DE4002455A1 - Permutationsschaltung - Google Patents
PermutationsschaltungInfo
- Publication number
- DE4002455A1 DE4002455A1 DE19904002455 DE4002455A DE4002455A1 DE 4002455 A1 DE4002455 A1 DE 4002455A1 DE 19904002455 DE19904002455 DE 19904002455 DE 4002455 A DE4002455 A DE 4002455A DE 4002455 A1 DE4002455 A1 DE 4002455A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- input
- connection network
- lines
- connection
- output
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04Q—SELECTING
- H04Q3/00—Selecting arrangements
- H04Q3/42—Circuit arrangements for indirect selecting controlled by common circuits, e.g. register controller, marker
- H04Q3/52—Circuit arrangements for indirect selecting controlled by common circuits, e.g. register controller, marker using static devices in switching stages, e.g. electronic switching arrangements
- H04Q3/521—Circuit arrangements for indirect selecting controlled by common circuits, e.g. register controller, marker using static devices in switching stages, e.g. electronic switching arrangements using semiconductors in the switching stages
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L49/00—Packet switching elements
- H04L49/15—Interconnection of switching modules
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04Q—SELECTING
- H04Q11/00—Selecting arrangements for multiplex systems
- H04Q11/04—Selecting arrangements for multiplex systems for time-division multiplexing
- H04Q11/0421—Circuit arrangements therefor
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L49/00—Packet switching elements
- H04L49/25—Routing or path finding in a switch fabric
- H04L49/253—Routing or path finding in a switch fabric using establishment or release of connections between ports
- H04L49/254—Centralised controller, i.e. arbitration or scheduling
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Use Of Switch Circuits For Exchanges And Methods Of Control Of Multiplex Exchanges (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verbin
dungsnetzwerk zur Durchschaltung von n Eingangsleitungen
auf n Ausgangsleitungen nach dem Zeitmultiplexverfahren
und entsprechend vorgegebenen Permutationen.
Die Leistungsfähigkeit eines Verbindungsnetzwerks ist
im wesentlichen durch die Topologie des verwendeten
Netzwerks, sowie die pro Verbindung mögliche Übertra
gungsrate charakterisiert. Die durch die Topologie
bestimmte Leistungsfähigkeit ist abhängig von der durch
die mittlere Weglänge bestimmten durchschnittlichen
Entfernung zwischen den zu verbindenden Funktionsein
heiten und der Anzahl der vorhandenen Verbindungen.
Im Hinblick auf diese Problemstellung ist der vollstän
dige Graph eine optimale Topologie, während die soge
nannte Busstruktur als sehr schlechte Topologie zu
betrachten ist. Einen sehr interessanten Mittelweg
zwischen den genannten beiden extremen Architekturen
stellt die sogenannte Hypercube-Topologie dar. Dabei
werden die Prozessoren als Knoten eines Hyperwürfels
betrachtet, und die Kanten des Würfels bilden das Ver
bindungsnetzwerk.
Bei den genannten Verbindungsnetzwerken befinden sich
die zu verbindenden Funktionseinheiten auf den Knoten
der Verbindungsgraphen. Somit ist ein Knoten, der auf
der Verbindung zweier weiterer Funktionseinheiten liegt,
immer auch an deren Kommunikation beteiligt. Alternativ
hierzu kann jedoch auch das Neztwerk von den Funktions
einheiten getrennt werden, d. h. die Funktionseinheiten
werden aus dem Netzwerk entfernt und dieses wird sodann
als sogenanntes Permutationsnetzwerk zur Kommunikation
unter den Funktionseinheiten benutzt.
Permutationsnetzwerke gehören schon lange zum Stand
der Technik; ein typisches Anwendungsbeispiel ist die
Telefonvermittlung.
Ein Permutationsnetzwerk besteht definitions- und be
stimmungsgemäß aus Anschlußpunkten, Verbindungsleitungen
und Schaltern. Die Schalter verbinden dabei genau zwei
Anschlußpunkte miteinander und können die Zustände
"Ein" und "Aus" annehmen. Zwei Anschlußpunkte, die
miteinander verbunden sind, können in diesem Fall als
ein Anschlußpunkt betrachtet werden, so daß die Verbin
dungsleitungen außer Betracht bleiben können. Die
Schaltstellungen der einzelnen Schalter geben in ihrer
Gesamtheit den Zustand des Verbindungsnetzwerks wieder.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe
besteht darin, ein Verbindungsnetzwerk der gattungsge
mäßen Art anzugeben, bei dem alle Kanten im vollständi
gen Graphen als Verbindungsweg geschaltet werden können.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 angegebene Konfiguration und Per
mutationsvorschrift gelöst. Eine auf einer Schaltungs
konfiguration basierende Lösung, sowie eine zweite
mechanisch-konstruktive Lösung sind im kennzeichnenden
Teil der Patentansprüche 3 beziehungsweise 7 angegebenen.
Besondere Konfigurationen und Verwendungen dieser Ver
bindungsnetzwerke sind Gegenstand der Unteransprüche.
Mathematisch gesehen handelt es sich bei der vorliegen
den Erfindung um ein Verbindungsnetzwerk zur Realisie
rung von Permutationen. Mit einem solchen
Verbindungsnetzwerk können einerseits die Funktionsein
heiten als Knoten des vollständigen Graphen betrachtet
werden, und andererseits kann das erfindungsgemäße
Verbindungsnetzwerk als Schalter auch in einem größeren
Permutationsnetz eingesetzt werden.
