DE69031011T2

DE69031011T2 - Optimierte Verbindungssysteme

Info

Publication number: DE69031011T2
Application number: DE69031011T
Authority: DE
Inventors: Kurt Baty; Scott J Bleiweiss; Richard C Clemson; Charles J Horvath; Kenneth T Wolff
Original assignee: Stratus Computer Inc
Current assignee: Ascend Communications Inc
Priority date: 1989-05-19
Filing date: 1990-05-16
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2010-05-17
Also published as: JPH0311455A; EP0398678A2; ATE155265T1; CA2016193A1; EP0398678A3; JP2000000064U; EP0398678B1; DE69031011D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Verbindungsnetzwerke und insbesondere auf Netzwerke, die optimierte Kommunikationspfade in Systemen mit mehreren Knoten (Mehrknoten-Systeme) bereitstellen. Die Erfindung findet zum Beispiel bei Busstrukturen von digitalen Datenverarbeitungssystemen mit mehreren Prozessoren (Mehrprozessor-System) Anwendung.
Im Stand der Technik gibt es eine Anzahl von Strukturen für Verbindungselemente innerhalb von Systemen mit mehreren Knoten. Eine breite Vielzahl von solchen Ausgestaltungen wird auf dem Gebiet der digitalen Datenverarbeitung eingesetzt, wobei Designer große Anstrengungen unternommen haben, Mechanismen zum Koppeln von funktionellen Systemeinheiten, zum Beispiel von zentralen Prozessoren, von Speichern und von Eingabe/Ausgabe-Steuereinrichtungen zu entwickeln, um hierdurch maximalen Durchsatz und andere gewünschte Eigenschaften zu erzielen.
Bei einem Ansatz des Standes der Technik, nämlich einem sogenannten Mehrport-System bzw. System mit mehreren Ports (Anschlüssen), werden separate Busse zur Verbindung von einzelnen, gemeinsam benutzten Speichereinheiten und von mehreren Prozessoreinheiten benutzt. Bei einem System mit mehreren Ports, das zum Beispiel vier Prozessoren und vier Speichereinheiten aufweist, verfügt jeder Prozessor über seinen eigenen, ihm zugeordneten Bus. Jeder dieser Busse ist mit den einzelnen Speichereinheiten verbunden. An den Speichereinheiten sind Schnittstellenmodule mit vier Ports verbunden, um hierdurch die Kommnunikation zwischen den Ports und den Prozessoren zu überwachen bzw. vorzunehmen, und insbesondere zu steuern, welcher Prozessor Zugang zu dem zugehörigen Speicher zu einem jeweiligen Zeitpunkt besitzt.
Bei herkömmlichen Crossbar- bzw. Kreuzschienen-Systemen ist eine Schaltanordnung zwischen funktionellen Einheiten zum Aufbau von temporären Kommunikationspfaden eingefügt. Knoten innerhalb des Systems, zum Beispiel die zentralen Verarbeitungseinheiten, die peripheren Steuereinheiten und die Speichermodule weisen ihre eigenen zugeordneten Busse auf, die in der Form eines Gitters mit Schaltern an jedem Schnittpunkt miteinander verschaltet sind. Diese Schalter sprechen auf ein Befehls- und Adreßsignal, das von den Knoten erhalten wird, dadurch an, daß sie Kommunikationspfade öffnen, die auf der Basis Transaktion-für-Transaktion gebildet werden. Sobald eine Transaktion bzw. ein Vorgang abgeschlossen ist, wird dessen Pfad geschlossen, wodurch dieser Abschnitt des Gitters für die anderen Einheiten zugänglich bleibt.
Das System mit "gemeinsamem Bus" arbeitet mit einem einzigen Systembus, um die Kommunikation zwischen mehreren Knoten zu handhaben. Ein System mit mehreren Prozessoren, das eine Mehrzahl von zentralen Prozessoren enthält, die zum Beispiel ein einziges Speichermodul gemeinsam nutzen, erlaubt lediglich einem Prozessor zu einem jeweiligen Zeitpunkt, Informationen zwischen sich und dem Speichermodul zu übertragen. Andere Prozessoren, die einen Zugriff zu der Speichereinheit benötigen, warten ab, bis sie an die Reihe kommen und versuchen den Buszugriff zu erreichen, bevor sie weiterarbeiten. Das hiermit verwandte System mit dualem Bus arbeitet mit einem Hauptsystembus für die Verbindung eines Satzes von lokalen Systemen des Typs mit gemeinsamem Bus. Eine Steuereinheit bildet die Schnittstelle für jedes lokale Netzwerk zu dem Hauptbus und überträgt Signale zwischen diesen Komponenten je nach Bedarf.
Diese Konzepte gemäß dem Stand der Technik weisen eine Anzahl von Nachteilen auf. Die Netzwerke mit mehreren Ports und mit Kreuzschienen bieten zwar eine hohe Transmissionsbandbreite, werden jedoch über Gebühr komplex und teuer, wenn sich die Anzahl der Knoten vergrößert. Die Systeme mit gemeinsamem Bus und mit dualem Bus sind zwar weniger schaltungsintensiv, führen aber zur Bildung von Flaschenhälsen bzw. Engpässen bei ihren gemeinsam benutzten Resourcen, zum Beispiel bei dem Hauptsystembus und dem Speicher und verfügen daher über relativ schmale Übertragungsbandbreiten (Transmissionsbandbreiten).
Im Hinblick auf die vorstehenden Erläuterungen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes System für die Verbindung von Verarbeitungselementen eines Mehrknoten-Systems (System mit mehreren Knoten) bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Struktur für die Verkopplung einer Mehrzahl von Knoten von Rechnersystemen und Signalverarbeitungssystemen zu schaffen. Eine andere Aufgabe besteht darin, ein Rechner- und Signalverarbeitungssystem mit mehreren Knoten zu schaffen, bei dem die Kommuniktionsbandbreite maximiert ist und bei dem die Hardwarekosten und der Komplexitätsgrad auf ein Minimum gebracht sind. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Busstruktur für ein digitales Datenverarbeitungssystem zu schaffen.
In der GB-A 2 064 839 ist ein Gerät in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und insbesondere ein mit mehreren Prozessoren ausgestattetes System zum Verarbeiten von digitalen Daten offenbart, das eine Anzahl P(≥4) von Bussen a, b, c und d sowie eine Anzahl P(P-1)/2 von Prozessorstationen aufweist, die jeweils mit einem unterschiedlichen Paar von Bussen verbunden sind. Jede Station ist somit direkt mit 2(P-2) Stationen über den einen oder den anderen ihrer zwei Busse verbunden sowie indirekt über eine einzige Station, die als ein Relais dient, mit (P-2)(P-3)/2 Stationen verbunden. Die Busse weisen Adressen 1 bis P auf und es ist jeder Station eine vollständige Adresse zugeordnet, die durch die Verkettung der Adressen der beiden Busse, mit der sie verbunden ist, in beliebiger Reihenfolge gebildet ist, sowie zwei unvollständige Adressen zugeordnet, die durch die Adressen der beiden Busse, mit denen sie verbunden ist, gebildet sind. Wenn eine Station ihre vollständige Adresse detektiert, verhält sie sich wie eine adressierte Station, wobei sie eine Verbindung zu dem Bus, über den sie die vollständige Adresse empfangen hat, herstellt. Wenn die Station eine ihrer beiden unvollständigen Adressen detektiert, verhält sie sich wie eine Relaisstation, indem sie ihre beiden Busse miteinander verbindet.
Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 charakterisiert.

