein Lichtempfänger und im holografischen System ein Hologramm
für jede Kombination zwischen Datenquellen und Datensenken abzuspeichern. Außer
den Adressenpaaren für Datenquellen und Datensenken lassen sich auch andere Kombinationen
durch jeweils ein Hologramm festlegen, z. B. sind Gruppenadressierungen von mehreren
Datensenken durch jede beliebige Datenquelle oder auch Sammeladressierungen von
allen Datensenken durch jede beliebige Datenquelle möglich. Wichtig ist jedoch,
daß die Gesamtzahl der mit ausreichendem Wirkungsgrad speicherbaren Hologramme nicht
überschritten wird, für die vorgeschlagenen Volumenhologramme sind dies mindestens
108. Zur Miniaturisierung und optimalen geometrischen Formgebung der Sendermatrix
2 sowie der Empfängerzeile 3 können beispielsweise geordnete Lichtwellenleiterbündel
verwendet werden, in denen je Lichtsender und je Lichtempfänger ein Lichtwellenleiter
benutzt wird. Damit kann eine gegebenenfalls erforderliche geometrische Anpassung
des holografischen Systems an die nachgeschalteten Datenquellen und Datensenken
vorgenommen werden. Auf diese Weise können nun bis zu einer sehr großen Zahl von
Datensenken und Datenquellen entweder ein vollständig vernetztes Verbindungsnetzwerk
oder auch Verbindungsnetzwerke mit anderen Adressierungsmustern hergestellt werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt die Anordnung in Fig. 2. Sie
enthält Komponenten 24, die sowohl Datenquellen als auch Datensenken sein können.
Man kann sich unter diesen Komponenten Digitalprozessoren, Digitalspeischer, Digitalrechner
- bestehend aus Digitalprozessoren und Digitalspeichern - oder Ein-/Ausgabeelemente
vorstellen. Im folgenden werden diese Komponenten 24 als Datenkomponenten bezeichnet.
Diese Datenkomponenten mögen z. B.
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eine gemeinsame Datenverarbeitungsaufgabe zu lösen haben.
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Hierzu müssen sie untereinander - entsprechend dem Bedarf aus der
gemeinsamen Datenverarbeitungsaufgabe - Daten austauschen. Weiterhin enthält die
Anordnung eine den Datenkomponenten gleichartig wie in der zuerst beschriebenen
Anordnung (Fig. 1) zugeordnete Sendermatrix 22 und eine den Datenkomponenten ebenso
zugeordnete Empfängermatrix 29.
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Auf der Sendermatrix 22 wird bei einer Datenübertragung die Adresse
eines anzusteuernden Kanals eingestellt. Ein Kanal besteht aus einem Empfänger,
der in einer Empfängerzeile 23 angeordnet ist und das Lichtsignal in ein elektrisches
Signal umsetzt, aus einer nachgeschalteten elektrischen übertragungsstrecke 25 und
aus einem nachgeschalteten Senderbaustein 27. Der Senderbaustein 27 enthält eine
Steuerelektronik, die aufgrund von über die elektrische über tragungsstrecke 25
empfangenen Steuertelegrammen an der nachgeschalteten Senderzeile 26 kanalweise
die Zieladresse der Datensenke 24 einzustellen gestattet. Die Anordnung enthält
mehrere gleichartige Kanäle, so daß abhängig von Kanalbelegungen für die Datenübertragung
oder von nicht betriebsfähigen Kanälen andere Kanäle der Anordnung benützt werden
können. Außerdem enthält die Anordnung ein erstes holographisches Speichermedium
21, das in gleicher Weise wie in der zuerst beschriebenen Anordnung die Verbindungen
zwischen der Sendermatrix 22 und der Empfängerzeile 23 herstellt, und ein zweites
holographisches Speichermedium, das in umgekehrter Weise wie in der zuerst beschriebenen
Anordnung die Verbindung zwischen der Senderzeile 26 und der Empfängermatrix 29
herstellt. Der Datenaustausch kann in
dieser Anordnung nach dem
Einschalten des der Anordnung entsprechenden Systems dadurch durchgeführt werden,
daß die erste sendewillige Datenkomponente ihren Wunsch zum Datentransfer mit Hilfe
eines ersten Sammeltelegramms (Te legramme an alle anderen Datenquellen) mitteilt.