Die konstruktiv-konzeptionelle Grundidee des erfindungs
gemäßen Verbindungsnetzwerks besteht in der direkten
Umsetzung einer Matrixdarstellung in eine Schaltungs
anordnung, insbesondere ein halbleitertechnologisches
Layout. Jedes Matrixelement weist einen Steuereingang
auf, über den Ein-/Ausschalter, beispielsweise
ein sogenanntes "Transmission Gate" angesteuert wird.
Dieser Ein-/Ausschalter schaltet eine Verbindung
einer horizontalen Leitung mit einer vertikalen Leitung
dann durch, wenn der entsprechende Steuereingang ent
sprechend aktiviert ist.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verbindungs
netzwerks besteht insbesondere darin, daß die Verzöge
rungszeit der Schaltung der Leitungsverzögerung plus
der Verzögerung eines "Transmission Gate" entspricht.
Für eine Umkonfiguration werden je nachdem 1 bis (n-2)
Taktschritte benötigt, um die Taktsteuerung mit
einer neuen Belegung zu versehen. Konstruktiv und
fertigungstechnisch betrachtet ist ferner davon auszu
gehen, daß die Regelmäßigkeit des Schaltungsaufbaus
eine einfache Realisierbarkeit ermöglicht, insbesondere
eine einfache Integrationsmöglichkeit im Rahmen eines
sogenannten VLSI-Layouts (VLSI = very large scale
integration).
Zu bemerken ist insofern noch, daß das Problem des
Platzbedarfs auch bei einer großen Anzahl miteinander
kommunizierender Funktionseinheiten lösbar ist, da
dem Kerngedanken der vorliegenden Erfindung gemäß der
vollständige Graph des Verbindungsnetzwerks in einem
Zeitmultiplexing verwirklicht wird, d. h. zu einem fest
definierten Zeitpunkt werden jeweils ein bestimmter,
der Permutation entsprechender Teil des Graphen bereit
gestellt. Der vollständige Graph wird also so zerlegt,
daß in einer zweitlichen Folge von (n-1) Schritten alle
Kanten des vollständigen Graphen genau einmal auftreten.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung
näher erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 Das Schaltungs-Layout eines Vollduplex-Verbin
dungsnetzwerks für (n=) 8 Ein-/Ausgangslei
tungen;
Fig. 2 ein der Schaltung gemäß Fig. 1 entsprechendes,
bezüglich des Schaltungs-Layouts modifiziertes
Verbindungsnetzwerk;
Fig. 3 die Konzeption eines mikro-mechanischen Verbin
dungsnetzwerks;
Fig. 4 ein Schaltsymbol für die Verbindungsnetzwerke
nach Fig. 1 beziehungsweise Fig. 2;
Fig. 5 ein Verbindungsnetzwerk zur Verbindung von
n Prozessoren mit einem in n Segmente unter
teilten Speicher;
Fig. 6 ein mehrstufiges Verbindungsnetzwerk für 64
Prozessoren;
Fig. 7 ein der Schaltung nach Fig. 1 entsprechendes
Verbindungsnetzwerk in modifizierter Form zur
Realisierung eines mehrstufigen Verbindungs
netzwerks gemäß Fig. 6;
Fig. 8 ein Verbindungsnetzwerk zur Verbindung eines
Prozessors mit (n-1) Funktionseinheiten;
Fig. 9 ein Verbindungsnetzwerk zur Verbindung von
(n-1) Prozessoren mit einer gemeinsamen Funk
tionseinheit;
Fig. 10 ein Verbindungsnetzwerk zur Verbindung von
n Prozessoren;
Fig. 11 ein Verbindungsnetzwerk zur Verbindung von
(n-1) Pseudozufallsgeneratoren mit einem
logischen Schaltglied.
Fig. 1 zeigt das Design, d. h. die Schaltungsanordnung
eines Vollduplex-Verbindungsnetzwerks für n Ein-/Ausgänge,
von denen (n-1) Eingangsleitungen 1 . . . 7
und (n-1) Ausgangsleitungen 1′ . . . 7′ im Orthogonal
raster zueinander angeordnet sind; die n-ten Ein-/Ausgangsleitungen
werden - wie nachfolgend noch erläutert
wird - separat behandelt. Die Eingangs
leitungen 1 . . . 7 und die Ausgangs
leitungen 1′ . . . 7′ sind dabei relativ zueinander,
d. h. an den jeweiligen Kreuzungspunkten elektrisch
isoliert. An diesen Kreuzungspunkten ist - mit Ausnahme
der symmetrischen (i, i)-Kreuzungspunkte - jeweils
ein Ein-/Aus-Schalter 10 angeordnet. Diese sind so
konzipiert, daß sie im Schaltzustand "Ein" die sich
kreuzenden Eingangsleitungen mit den konjugierten Aus
gangsleitungen elektrisch durchschalten; im Schaltzu
stand "Aus" gilt der zugrunde liegende Zustand, d. h.
die sich kreuzenden Leitungen sind relativ zueinander
elektrisch isoliert.