Kurzfassung der Erfindung

Diese Aufgaben werden durch die Erfindung gelöst, die gemäß einem Aspekt ein mit mehreren Knoten versehenes System (Mehrknoten-System) bereitstellt, das eine Mehrzahl von Knoten für die Durchführung von Operationen aufweist. Das System kann zum Beispiel ein mehrfach verarbeitender digitaler Datenprozessor mit Knoten, zum Beispiel mit zentralen Verarbeitungseinheiten, peripheren Steuereinrichtungen und Speichereinheiten sein, die Berechnungen durchführen, Steuerfunktionen zur Systemsteuerung ausführen, mit peripheren Geräten kommunizieren und Daten speichern und wiedergewinnen.
Die Knoten sind miteinander über eine Mehrzahl von einzelnen Verbindungselementen, zum Beispiel von Buslinien, verbunden, die einen unabhängigen Pfad für die Handhabung der Kommunikationen zwischen den Knoten bereitstellen.
Die Verbindungselemente sind in einer dünnen Verbindungsanordnung konfiguriert, derart, daß jeder Knoten in dem System direkt mit jedem anderen Knoten über ein zugeordnetes, unabhängiges Verbindungselement kommunizieren kann, und daß keines der Verbindungselemente alle Knoten miteinander verbindet.
Bei einem Mehrprozessor-System (mit mehreren Prozessoren ausgestattetes System), das in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebaut ist, werden somit zum Beispiel sieben Verarbeitungsknoten durch sieben unabhängige Busleitungen miteinander in einer Konfiguration verbunden, die derart ausgelegt ist, daß jede Busleitung lediglich mit vier Knoten direkt verbunden ist, und daß jeder Knoten mit jedem anderen Knoten über jede der beiden direkten Busleitungen direkt kommunizieren kann.
Jeder Knoten eines mit mehreren Knoten ausgestatteten Systems, das in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebaut ist, weist einen Satz von Anschlüssen bzw. Ports auf, die den Knoten mit seinen zugehörigen Verbindungselementen koppeln bzw. eine Schnittstelle hierfür bilden. In einer Daten verarbeitenden Umgebung übertragen diese Ports zum Beispiel digitale Signale zwischen einer funktionellen Einheit und ihren zugehörigen Busleitungen. Zur Veranschaulichung weist jeder Knoten eines als Beispiel dienenden Mehrprozessors, der sieben unabhängige Busse und sieben Knoten enthält, vier Ports auf, die diesen Knoten mit seinen zugehörigen Bussen koppeln.
Ein mit mehreren Knoten ausgestattetes System, das in Übereinstimmung mit der Verbindung aufgebaut ist, kann mittels eines einzigen Wegs, mittels zweier Wege oder allgemeiner mittels (n) Wege angeschlossen sein, wobei (n) eine ganze Zahl bezeichnet. Bei einem lediglich über einen Weg verbundenen System (Einweg-System) ist lediglich ein Verbindungselement mit zwei Knoten gekoppelt. Anders ausgedrückt, existiert lediglich ein Verbindungspfad zwischen jedem Knoten und jedem anderen Knoten. Ein über zwei Wege gekoppeltes System weist auf der anderen Seite zwei Verbindungselemente auf, die jedes Paar von Knoten miteinander koppeln. In gleichartiger Weise stellt ein über (n) Wege intern verbundenes System (n) unabhängige Verbindungspfade zwischen jedem Paar bereit. Verbindungsanordnungen mit zwei Wegen und (n) Wegen können für den Einsatz bei fehlertoleranten Kommunikationen ausgelegt werden.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann jede Konfiguration aus Verbindungselementen, die zur gegenseitigen Verbindung von Ports benutzt wird, aus einem Lösungssatz aus mathematischen Konstruktionen bzw. Gleichungen abgeleitet werden, die als unvollständig symmetrierte Blockgestaltungslösungen bezeichnet werden. Diese Konfiguration kann darüberhinaus so ausgelegt werden, daß die Nachrichtenverbindungen über die Verbindungsstruktur hinweg optimiert werden. Bei einem Einsatz bei Computern können die Verbindungselemente, oder die Busleitungen, zum Beispiel so konfiguriert werden, daß sie Pfade von Port zu Port bilden, die sicherstellen, daß jeder Bus im wesentlichen die gleiche Länge aufweist.
Diese und weitere Gesichtspunkte der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein noch vollständigeres Verständnis der Erfindung kann unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erhalten werden, bei denen gilt:
Fig. 1 zeigt eine Einweg-Verbindungsbusanordnung zum Koppeln der Knoten eines digitalen Datenverarbeitungssystems, das in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 2 zeigt eine dünne (räumlich schwach belegte) Busanordnung, die eine Zweiwegverbindung zwischen vier Knoten eines ditigalen Datenverarbeitungssystems bereitstellt, das in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 3 zeigt eine dünne (räumlich schwach belegte) Busanordnung, die eine Zweiwegverbindung zwischen sieben Knoten eines ditigalen Datenverarbeitungssystems bereitstellt, das in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Konfiguration der Ausgestaltung, die in Fig. 3 gezeigt ist und so optimiert ist, daß die Busleitungen im wesentlichen die gleiche Länge aufweisen;
Fig. 5 zeigt einen digitalen Datenprozessor mit einer dünnen bzw. räumlich schwach belegten Busanordnung, die in ähnlicher Weise wie die in Fig. 4 gezeigte Busanordnung aufgebaut ist, jedoch nur sechs Knoten besitzt; und
Fig. 6 zeigt einen digitalen Datenprozessor mit redundanten, funktionellen Einheiten, der eine dünne (räumlich schwach belegte) belegte Busanordnung besitzt, die ähnlich wie die in Fig. 4 gezeigte Busanordnung aufgebaut ist.