Dieses erste Sammeltelegramm hat eine Steuerungsaufgabe und enthält die Information,
über welchen der in beschränkter Anzahl vorhandenen Kanäle 23, 25, 27 die übertragung
stattfinden und welche Datenkomponente 24 (als Datensenke) adressiert werden soll.
Mit Hilfe dieses ersten Sammeltelegramms wird einerseits allen möglichen Datenquellen
die Belegung eines bestimmten Kanals mitgeteilt. Falls andere Datenquellen ihrerseits
Daten übertragen möchten, leiten sie ihren übertragungsvorgang gleichermaßen ein
und wählen dabei einen augenblicklich nicht belegten Kanal. Andererseits wird mit
Hilfe des ersten Sammeltelegramms an der Senderzeile 26 des entsprechenden belegten
Kanals die Adresse der Datensenke 24 (Zieladresse) eingestellt. Danach überträgt
die Datenquelle die Nutzinformation über den nun eingerichteten übertragungsweg.
Nach Abschluß der Nutzübertragung sendet die Datenquelle ein zweites Sammeltelegramm
als Steuertelegramm aus, in dem der bisher belegte Kanal gekennzeichnet ist. Alle
möglichen Datenquellen empfangen dieses zweite Sammeltelegramm und erhalten damit
die Mitteilung, daß dieser Kanal nun wieder für die weitere Verwendung frei ist.
Auf diese Weise sind sämtliche möglichen Datenquellen über die augenblicklichen
Belegungszustände der Kanäle informiert und können so jeweils freie Kanäle belegen.
Das zweite Sammeltelegramm bewirkt auch, daß mit einem neuen ersten Sammeltelegramm
eine neue Zieladresse an der Senderzeile 26 für die nächste übertragung eingestellt
werden kann. Wollen nun mehrere Datensenken gleichzeitig einen gerade freien Kanal
belegen, so tritt eine Kollision der Belegwünsche auf. Diese wird nach dem bekannten
CSMA/CD-Verfahren (carrier sense multiple access/collision detection) oder einem
ähnlichen Zugriffssteuerungsverfahren - wie für Sammelleitungssysteme bekannt -
aufgelöst (Heger, D.: Zur Klassifizierung, theoretischen Beschreibung
und
Bewertung lokaler Datensammelleitungen. Dissertation an der Universität Karlsruhe,
19831 Fortschritt-Berichte der VDI-Zeitschriften, Reihe 10, Nr. 24, 1983). Auch
hier gilt wie in der zuerst beschriebenen Anordnung, daß die Lichtsender 22, 26
und Lichtempfänger 23, 29 gleichartig z. B. vorzugsweise matrixförmig angeordnet
werden können, daß optische Abbildungssysteme in das erste und zweite holographische
System zur Verbesserung des Wirkungsgrades eingesetzt werden können, daß die Verbindungen
entweder bitseriell oder wortseriell ausgeführt sein können, daß Gruppen-und Sammeladressierungen
in jedem holographischen Speichermedium 21, 28 festgelegt sein können und daß beispielsweise
geordnete Lichtwellenleiterbündel zur geometrischen Anpassung des ersten und zweiten
holographischen Systems eingesetzt werden.
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Der erfindungsmäßige Gedanke der zweiten Anordnung besteht darin,
daß eine vollständige logische Vernetzung zwischen einer großen Anzahl von Datenquellen
und Datensenken über eine wählbare Anzahl von physikalischen Kanälen hergestellt
wird, daß die übertragung zwischen den Datenquellen und den Kanälen durch ein erstes
holographisches System und die über tragung zwischen Kanälen und Datensenken über
ein zweites holographisches System erfolgt und daß die Auswahl, Belegung und Freigabe
der Kanäle über ein Protokoll mittels Steuertelegrammen bzw. über Methoden vorgenommen
wird, wie für die Kanalzuteilung in lokalen Netzwerken bekannt.
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