Die Schaltungskonfiguration gemäß Fig. 1 weist somit
insgesamt zweiunvierzig Ein-/Ausschalter 10 auf,
über die sämtliche Kreuzungspunkte der Ein-/Ausgangs
leitungen durchgeschaltet werden können. Die (i, i)-ten
Kreuzungspunkte bleiben dabei - wie erwähnt - natur
gemäß außer Betracht. Die genannten Ein-/Ausschalter
dienen letztlich dazu Signale in beide Richtungen zu
schalten. Dazu sind die Ein-/Ausschalter als sogenannte
"Transmission Gate" ausgebildet, die über ein Paar
komplementärer Ansteuersignale für beide Signalrich
tungen aktiv gesteuert werden können.
Die Ansteuerung der Ein-/Ausschalter 10 erfolgt nun
über jeweils ein Paar von (insgesamt n-1) Ansteuerlei
tungen A . . . G, die im 45°-Winkel schräg zur Schaltung
geführt sind. Die Signalleitungen A werden so als An
steuerleitungen zum Kreuzungspunkt der Ein-/Ausgangs
leitungen 6/1′, 5/2′, 4/3′, 4′/3, 5′/2 und
6′/1 geführt; analog hierzu werden die Signalleitungen
B zu den Kreuzungspunkten der Ein-/Ausgangsleitungen
2/0′, 0/2′. 6/3′, 5/4′, 5′/4 und 6′/3 ge
führt. Die Signalleitungen C haben ihren Anfang beim
Kreuzungspunkt 4/0′; die Leitungen D beginnen bei
6/0′ . . . E bei 1/0′ . . . F bei 3/0′ und G bei
5/0′.
Mit dieser spezifischen Anordnung der Ein-/Ausgangs
leitungen und der Ein-/Ausschalter 10 einerseits
und der Zuordnung der Ansteuerleitungen beziehungsweise
Signalleitungen A . . . G andererseits sind nun sämtliche
Verbindungen zwischen den Ein-/Ausgangsleitungen
während eines kompletten Zeitzyklus durchschaltbar.
Für den Betrachter sind jeweils dann, wenn ein Paar
von Ansteuerleitungen Ansteuersignale führt, vorgegebene
Verbindungen geschaltet; waren alle Ansteuerleitungen
aktiviert, so waren auch alle möglichen Verbindungen
gerade einmal durchgeschaltet.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die n-te Ein
gangsleitung ∞ und n-te Ausgangsleitung ∞′ separiert.
Diese Leitungen verlaufen parallel zueinander und sie
sind über je einen separaten Ein-/Ausschalter 10
einerseits mit den Ausgangsleitungen 0′ . . . 6′ und
andererseits mit Eingangsleitungen 1 . . . 6 verbunden.
Diese separaten Ein-/Ausschalter 10 werden gleicher
maßen über die Paare von Ansteuerleitungen A . . . G
angesteuert.
Die Ansteuerung selbst erfolgt über eine Taktsteuerung,
beispielsweise ein Schieberegister 11 mit sieben (n-1)
Ausgangsanschlüssen, an denen zyklisch nacheinander
je ein Ansteuersignal ansteht. Werden diese Ausgangsan
schlüsse der gegebenen Reihenfolge nach mit den genann
ten Ansteuerleitungen A . . . G der beschriebenen Schal
tungsanordnung gekoppelt, so werden - wie bereits er
läutert - mit dem letzten Ansteuersignal alle möglichen
Verbindungen der Ein-/Ausgangsleitungen einmal durch
geschaltet gewesen sein.
Bezugnehmend auf die anhand von Fig. 1 beschriebene
Gesamtkonfiguration läßt sich die Gesamtheit der Schal
tungen während der aufeinander folgenden Zeittakte
der nachfolgenden Tabelle entnehmen, die letztlich
als Darstellung einer bestimmten Permutation pro
Zeittakt zu interpretieren ist.
Angesichts dessen, daß das Schieberegister 11 in sich
geschlossen ist und somit nach dem (letzten) Taktzyklus
G wieder ein Taktzyklus A folgt, kann die Schaltung
als Ganzes quasi als "Rotorbaustein" interpretiert
werden. Durch die Möglichkeit, die Permutationen mit
hoher Geschwindigkeit nacheinander einstellen zu können,
wird somit einem Benutzer ein System vorgespiegelt,
gemäß dem die Verbindungsstruktur eines vollständigen
Graphen vorliegt. Sind dabei mit den in der Schaltungs
anordnung nach Fig. 1 im Orthogonalraster angeordneten
Ein-/Ausgangsleitungen jeweils miteinander kompatible
Funktionseinheiten gekoppelt, so ist es mithin möglich,
daß während eines geschlossenen Zeitzyklus jede Funk
tionseinheit einmal, aber auch nur einmal, mit jeder
anderen Funktionseinheit verbunden war.
Die anhand von Fig. 1 erläuterte und schaltungstechnisch
offenbarte Funktionsweise soll im folgenden ergänzend
und unterstützend auf einen mathematischen Hintergrund
gestellt werden:
Dieser Hintergrund basiert auf der Graphentheorie,
gemäß der ein Graph G aus einer endlichen nichtleeren
Menge V von P Punkten beziehungsweise Knoten und einer
Menge E von q ungeordneten Punktpaaren bestimmter Punkte
der Menge V besteht. Jedes Punktpaar (u, v) der Menge
E bildet im Graphen G eine sogenannte Kante; die Punkte
u und v werden dabei benachbarte Knoten genannt. Ein
Graph wird dann als vollständiger Graph bezeichnet,
wenn alle Punktpaare benachbart, also über eine Kante
verbunden waren. Der eindeutige vollständige Graph mit
n Punkten wird dabei mit Kn bezeichnet und dieser voll
ständige Graph Kn kann zur schnellen Verbindung
zwischen n System-Teilnehmern benutzt werden.