Detaillierte Beschreibung des dargestellten Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt digitales Datenverarbeitungssystem 10, das in Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der Erfindung aufgebaut ist. Das dargestellte System 10 enthält sieben Knoten 12, 14, 16, 18, 20, 22 und 24, die miteinander mit Hilfe einer Einwegverbindungsstruktur (nur einen Weg bereitstellender Verbindungsaufbau) gekoppelt sind, die durch sieben Busse 26, 28, 30, 32, 34, 36 und 38 gebildet ist. Die Busse verbinden jeden Knoten in dem System mit jedem anderen Knoten, so daß (1) jeder Knoten mit jedem anderen Knoten durch mindestens einen Bus verbunden ist, (2) kein einziger Knoten mit allen anderen Knoten durch einen einzigen Bus verbunden ist, und (3) mindestens einer der Busse mit drei oder mehr Knoten verbunden ist.
Bezugnehmend auf die Zeichnung ist der Knoten 12 mit den Knoten 14 und 16 über den Bus 26, mit den Knoten 18 und 20 über den Bus 28, und mit den Knoten 22 und 24 über den Bus 30 verbunden. Der Knoten 14 steht in gleichartiger Weise direkt mit dem Knoten 12 und 16 über den Bus 26, mit den Knoten 18 und 22 über den Bus 32, und mit den Knoten 20 und 24 über den Bus 34 in Verbindung. Die Knoten 16 bis 24 sind in gleichartiger Weise durch einen einzigen Verbindungspfad mit jedem der anderen Knoten verbunden.
Die Busse 26, 28, 30, 32, 34, 36 und 38 sind unabhängig voneinander, das heißt sie sind nicht direkt miteinander gekoppelt. Jeder Bus ist somit imstande, die Kommunikationen unabhängig von den anderen Bussen zu führen, und es kann daher jeder Knoten Informationen über einen seiner zugehörigen Busse unabhängig von irgendwelchen Kommunikationen, die auf den anderen Bussen stattfinden, senden und empfangen. In dieser Hinsicht bezieht sich der Ausdruck "zugeordnet" auf diejenigen Busse, die mit einem Knoten verbunden sind (zum Beispiel sind die Busse 26, 28 und 30 gemäß der Darstellung in Fig. 1 dem Knoten 12 "zugeordnet").
Die Knoten 12 bis 24 weisen jeweils drei Ports bzw. Schnittstellen auf, die mit 12a, 12b, 12c, ..., und 24a, 24b und 24c bezeichnet sind, und über die sie jeweils mit ihren zugeordneten Bussen gekoppelt sind. Der Knoten 12 ist somit zum Beispiel mit dem Bus 26 über den Port 12a, mit dem Bus 28 über den Port 12b, und mit dem Bus 30 über den Port 12c verbunden. In gleichartiger Weise sind auch die anderen Knoten über ihre jeweiligen drei gezeigten Ports mit ihren zugeordneten Bussen gekoppelt.
Die Buskonfiguration, die in Fig. 1 gezeigt ist, läßt sich in tabellarischer Form folgendermaßen darstellen: Tabelle 1
In der Tabelle sind die Knoten 12 bis 24 jeweils mit den Großbuchstaben "A" bis "G" bezeichnet, während die Busse 26 bis 38 mit den Ziffern "1" bis "7" bezeichnet sind und die Ports 12a bis 24a durch die mit "a" bezeichnete Spalte, die Ports 12b bis 24b durch die mit "b" bezeichnete Spalte, und die Ports 12c bis 24c durch die mit "c" bezeichnete Spalte repräsentiert sind.
Unter Bezugnahme auf die Tabelle 1 (und die entsprechende Fig. 1) läßt sich die Konfiguration der dünnen bzw. räumlich dünn verteilten Busanordnung wie folgt beschreiben: Der Bus #1 verbindet die Knoten A, B und C über ihre jeweiligen Ports "a" miteinander (in der Zeichnung verbindet der Bus 26 die Knoten 12, 14 und 16 über ihre Ports 12a, 14a und 16a); der Bus #2 verbindet die Knoten A, D und E über die Ports "b", "a" und "a" jeweils miteinander (der Bus 28 verbindet die Knoten 12, 18 und 20 über die Ports 12b, 18a und 20a); der Bus #3 verbindet die Knoten A, F und G über die Knoten bzw. Ports "c", "a" und "a" jeweils miteinander (der Bus 30 verbindet die Knoten 12, 22 und 24 über die Ports 12c, 22a und 24a); und so weiter.
Die dargestellte, räumlich dünn verteilte Busanordnung schafft eine Einwegverbindung für die Verbindung von sieben Knoten, die jeweils drei Ports bzw. Schnittstellen aufweisen, über sieben unabhängige Busse und ist als ein Element aus mindestens einer größeren Klasse von hiermit verwandten Einweg-Verbindungsstrukturen zu verstehen. Diese Klasse kann zum Teil durch die Beziehung zwischen der Anzahl von unabhängigen Bussen (b), der Anzahl (r) von Ports bzw. Schnittstellen, und der Anzahl (v) von Knoten wie folgt charakterisiert werden: Gleichung 1
Ein System, das in Übereinstimmung mit diesem Gesichtspunkt der Erfindung aufgebaut ist, kann somit zum Beispiel drei Schnittstellen, sieben Knoten und sieben unabhängige Busse; oder vier Schnittstellen, neun Knoten und zwölf unabhängige Busse, usw. aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung repräsentieren die Knoten 12 bis 24 die funktionellen Einheiten eines digitalen Datenverarbeitungssystems. Die Knoten 12, 14 und 16 können somit zum Beispiel drei zentrale Vearbeitungseinheiten repräsentieren, der Knoten 18 kann eine Netzwerk-Schnittstelle sein, die Knoten 20 und 22 können periphere Steuereinrichtungen sein, und der Knoten 24 kann eine gemeinsam benutzte Direktzugriffsspeichereinheit sein. Die Signalverarbeitungsfunktionen, die durch jeden dieser Knoten 12 bis 24 durchgeführt werden, werden durch einen logischen Verarbeitungsabschnitt in jedem Knoten bewältigt. In dem Knoten 12 in Fig. 1 ist ein solcher Abschnitt in Form eines Elements 42 gezeigt. Zur Veranschaulichung können diese logischen Abschnitte in genereller Übereinstimmung mit den Lehren der US-PS 4 654 857 und den US-Patentanmeldungen Nummer 927 746; 003 732; 018 629; 079 297 und 227 471, die dem Inhaber vorliegenden Patents zugeordnet sind, aufgebaut sein und betrieben werden. Die Lehren der Patente und Patentanmeldungen werden hiermit durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt vorliegender Akte miteinbezogen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält jeder Knoten 12 bis 24 sowohl einen zentralen Verarbeitungseinheitsabschnitt als auch einen Direktzugriffsspeichereinheitsabschnitt (RAM-Speicherabschnitt). Auf den zuletzt genannten Abschnitt kann, auch wenn er hauptsächlich der zentralen Verarbeitungseinheit in dem gleichen Knoten zugeordnet ist, auch durch die zentralen Verarbeitungseinheiten in den anderen Knoten zugegriffen werden.
Jeder Knoten in dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält eine Schaltung, die als Schnittstelle für einen logischen Verarbeitungsabschnitt und seine Ports dient. Bezugnehmend auf Fig. 1 weist der als Beispiel herausgegriffene Knoten 12 eine Schnittstellenschaltung 40 auf, die als Schnittstelle zwischen dem logischen Abschnitt 42 und den Ports bzw. Schnittstellen oder Anschlüssen 12a, 12b und 12c dient. Die Schnittstellenschaltung 40 ist mit dem Verarbeitungsabschnitt über eine interne Busleitung 44 verbunden, die im Multiplexbetrieb betrieben wird, um Adressen- und Datensignale sowie Befehlsignale zu transportieren.
Während einer Befehls- oder Datenübertragung überwacht die Schnittstellenschaltung 40 in dem sendenden Knoten die Adressierungssignale, die durch seinen zugehörigen logischen Verarbeitungsabschnitt 42 erzeugt werden. Diese Signale legen fest, von welchem Anschluß bzw. Port die Nachrichten zu senden sind. Als Beispiel werden Nachrichten, die von dem Knoten 12 gesendet werden und an die Knoten 14 oder 16 gerichtet sind, durch die Schaltung 40 über den Anschluß 12a zu dem Bus 26 geleitet, wohingegen Nachrichten, die an die Knoten 22 oder 24 zu leiten sind, über den Anschluß 12c zu dem Bus 30 geleitet werden. Die dargestellte Schnittstellenschaltung 40 überwacht die Busleitungen 26, 28 und 30 weiterhin kontinuierlich, um zu ermitteln, ob die Informationen, die sie transportieren, zu dem zugeordneten Knoten 12 gerichtet und adressiert ist. Falls dies der Fall ist, läßt die Schaltung 40 diese Information zu dem Verarbeitungsabschnitt 42 durch.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugt die logische Schaltung innerhalb jedes Schnittstellenabschnitts 40 ein Signal, das den speziellen Ausgabeanschluß für die Nachrichten von dem zugeordneten Knoten festlegt. Diese logische Schaltung nimmt als Eingangssignale, Signale, die die Knotennummer oder die Schlitzidentifikation repräsentieren, von jeder sendenden Einheit und empfangenden Einheit auf.
In Fig. 2 ist eine räumlich dünn verteilte Busanordnung 50 gezeichnet, die eine Zweiwegverbindung zwischen Knoten eines digitalen Datenverarbeitungssystems bereitstellt, das in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebaut ist. In der Zeichnung ist der interne Aufbau der Knoten, der in gleichartiger Weise gemäß der vorstehenden Erläuterung aufgebaut und betrieben sein kann, nicht dargestellt.
Die räumlich dünn verteilte Busanordnung 50 weist vier Knoten 52 bis 58 auf, die jeweils drei Anschlüsse bzw. Ports 52a, 52b, 52c, ..., und 58a, 58b, 58c enthalten. Die Knoten 52 bis 58 sind durch vier Busse 60 bis 66 in einer solchen Weise miteinander verbunden, daß zwei unabhängige Kommunikationspfade zwischen jedem Knotenpaar vorhanden sind.