Die Graphentheorie umfaßt ferner einen Faktor F, der
ein Teilgraph des vollständigen Graphen G ist, und
zwar so, daß F sämtliche Punkte des Graphen G enthält
und jeder Punkt zu einem anderen Punkt des Graphen G
benachbart ist. Der Graph G ist die Summe der Faktoren
Fi, wenn G die Vereinigung desselben ist; diese Ver
einigung heißt Faktorisierung.
Eine spezielle Art des Faktors F ist ein n-Faktor.
Dieser Faktor ist regulär vom Grade n, d. h. ein Punkt
im n-Faktor ist mit genau n anderen Punkten benachbart.
Ist der Graph G die Summe von n-Faktoren, so wird G
als n-faktorisierbar bezeichnet, und die Vereinigung
der n-Faktoren wird als n-Faktorisierung bezeichnet.
Der oben genannte vollständige Graph Kn ist demzufolge
1-faktorisierbar, mit n als gerader Zahl. Betrachtet
man die nachfolgende Verbindungsregel für
Kn = G = ({0, . . . n-2, ∞}, E)
mit n = gerade Zahl
für n-1 1-Faktoren Fi (i = 0, . . . n-2),
für n-1 1-Faktoren Fi (i = 0, . . . n-2),
so erhält man die Kantenmengen der Faktoren Fi
= (i, ∞) u {{(i-j) mod (n-1), (i+j) mod (n-1)}, für j=1 . . . n-1}
mit i = 0 . . . n-2.
Diese Gesetzmäßigkeit liegt der Funktionsweise des
in Fig. 1 gezeigten Schaltungs-Layouts zugrunde.
Eine Modifikation dieser Schaltung zeigt Fig. 2. Das
orthogonale Grund-Leitungsraster entspricht dem nach
Fig. 1, soweit es sich um die Eingangsleitungen 0 . . . 6
und die Ausgangsleitungen 0′ . . . 6′ handelt.
Analog zu Fig. 1 verlaufen auch die Ansteuerleitungen
A . . . G (n-1), die quasi im 45°-Winkel schräg zum
Orthogonalraster die korrespondierenden Knotenpunkte
verbinden.
Im Unterschied zum Verbindungsnetzwerk nach Fig. 1
sind nun die n-te Eingangsleitung und die n-te Ausgangs
leitung in das Orthogonalraster integriert, und zwar
in Form zweier Parallel-Leitungen ∞' ∞′. Diese
Parallel-Leitungen verlaufen über die gemäß( Fig. 1
unbeschaltet gebliebenen (i, i)-ten Kreuzungspunkte,
d. h. orthogonal zu den Ansteuerleitungen A . . . G. über
entsprechend zugeordnete Ein-/Ausschalter können
somit auch die Verbindungen zwischen den (n-1) Ein-/
Ausgangsleitungen 0 . . . 6 beziehungsweise 0′ . . . 6′
und den n-ten Leitungen ∞' ∞′ geschaltet werden.
Fig. 3 zeigt einen auf einer Kreisscheibe 15 implemen
tierte fein-(nano) mechanische Schaltungsanordnung
mit insgesamt ebenfalls n Ein-/Ausgangsleitungen
0 . . . n-2, ∞, von denen n/2 Leitungspaare in Form eines
spezifischen Leitungsmuster mit jeweils einem Paar
paralleler Leitungen angeordnet sind und deren n-tes
Leitungspaar als koaxiale Zentralleitung im Zentrum
der Kreisscheibe 15 liegt. Diese Kreisscheibe 15 liegt
- in nicht gezeichneter Weise - den (n-1) jeweiligen
Endpunkten der Leitungen komplementärer Schnittstellen
anordnungen gegenüber; die Zentralleitung ∞/∞′
hat einen entsprechenden Anschluß zur n-ten Schnitt
stelle.
Das Leitungsmuster der Kreisscheibe 15 ist so, daß
jeweils nach einem Zeittakt, d. h. nach einer (1 : n-1)-tel
Umdrehung eine den Permutationen der obigen
Tabelle entsprechende Anzahl von Verbindungen durch
schaltet. Die in Fig. 2 gezeichnete Grundschaltung
und Grundstellung ist so, daß - vergleiche in der obigen
Tabelle - die zum Zeittakt A gehörenden Verbindungen
geschaltet sind.
Der Eingang 1 ist also mit dem Ausgang 6′ und Eingang
6 mit dem Ausgang 1′ verbunden. Gleiches gilt für die
Ein-/Ausgänge 2 und 5, 3 und 4, sowie 0 und ∞. Nach
einer 1/7-Drehung der Kreisscheibe 15 im Uhrzeigersinn
ist dann 1 mit ∞, 0 mit 2, 3 mit 6, sowie 4 mit 5 ver
bunden. nach 7 1/7-Drehungen wird der Anfangszustand wieder
erreicht und alle denkbaren Verbindungen zwischen den
Ein-/Ausgangsleitungen 0 . . . n-2, ∞ sind genau
einmal aufgetreten.
Die vorliegende Erfindung wurde mehr oder weniger kon
kret anhand der Schaltungskonfiguration nach Fig. 1/Fig. 2
und der mechanischen Konfiguration nach Fig. 3
erläutert.