Wie vorstehend erläutert, sind die Busse der Verbindungsanordnung 50 so angeordnet, daß sie jeden Knoten mit jedem anderen Knoten derart verbinden, daß (1) jeder Knoten mit jedem anderen Knoten über zwei Busse verbunden ist; (2) kein einziger Knoten mit allen anderen Knoten durch einen einzigen Bus verbunden ist; und (3) mindestens einer der Busse drei Knoten verbunden ist.
Die Konfiguration der Busse und der Anschlüsse bei dem Aufbau 50 ist nachstehend in tabellarischer Form angegeben. Wie zuvor sind auch hier die Knoten 52 bis 58 mit den Großbuchstaben "A" bis "D" bezeichnet; die Anschlüsse 52a bis 58a, ... und 52d (bzw. 52c) bis 58d (bzw. 58c) durch Spalten angegeben, die jeweils mit Kleinbuchstaben "a" bis "c" überschrieben sind; und die Busse 60 bis 66 jeweils durch die Ziffern 1 bis 4 repräsentiert. Tabelle 2
In Tabelle 2 ist die Ausgestaltung eines entsprechenden, in Fig. 2 gezeigten Systems in der vorstehend beschriebenen Weise dargestellt. So gibt die Tabelle zum Beispiel an, daß der Bus #2 die Knoten A, B und C über deren jeweilige Anschlüsse "a" miteinander verbindet, oder es veranschaulicht alternativ der in Fig. 2 gezeigte Aufbau, daß der Bus 60 die Knoten 52 bis 56 über die Anschlüsse 52a bis 56a miteinander verbindet.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist als ein Element aus mindestens einer größeren Klasse aus hiermit verwandten Zweiweg-Verbindungsstrukturen einzustufen. Dieses bekannte Klasse kann zum Teil auch durch die Beziehung zwischen der Anzahl (b) von unabhängigen Bussen, der Anzahl (v) von Knoten und der Anzahl (r) von Anschlüssen in folgender Weise charakterisiert werden: Gleichung 2
Ein System, das in Übereinstimmung mit diesem Gesichtspunkt der Erfindung aufgebaut ist, kann zum Beispiel drei Anschlüsse, vier Knoten und vier unabhängige Busse; fünf Anschlüsse und elf unabhängige Busse enthalten.
Allgemeiner gesagt, zeichnen sich die in Übereinstimmung mit diesem Gesichtspunkt der Erfindung aufgebauten Systeme dadurch aus, daß die Beziehung zwischen der Anzahl (b) von unabhängigen Bussen, der Anzahl (v) von Knoten, der Anzahl (r) von Anschlussen und des Ausmaßes der internen gegenseitigen Verbindung (n) durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann: Gleichung 3
Für ein Einweg-Verbindungssystem ist (n) gleich eins, bei einem Zweiwegsystem ist (n) gleich zwei, und so weiter.
Auch wenn die kleineren Verbindungsstrukturen, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, und in den Tabellen 1 und 2 widergespiegelt sind, "von Hand" oder mit Hilfe eines Computers auf der Basis von "Versuch und Irrtum" festgelegt werden können, hat sich gezeigt, daß die Ergebnisse von Untersuchungen, die in einem als kombinatorische Theorie bekannten Zweig der Mathematik und insbesondere in dem Gebiet der Blockgestaltungen durchgeführt worden sind, dazu benutzt werden können, Konfigurationen für größere Verbindungsstrukturen noch rascher zu ermitteln.
Die Untersuchungen bezüglich der Blockgestaltungen sind dahingehend zu verstehen, daß sie spezielle Lösungen für Probleme bereitstellen, die darin bestehen, (v) unterschiedliche Objekten in (b) Blöcken derart anzuordnen, daß jeder Block exakt (k) unterschiedliche Objekte enthält, die jeweils in exakt (r) unterschiedlichen Blöcken auftreten, und jedes Paar von unterschiedlichen Objekten gemeinsam in exakt (n) Blöcken auftritt. Sätze aus diesen Lösungen, die als "balancierte bzw. symmetrierte unvollständige Blockgestaltungen" bezeichnet werden, sind in Bose: "On the Construction of Balanced Incomplete Block Designs", Annals of Eugenics, (1939) und in: Hall Jr., Combinatorial Theory (2. Auflage, 1986) offenbart. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß Lösungen für alle Werte von (b), (r) und (v), die im übrigen die in den Gleichungen (1), (2) und (3) angegebenen Beschränkungen erfüllen, gegenwärtig nicht bekannt sind.
Bei der Anwendung dieser Lösungen für die Blockgestaltungen bei Verbindungsanordnungskonfigurationen konnte bestätigt werden, daß der Parameter (v) als die Anzahl von Knoten zu behandeln ist; der Parameter (k) als die Anzahl von Lasten je Bus (das heißt als die Anzahl von Knoten, mit denen jeder Bus verbunden ist) einzustufen ist; der Parameter (b) als die Anzahl von Bussen anzusehen ist; und der Parameter (r) als die Anzahl von Ports bzw. Anschlüssen verwendet werden kann. Wie vorstehend angegeben ist, ist (n) als das Ausmaß der gegenseitigen, internen Verbindung einzustufen. Ein Untersatz aus den vorstehend erwähnten Lösungen wird als symmetrisch bezeichnet und erfüllt die zusätzliche Beschränkung, daß v = b und k = r. Für diesen Untersatz lassen sich die vorstehend angegebenen Gleichungen (1) bis (3) jeweils wie folgt ausdrücken:
b = (r x (r - 1)) + 1 Gleichung 4
b = (r x (r - 1)/2) + 1 Gleichung 5
b = (r x (r - 1)/n) + 1 Gleichung 6
Als Beispiel wird von Hall Jr. eine symmetrische Gleichung für (k) = 4, (v) = 7 und (n) = 2 gelehrt. Diese Lösung, die als eine "Biebene" bezeichnet wird, läßt sich in folgender Weise beschreiben: Tabelle 3
Diese Lehre kann bei der praktischen Anwendung der Erfindung zur Gewinnung zum Beispiel einer räumlich dünn verteilten Zweiweg-Verbindungsstruktur so eingesetzt werden, daß die Spalten dieser Matrix als Anschlüsse "a" bis "d", die Zeilen als Knoten "A" bis "G" und die numerischen Einträge selbst als Busleitungen "1" bis "7" bezeichnet werden, so daß sich die nachfolgend angegebene Verbindungstabelle ergibt: Tabelle 4
Übereinstimmend mit den vorstehend angegebenen Erläuterungen kann die Tabelle 4 eine Konfiguration für eine Verbindungsanordnung wiedergeben, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist.
Es versteht sich, daß weitere, räumlich dünn verteilte Busverbindungsanordnungen in Übereinstimmung mit der Erfindung in gleichartiger Weise aus anderen symmetrierten bzw. balancierten unvollständigen Blockgestaltungslösungen, die sowohl symmetrisch als auch andersartig sein können, abgeleitet werden können.
Die Kommunikationseigenschaften der offenbarten Verbindungsstrukturen können dadurch optimiert werden, daß spezielle Verbindungen zwischen den Anschlüssen im Hinblick auf die physikalischen Eigenschaften der Verbindungselemente umgeordnet werden. Insbesondere können die Nachrichtenübertragungen über die in Fig. 3 gezeigte, räumlich dünn verteilte Busanordnung vorzugsweise dadurch verbessert werden, daß die Arrayauslegung so modifiziert wird, daß alle Busse im wesentlichen gleiche Länge besitzen.
Eine solche Abänderung kann zum Beispiel durch Umgruppierung der Anschlüsse und der Busse eines Prototypsystems gemäß "Versuch und Irrtum" bewirkt werden und kann vorzugsweise durch ein interaktives Umschalten der Zeilen und Spalten von Matrizen des in den Tabellen 1, 2 und 4 gezeigten Typs erreicht werden. Die Buslängen von den entsprechenden physikalischen Systemen, die anhand der aktuellen Abstände zwischen den Anschlüssen und den Knoten berechnet werden können, werden miteinander verglichen, um die optimale Konfiguration zu identifizieren.
Somit kann zum Beispiel ein Computerprogramm so ausgelegt werden, daß es die Gestaltungen mit bestmöglich gleichen Buslängen dadurch ermittelt, daß zunächst die Längen der Busse berechnet werden, die zur Realisierung einer der Tabelle 4 entsprechenden Gestaltung erforderlich sind, und die Ergebnisse dieser Berechnung, zum Beispiel die mittlere Buslänge und die Standardabweichung, für einen Vergleich mit den Ergebnissen von gleichartigen Berechnungen, die für andere Konfigurationen durchgeführt werden, gespeichert werden. Ein solches Programm kann nämlich die Spalte "a" der Tabelle und die Spalte "b" austauschen und die Längen der Busse für den entsprechenden Aufbau berechnen. Falls diese optimaler sein sollten, können diese neuen Ergebnisse anstelle der ursprünglichen Ergebnisse beibehalten werden. Die Spalte "a" kann dann mit der Spalte "c" ausgetauscht werden, und es wird eine weitere Berechnung und ein weiterer Vergleich durchgeführt; und so weiter. Unter Verwendung dieser Methode ist es somit möglich, daß grob 120.000 mögliche Kombinationen im Hinblick auf die Ermittlung der besten Konfiguration eines der Tabelle 4 entsprechenden Systems mit Zweiwegverbindung, sieben Platinen und vier Anschlüssen bewertet werden.
Eine Matrix, die eine optimale Konfiguration repräsentiert, die unter Verwendung der vorstehend angegebenen Methode festgelegt wurde, ist nachstehend gezeigt. Die Struktur, die der Matrix entspricht, ist in Fig. 4 dargestellt. Tabelle 5