Der Erfindungsgedanke wird durch die Realisierung des
Systems mittels beispielsweise optischer Schaltele
mente nicht verlassen. Die in Fig. 3 ausgeführte
Kreisscheibe kann auch Linsensysteme oder Glasfaser
leitungen enthalten, die das Eingangssignal eines
Laserstrahls entsprechend der vorgewählten Permutation
als optisches Signal an die Ausgangssignalstelle leitet.
Weitere Ausführungsformen erhält man durch die Verwen
dung von Lichtleit- und Steuerungssystemen der nicht
linearen Optik (vergleiche Spektrum der Wissenschaft,
Der optische Computer, April 1983) wie sie sich insbe
sondere aus der Kombination von Ringlaser-Gyroskopen
(vergleiche Sandia Laboratories, Albuquerque, New
Mexico, Jahresbericht 1988) mit optisch aktiven Ele
menten ergeben. Optische Schaltungen, wie zum Beispiel
die von Stucke beschriebenen (vergleiche Digitale
optische Computer, B. I. 1989, S. 52ff) ermöglichen
den Aufbau eines Systems dessen Grundstruktur sich in
ähnlicher Form wie die oben beschriebenen VLSI-Struktur
ergibt.
Neuere Überlegungen zur Realisierung molekularer Com
puter (vergleiche Drexler, Engines of Creation, Double
day 1987, beziehungsweise Aufsatz "The Quest for the
molecular computer" in BYTE, Mai 1989) ermöglichen die
Realisierung eines Permutationsbausteins, dessen Schalt
elemente nanomechanisch arbeiten, d. h. das Schaltele
ment besteht aus zum Beispiel Proteinketten, die eine
Schaltfunktion erfüllen, wobei das Steuersignal durch
einen Laser bereitgestellt wird.
Alle Ausführungsformen, und zwar sowohl die konkret
beschriebenen als auch die theoretisch angedeuteten
können quasi als permutierende Rotationsschaltungen
oder rotierende Permutationsschaltungen bezeichnet
werden. Diese Betrachtungsweise führt zu dem in Fig. 4
dargestellten Schaltsymbol für ein erfindungsgemäßes
Verbindungsnetzwerk 20, das n (=8) Eingangsleitungen
und n Ausgangsleitungen aufweist, und das einen Rotor
baustein 23 umfaßt, der einer vorgegebenen Permutation
und einer Schaltung entsprechend während
eines Zeitzyklus jede Verbindung zwischen den Ein-
und Ausgangsleitungen einmal durchschaltet, aber auch
nur einmal.
In Fig. 5 ist ein Anwendungsbeispiel für ein erfindungs
gemäßes Verbindungsnetzwerk dargestellt. Hier wird
n (=8) Prozessoren 40 abwechselnd je ein anderes
Speichersegment eines in n (=8) Segmente unterteilten
Speichers 41 zum wahlfreien Zugriff zugeteilt. Durch
ein zwischen den Prozessoren 40 und den Speichersegmenten
untergebrachtes Verbindungsnetzwerk 20 und durch
hohe Taktfolgen, d. h. schnelles Drehen des Rotors,
wird dabei erreicht, daß die Aufteilung des Speichers
41 für die Prozessoren 40 transparent verläuft und
daß ein schneller konfliktfreier Speicherzugriff gewähr
leistet ist.
In Fig. 6 ist ein mehr- (d. h. drei-) stufiges relativ
komplexes Verbindungsnetzwerk zur Verbindung von 64
Prozessoren, also 64 Ein- und Ausgangsleitungen 0 . . .
(n-1) beziehungsweise 0′ . . . (n-1)′ dargestellt, bei
dem das erfindungsgemäße Schaltungs-Layout gemäß Fig. 1
zugrunde gelegt ist, bei dem die Gesamtheit der Lei
tungsverbindungen jedoch auf einen übersehbaren Umfang
reduziert ist.
Die grundsätzliche Aufgabe, jede Eingangsleitung
0 . . .(n-1) im Laufe eines Zeitzyklus einmal mit jeder
der Ausgangsleitungen 0′ . . .(n-1)′ zu verbinden, wird
hierbei mittels dreier Ebenen I, II, III von jeweils
16 Verbindungsnetzwerken 20′ gelöst. Die Verbindungs
netzwerke 20′ der drei Ebenen sind dabei jeweils grup
penweise orientiert und so miteinander gekoppelt, daß
die Verbindungsnetzwerke 20′ der ersten Ebene I jeweils
mit Eingangsanschlüssen je eines Verbindungsnetzwerks
20′ einer Vierer-Gruppe von Verbindungsnetzwerken 20′
der zweiten Ebene II verbindbar sind. Damit werden
jeweils vier Verbindungsnetzwerke 20′ der ersten Ebene
I auf die vier Gruppen von Verbindungsnetzwerken 20′
der zweiten Ebene II aufgefächert. Werden nun die Aus
gänge der Verbindungsnetzwerke 20′ der zweiten Ebene
II wiederum so auf Vierer-Gruppen von Verbindungsnetz
werken 20′ der dritten Ebene III geschaltet, daß jedes
Verbindungsnetzwerk 20′ einer Vierer-Gruppe der zweiten Ebene II mit jedem Verbin
dungsnetzwerk 20′ einer konjugierten Vierer-Gruppe der dritten Ebene III verbunden
ist, so wird über eine entsprechend abgestimmte An
steuerung der Verbindungsnetzwerke 20′ die obige grund
sätzliche Aufgabe lösbar. Zur Verbindung der insgesamt
64 Prozessoren sind so nur insgesamt 2n=128 Leitungen
erforderlich - gegenüber
Leitungen, wie sie ohne
Zwischenebene erforderlich wären. Bezüglich der
Leitungsverbindung zwischen den einzelnen Verbindungs
netzwerken 20′ der genannten drei Ebenen I, II, III
wird expliziert auf die zeichnerische Darstellung ver
wiesen.