Für den Fachmann sind die Schwierigkeiten ersichtlich, die dem Versuch der Realisierung von räumlich dünn verteilten Buskonfigurationen des in Fig. 4 gezeigten Typs bei Verwendung von Bussen innewohnen, die eine große Anzahl von Leitern enthalten. In solchen Fällen ist es bevorzugt, die einzelnen Stifte bzw. Kontakte jedes Anschlusses in der in Fig. 4 gezeigten Weise auszurichten und zu verbinden, anstatt die Anschlüsse selbst so auszurichten und zu verbinden. Für den Fachmann ist weiterhin ersichtlich, daß die vorstehend angegebenen Methoden zur Optimierung von räumlich dünn verteilten Buskonfigurationen auf der Grundlage von beliebigen physikalischen Eigenschaften der zugrundeliegenden Verbindungselemente eingesetzt werden können.
Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten, räumlich dünn verteilten Busverbindungsstrukturen sind vollständig belegt bzw. vollständig verteilt, das heißt jeder Bus ist in gleicher Weise belastet. So sind zum Beispiel die sieben Knoten des in Fig. 1 dargestellten Mehrprozessorsystems über eine Einweg-Verbindungsstruktur aus sieben Bussen, die jeweils vier Knoten unterstützen, miteinander gekoppelt. Dem gegenüber sind die vier Knoten des in Fig. 2 dargestellten Systems über eine Zweiweg-Verbindungsstruktur aus vier Bussen, die jeweils drei Knoten unterstützen, miteinander gekoppelt. Eine Optimierung der Übertragungseigenschaften der Verbindungsstrukturen wie etwa der vorstehend angegebenen Verbindungsgestaltungen ist nicht auf die Übertragungsbeschränkungen eines beliebigen Busses beschränkt. Somit leidet zum Beispiel kein einziger Bus vor den anderen unter kapazitiven Belastungsbeschränkungen.
Für den Fachmann ist jedoch ersichtlich, daß Gestaltungen, die die Eigenschaften und die Merkmale der dargestellten Ausführungsbeispiele enthalten und weniger oder mehr Knoten aufweisen, ebenfalls in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
In Fig. 5 ist ein Beispiel eines solchen Systems mit mehreren Knoten dargestellt. Dieses System 80, das lediglich sechs Knoten A bis F enthält, weist eine Verbindungsstruktur mit sieben Elementen auf, die ähnlich ist wie das sieben Knoten enthaltende, in Fig. 4 gezeigte System. Hierbei ist jedoch das dargestellte System 80 so konfiguriert, daß nicht alle Busse jeweils entsprechende Anschlüsse mit der gleichen Anzahl von Knoten koppeln. Die beiden Systeme arbeiten identisch, mit der Ausnahme, daß die Schnittstellenabschnitte innerhalb jedes Knoten des in Fig. 5 gezeigten Systems 80 nicht dazu imstande sind, eine Weiterleitung der Nachrichten zu dem fehlenden siebten Knoten zu ermöglichen. In der Praxis kann das System 80 so gestaltet werden, daß es einen siebten Knoten enthält, wobei die Schnittstellenabschnitte der Knoten in diesem Fall so umkonfiguriert werden müssen, daß sie Nachrichten zu dem zusätzlichen Knoten leiten.
Ein weiteres Beispiel ist in Fig. 6 dargestellt. Hierbei wird der Schnittstellenaufbau des in Fig. 4 gezeigten Systems bei einem System 90 mit mehreren Knoten angewandt, das vierzehn Knoten, das heißt die doppelte Anzahl der bei dieser ursprünglichen Darstellung gezeigten Knoten, enthält. Fig. 6 zeigt Knoten A, A', B, B', ..., und G, G', die paarweise zusammengefaßte redundante funktionelle Einheiten repräsentieren, die in Übereinstimmung mit dem Offenbarungsgehalt der vorstehend erwähnten US-Patentschriften und Patentanmeldungen aufgebaut sind. Die Knoten A und A' sind zum Beispiel mit anderen Knoten in dem System so gekoppelt, daß sie identische Eingangssignale aufnehmen und daß sie im wesentlichen synchron und gleichzeitig arbeiten, um hierdurch identische Ausgangssignale zu erzeugen. Während der Zweiweg-Verbindungsaufbau, der bei den in den Fig. 4 und 6 dargestellten Systemen vorgesehen ist, fehlertolerante Kommunikationspfade bereitstellt, bietet das in Fig. 6 gezeigte System somit zusätzlich fehlertolerante Verarbeitungsfähigkeiten.
Für den Fachmann ist ersichtlich, daß in den Umfang der Erfindung auch zum Beispiel folgende Gestaltungen fallen: räumlich dünn verteilte Bussysteme mit mehr als zwei Graden der gegenseitigen Verbindung, zum Beispiel Verbindungssystemen mit drei Wegen und vier Wegen; räumlich dünn verteilte Busverbindungssysteme, deren Konfigurationen nicht aus den gegenwärtig bekannten, balancierten, unvollständigen Blockgestaltungslösungen abgeleitet werden können; und räumlich dünn verteilte Busverbindungssysteme, die im Hinblick auf die Verbesserung der Kommunikation in anderer Hinsicht als durch Vorsehen von im wesentlichen identischen Buslängen optimiert sind.