Das vorstehend beschriebene dreistufige Verbindungsnetz
werk geht wie erwähnt von dem in Fig. 1 gezeigten Aus
führungsbeispiel aus. Das Problem besteht jedoch darin,
daß mit diesem Verbindungsnetzwerk keine identischen
Durchschaltungen möglich wären. Diese Durchschaltungen
sind - und hier wird auf die Zeichnung verwiesen -
für die in Fig. 6 gezeigte spezielle Schaltung erforder
lich. Um diese Durchschaltungen zu ermöglichen, wird
beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 an den - freien
- (i, i)-ten Kreuzungspunkten ein Ein-/Ausschalter
eingefügt, über den dann auch die (i, i′)- Ein-/Aus
gangsleitungen durchgeschaltet werden können.
In Fig. 7 ist ein Schaltungs-Layout des modifizierten
Verbindungsnetzwerks 20′ für den Fall n=8 dargestellt.
Dieses basiert auf einer Abänderung von Fig. 2 und
zeigt eine Schaltung, die um die genannte Identität
(d. h. man ordnet Eingang i dem Ausgang i zu) erweitert
ist. Dazu nimmt man - analog zur Schaltungskonfiguration
nach Fig. 1 - die beiden diagonalen Leitungen für ∞ und
∞′ aus dem Schaltungsentwurf heraus und behandelt sie
als Sonderfall. Mit den genannten beiden Leitungen ∞,
∞′ fallen natürlich auch die Ein-/Ausschalter an
den Kreuzungspunkten (i, i) weg. Die in Fig. 7 darge
stellte Schaltung entspricht insoweit dann dem Aus
führungsbeispiel nach Fig. 1.
Die der Realisierung der Durchschaltung der (i, i)-Kreuzungspunkte,
also der Durchschaltung der erforderlichen
Identitäten geht davon aus, daß auf der Diago
nalen wieder Ein-/Ausschalter eingesetzt werden, die
von einem zusätzlichen Ansteuersignal H angesteuert
werden. Dieses Ansteuersignal H wird als weitere Leitung
eingefügt, die diagonal von links oben nach rechts
unten verläuft. Gleichzeitig muß auch der Spezialfall ∞
um einen Ein-/Ausschalter erweitert werden, der letztlich
∞ auf ∞′ durchschalten kann; auch dieser Schal
ter wird von H angesteuert.
Das Signal H selbst erhält man wie die anderen Ansteuer
signale aus dem zyklischen Schieberegister, das hierfür
jedoch um eine Zelle erweitert ist.
Fig. 8 zeigt ein Anwendungsbeispiel für das sogenannte
POLLING. Schließt man an einen der Ein-/Ausgänge
des Verbindungsnetzwerks 20 einen Prozessor 50 an und
verbindet man die (n-1) verbliebenen freien Anschlüsse
anderweitiger Geräte 51, so kann der Prozessor 50 durch
ständiges Abfragen der Leitung und entsprechendes Takten
des Verbindungsnetzwerks 20 die Geräte nacheinander
nach Statusinformationen oder dergleichen abfragen.
Fig. 9 zeigt ein Anwendungsbeispiel in Verbindung mit
der Vergabe gemeinsamer Resourcen. Dabei werden (n-1)
Prozessoren 60 an (n-1) Ein-/Ausgänge geschaltet.
An den verbleibenden n-ten Ausgang wird eine gemeinsame
Resource, zum Beispiel ein Drucker, 61, angeschlossen.
Der Prozessor 60, der die Leitung zur Resource 61 be
sitzt, kann diese dann alleine für sich benutzen. Taktet
man das Verbindungsnetzwerk 20 ständig, so kann man
den Prozessoren 60 eine Resource 61 im klassischen
Zeitmultiplexverfahren zuteilen.
Fig. 10 zeigt ein Anwendungsbeispiel in der Form eines
Netzwerks der Größe n. Dabei werden n Prozessoren 70
an das Verbindungsnetzwerk 20 angeschlossen, über das
sie miteinander kommunizieren. Das Verbindungsnetzwerk
20 wirkt somit als pseudostarrer Kreuzschienenverteiler
zwischen den Prozessoren 70.
Fig. 11 zeigt ein praktisches Anwendungsbeispiel in
Verbindung mit der sogenannten Kryptographie. Bei syn
chronen Stromchiffrierverfahren wird jedes zu verschlüsselnde
Datenbit mit einem zufällig zu wählenden Bit
mittels eines XOR-Gliedes 81 verknüpft. Die Zufälligkeit
der Bits beruht dabei in der Regel auf Pseudozufalls
zahlengeneratoren 80. Diese Folgen sind zyklisch und
deshalb kann dieses Verfahren mit kryptoanalytischen
Hilfsmitteln gebrochen werden. Die kryptographische
Sicherheit kann man nun erhöhen, indem man (n-1) ver
schiedene Pseudozufallszahlengeneratoren 80 an das
Verbindungsnetzwerk 20 anschließt und dieses ständig
taktet. Am n-ten Ein-/Ausgang n kann dann eine neue
(pseudozufällige) 0-1-Folge abgegriffen werden.
Claims (10)
1. Verbindungsnetzwerk zur Durchschaltung von n Signal
wegen entsprechend vorgegebenen Permutationsvor
schriften,
dadurch gekennzeichnet,
daß n Eingangssignalstellen über je ein Schaltele ment mit n Ausgangssignalstellen verbindbar sind, daß die Schaltelemente zur Realisierung eines Zeit multiplexbetriebs mit einer Taktsteuerung gekoppelt sind, die einem vorgegebenen Zeittakt entsprechend nacheinander die den Permutationen entsprechenden Verbindungen zwischen den Eingangs-/Ausgangs signalstellen durchschalten, und
daß die Permutationen aufgrund der folgenden Berech nungsvorschrift variiert werden = (i, ∞) u {{(i-j) mod (n-1), (i+j) mod (n-1)}, für j=1 . . . n-1}mit i = 0 . . . n-2.
daß n Eingangssignalstellen über je ein Schaltele ment mit n Ausgangssignalstellen verbindbar sind, daß die Schaltelemente zur Realisierung eines Zeit multiplexbetriebs mit einer Taktsteuerung gekoppelt sind, die einem vorgegebenen Zeittakt entsprechend nacheinander die den Permutationen entsprechenden Verbindungen zwischen den Eingangs-/Ausgangs signalstellen durchschalten, und
daß die Permutationen aufgrund der folgenden Berech nungsvorschrift variiert werden = (i, ∞) u {{(i-j) mod (n-1), (i+j) mod (n-1)}, für j=1 . . . n-1}mit i = 0 . . . n-2.
2. Verbindungsnetzwerk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die möglichen Permutationsfolgen von einem
Speicher oder Prozessor bereitgestellt und durch
Steuerbefehle sequentiell aktivierbar sind.
3. Verbindungsnetzwerk nach Anspruch 1 oder 2,
zur Durchschaltung von n Eingangsleitungen auf
n Ausgangsleitungen nach dem Zeitmultiplexverfahren
und entsprechend vorgegebenen Permutationen,
insbesondere zur Anwendung als Vollduplex-Verbin
dungsnetzwerk zwischen n Funktionseinheiten einer
Datenverarbeitungsanlage,
dadurch gekennzeichnet,
daß (n-1) Eingangsleitungen und (n-1) Ausgangslei
tungen einem symmetrischen, insbesondere orthogo
nalen Leitungsmuster entsprechend, sich kreuzend
aber an den Kreuzungspunkten relativ zueinander
isoliert angeordnet sind, wobei mit Ausnahme der
(i, i)-ten Kreuzungspunkte sämtlichen weiteren
Kreuzungspunkten des Leitungsmusters je ein Ein-/
Aus-Schalter zugeordnet ist, über den die sich
kreuzenden Ein-/Ausgangsleitungen elektrisch ver
bindbar sind,
daß eine n-te Eingangsleitung und eine n-te Aus gangsleitung parallel zueinander angeordnet und über je einen Ein-/Aus-Schalter mit den (n-1) Ein- und Ausgangsleitungen verbunden sind, und daß die Ein-/Aus-Schalter so mit einer Takt steuerung gekoppelt sind, daß dem vorgegebenen Zeit takt entsprechend nacheinander und wiederkehrend die den Permutationen entsprechenden Verbindungen zwischen den Ein-/Ausgangsleitungen durchgeschal tet sind, und zwar nach jeweils (n-1) Takten.
daß eine n-te Eingangsleitung und eine n-te Aus gangsleitung parallel zueinander angeordnet und über je einen Ein-/Aus-Schalter mit den (n-1) Ein- und Ausgangsleitungen verbunden sind, und daß die Ein-/Aus-Schalter so mit einer Takt steuerung gekoppelt sind, daß dem vorgegebenen Zeit takt entsprechend nacheinander und wiederkehrend die den Permutationen entsprechenden Verbindungen zwischen den Ein-/Ausgangsleitungen durchgeschal tet sind, und zwar nach jeweils (n-1) Takten.
4. Verbindungsnetzwerk nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die n-te Eingangsleitung und die n-te Ausgangs
leitung außerhalb des Leitungsnetzes der (n-1) Ein-
und Ausgangsleitungen vorgesehen sind (Fig. 1).
5. Verbindungsnetzwerk nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die n-te Eingangsleitung und die n-te Ausgangs
leitung als über die (i, i)-ten Kreuzungspunkten
geführtes Leitungspaar realisiert sind (Fig. 2).
6. Verbindungsnetzwerk nach Anspruch 4,
zur Ermöglichung von identischen Durchschaltungen
der (i, i)-ten Kreuzungspunkten,
dadurch gekennzeichnet,
daß an den (i, i)-ten Kreuzungspunkten je ein Ein-/
Aus-Schalter vorgesehen ist, über die die sich
kreuzenden (i, i)-ten Ein-/Ausgangsleitungen
durchschaltbar sind (Fig. 7.