Claims

1. Mehrknoten-Gerät (10) mit v Knoten, die jeweils zur Durchführung einer ausgewählten Operation dienen, wobei v eine ganze Zahl gleich oder größer als vier bezeichnet, gekennzeichnet durch

A. b Buseinrichtungen (26 bis 38), die jeweils drei oder mehr Knoten (12 bis 24) zugeordnet und mit diesen zur Übertragung von informationsrepräsentierenden Signalen zwischen den Knoten gekoppelt sind, wobei die Kommunikation auf jeder Buseinrichtung unabhängig von den Kommunikationen auf jeder anderen Buseinrichtung ist und die b Buseinrichtungen so konfiguriert sind, daß

i) jeder Knoten mit jedem anderen Knoten über mindestens n Buseinrichtungen verbunden ist,

ii) kein einziger Knoten mit allen anderen Knoten über eine einzige Buseinrichtung verbunden ist, und

iii) mindestens eine der b Buseinrichtungen mit mindestens drei oder mehr Knoten verbunden ist;

B. wobei jeder Knoten r Anschlußeinrichtungen (12a, 12b, 12c, ---, 24a, 24b, 24c) aufweist, von denen jede mit diesem Knoten und mit einer von zugeordneten Buseinrichtungen zur Bereitstellung einer Kopplungsschnittstelle zwischen diesen verbunden ist, und

C. wobei n und r positive ganze Zahlen sind, die so ausgewählt sind, daß die mathematische Beziehung

zu einer positiven ganzen Zahl b führt, die die Anzahl von Buseinrichtungen definiert.

2. Gerät (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät (10) eine digitale Datenverarbeitungsvorrichtung ist, daß jeder Knoten (12 bis 24) eine zentrale Verarbeitungseinrichtung (12, 14, 16) zum Verarbeiten von informationsrepräsentierenden Signalen und/oder eine Speichereinrichtung (24) zum Speichern und/oder Wiedergewinnen von informationsrepräsentierenden Signalen und/oder eine periphere Steuereinrichtung (20, 22) zum Steuern der Kommunikation mit einem peripheren Gerät enthält, und daß die Buseinrichtung eine Verbindungseinrichtung aufweist.

3. Gerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die b Buseinrichtungen (26 bis 38) mit den Anschlußeinrichtungen (12a, 12b, 12c, ---, 24a, 24b, 24c) in einer Konfiguration verbunden sind, die auf Lösungen basiert, die von einer symmetrierten unvollständigen Blockgestaltung abgeleitet wurden, wobei die Anschlußeinrichtungen mit Spalten der Lösung zusammenhängen und die Knoten (12 bis 24) auf Zeilen der Lösung bezogen sind.

4. Gerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die b Buseinrichtungen (26 bis 38) im wesentlichen die gleiche Länge aufweisen.

5. Gerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß n gleich eins ist.

6. Gerät (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß r eine positive ganze Zahl ist, die so gewählt ist, daß die mathematische Beziehung

b = r x (r - 1) + 1

zu einer positiven ganzen Zahl b führt, die die Anzahl von Buseinrichtungen (26 bis 38) definiert und die zusätzliche Beschränkung erfüllt, daß v = b ist.

7. Gerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der b Buseinrichtungen (26 bis 38) für die Kommunikation mit einer anderen Anzahl aus den r Anschlußeinrichtungen (12a, 12b, 12c, ---, 24a, 24b, 24c) als eine andere der b Buseinrichtungen verbunden ist.

8. Gerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß n gleich zwei ist.

9. Gerät (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß r eine positive ganze Zahl ist und derart ausgewählt ist, daß die mathematische Beziehung

b = (r x (r - 1)/2) + 1

zu einer positiven ganzen Zahl b führt, die die Anzahl von Buseinrichtungen (26 bis 38) definiert und die zusätzliche Bedingung erfüllt, daß v = b ist.

10. Gerät (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede der b Buseinrichtungen (26 bis 38) zur Kommunikation mit der gleichen Anzahl von r Anschlußeinrichtungen (12a, 12b, 12c, ---, 24a, 24b, 24c) verbunden ist.

11. Gerät (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Knoten (12 bis 24) zur Kommunikation mit jedem anderen Knoten über mindestens zwei der b Buseinrichtungen (26 bis 38) verbunden ist.

12. Gerät (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Knoten (12 bis 24) miteinander und mit den Buseinrichtungen (26 bis 38) so gekoppelt sind, daß sie informationsrepräsentierende Signale auf den Buseinrichtungen von anderen, jeweils untereinander identischen Knoten erhalten.

13. Gerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät ein System aus Datenverarbeitungsgeräten ist, und daß mindestens zwei Knoten (12 bis 24) die Fähigkeit zum Einlesen und/oder Auslesen von Daten mit Hilfe der Buseinrichtungen (26 bis 38) unabhängig von irgendeinem anderen der Knoten und unabhängig von anderen Datenverarbeitungsgeräten aufweist.