7. Verbindungsnetzwerk nach Anspruch 1 oder 2,
zur Durchschaltung von n Eingangsleitungen auf
n Ausgangsleitungen nach dem Zeitmultiplexverfahren
und entsprechend vorgegebenen Permutationen,
insbesondere zur Anwendung als Verbindungsnetzwerk
zwischen n Funktionseinheiten einer Datenverarbei
tungsanlage,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Verbindungsschaltung mit einer der Anzahl der zu verbindenden Ein-/Ausgangsleitungen ent sprechenden Anzahl von Anschlußpunkten vorgesehen ist,
daß in die Verbindungsschaltung eine im Zeittakt des Zeitmultiplexverfahrens rotierende Scheibe inte griert ist, und
daß die rotierende Scheibe ein solches Leitungs muster aufweist, daß nach einer Umdrehung der rotie renden Scheibe sämtliche Verbindungen zwischen den Ein-/Ausgangsleitungen genau einmal durchgeschaltet waren (Fig. 3).
daß eine Verbindungsschaltung mit einer der Anzahl der zu verbindenden Ein-/Ausgangsleitungen ent sprechenden Anzahl von Anschlußpunkten vorgesehen ist,
daß in die Verbindungsschaltung eine im Zeittakt des Zeitmultiplexverfahrens rotierende Scheibe inte griert ist, und
daß die rotierende Scheibe ein solches Leitungs muster aufweist, daß nach einer Umdrehung der rotie renden Scheibe sämtliche Verbindungen zwischen den Ein-/Ausgangsleitungen genau einmal durchgeschaltet waren (Fig. 3).
8. Verbindungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7,
gekennzeichnet durch seine Verwendung als Kreuz
schienenverteiler zu Verbindung von n Prozessoren
einer Datenverarbeitungsanlage (Fig. 10).
9. Verbindungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7,
gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Verbindung
einer Funktionseinheit einer ersten Art mit (n-1)
Funktionseinheiten einer zweiten Art (Fig. 8, 9, 11).
10. Verbindungsnetzwerk nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch seine Verwendung zum Aufbau
eines mehrstufigen Netzwerkes (Fig. 6).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904002455 DE4002455A1 (de) | 1990-01-27 | 1990-01-27 | Permutationsschaltung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904002455 DE4002455A1 (de) | 1990-01-27 | 1990-01-27 | Permutationsschaltung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4002455A1 true DE4002455A1 (de) | 1991-08-01 |
Family
ID=6398937
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19904002455 Withdrawn DE4002455A1 (de) | 1990-01-27 | 1990-01-27 | Permutationsschaltung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4002455A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1996032826A1 (en) * | 1995-04-14 | 1996-10-17 | Northern Telecom Limited | Large capacity modular atm switch |
WO1997002710A1 (en) * | 1995-07-05 | 1997-01-23 | Power X Limited | Integrated circuit cross point switch |
RU2815332C1 (ru) * | 2023-02-14 | 2024-03-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Способ построения коммутируемых управляющих сетей с топологией квазиполного орграфа |
-
1990
- 1990-01-27 DE DE19904002455 patent/DE4002455A1/de not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1996032826A1 (en) * | 1995-04-14 | 1996-10-17 | Northern Telecom Limited | Large capacity modular atm switch |
WO1997002710A1 (en) * | 1995-07-05 | 1997-01-23 | Power X Limited | Integrated circuit cross point switch |
RU2815332C1 (ru) * | 2023-02-14 | 2024-03-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Способ построения коммутируемых управляющих сетей с топологией квазиполного орграфа |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69011190T2 (de) | Netztopologie für reduzierte Blockierung und entsprechende photonische Systemausführung. | |
DE4425552C2 (de) | Gatterarray | |
DE69515171T2 (de) | Optisches telekommunikationsnetz | |
DE3884048T2 (de) | Nichtlinearer Zufallsfolgegenerator. | |
DE2132004A1 (de) | Multiplex-Information-UEbertragungsanlage | |
DE69014143T2 (de) | Optische Verbindungs-Netzwerke. | |
EP0399139B1 (de) | Verfahren zur Erweiterung eines dreistufigen regelmässigen Koppelfeldes | |
DE69227394T2 (de) | Netzwerksteueranordnung | |
DE69013389T2 (de) | Steuerungsverfahren für Raumvielfachkoppelnetz. | |
DE69024256T2 (de) | Optische Vorrichtung zum Kombinieren von Lichtstrahlen-Matrizen mit verschiedenen Wellenlängen | |
DE3722907A1 (de) | Maximallaengen-schieberegister-folgegenerator | |
EP0231434B1 (de) | In integrierter Technik hergestellter Baustein zur Erstellung integrierter Schaltungen | |
DE2818208A1 (de) | Modularer digitaler waehlschalter | |
DE4002455A1 (de) | Permutationsschaltung | |
DE69227268T2 (de) | Netzwerk mit eingebettete Steuerung | |
DE3782538T2 (de) | Mehrstufiges elektrisches signalverarbeitungsgeraet. | |
EP1466264A2 (de) | Verfahren zur konfiguration der verbindung zwischen datenverarbeitungszellen | |
DE2602570C3 (de) | Zeitmultiplexkoppelfeld | |
DE2262235C2 (de) | Mehrstufiges Koppelfeld zur Vermittlung von Zeitmultiplexnachrichten | |
DE19757370C2 (de) | Verfahren zur taktilen Erzeugung pseudo-zufälliger Datenworte | |
EP0725521B1 (de) | Verfahren zur Übertragung von digitalen Daten | |
DE69224713T2 (de) | Kompakte programmierbare optische parallele Verarbeitungsanordnung | |
DE4408543C2 (de) | Adressierung durch Permutation | |
DE3331043C2 (de) | ||
DE4021587A1 (de) | Integrierter koppelfeldbaustein |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |