FI78995B - Foerdelat inkopplingssystem. - Google Patents

Description

1 78995 HAJAUTETTU KYTKENTÄJÄRJESTELMÄ

Keksinnön kohteena on hajautettu kytkentäjärjestelyä, joka on muodostettu kytkentäelimistä ja 5 elementeistä, jotka on kytkentäelimien kautta liitettävissä toisiinsa.

Elementeillä tarkoitetaan tässä yhteydessä samaa tyyppiä ja/tai useamman tyyppisiä prosessoreita ja muita osia tai laitteita, joita voidaan kytkeä aina-10 kin pareittain yhteen. Tietokoneessa käytettäviä osia voivat olla esim. prosessorit, muistit (keskus- ja massamuistit) ja syöttö- ja tulostuslaitteet (päätteet, rinnakkaisväylät).

Moniprosessoritietokoneet, joissa joukko tehok-15 kaita mikroprosessoreja on kytketty yhteen, ovat kustannuksiltaan kohtuullinen tapa toteuttaa suorituskykyinen tietokonejärjestelmä. Suurin ongelma massiivisten, useita kymmeniä, jopa tuhansia prosessointielementtejä käsittävien moniprosessorijärjestelmien toteuttamisessa 20 on prosessoreiden kytkentätapa. Käytössä on periaatteessa kahdenlaisia menetelmiä; kiinteitä kytkentöjä (topologioita) ja kytkentäelementein toteutettuja muunneltavia järjestelmiä.

Useat kaupalliset moniprosessoritietokoneet 25 on kytketty kiinteäksi topologiaksi, esim. hyperkuutioksi. Kiinteän kytkennän haittana on kuitenkin se, että siihen ei voida optimaalisesti sovittaa useita erityyppisiä algoritmeja, toisin sanoen yleiskäyttöinen kiinteällä kytkennällä toteutettu moniprosessorijärjestelmä 30 on hankala toteuttaa. Hyperkuutiotopologian käyttämisellä on pyritty mahdollisimman yleiskäyttöiseen toteutukseen, mutta silläkään ei voida tehokkaasti toteuttaa kaikkia yleisesti käytettäviä topologioita, esim. binää-ripuuta. Hyperkuution ongelmana on myös se, että järjes-35 telmän laajentaminen edellyttää prosessoreiden välisten kanavien lisäämistä.

Kytkentäelementtien avulla toteutetut järjes- 2 78995 telmät ovat periaatteessa optimaalisia prosessoreiden kytkemiseen. Useissa toteutuksissa käytetään kuitenkin keskitettyä kytkintä, jonka mutkikkuus saattaa prosessoreiden määrän kasvaessa ylittää koko muun järjestelmän 5 koon. Tästä syystä hajautettu kytkentämekanismi, jossa kytkentäelementtien määrä kasvaa prosessoreiden määrän suhteessa on toivottava.

Keksinnön tarkoituksena on mm. edellä esitettyjen epäkohtien poistaminen ja sellaisen hajautetun 10 kytkentäjärjestelmän toteuttaminen, jossa ratkaistaan eräitä toisiinsa kytkettävien elementtien kytkentäjärjestelmien ongelmia. Tämä saadaan aikaan niiden keksinnön tunnusomaisten piirteiden avulla, jotka on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.

15 Keksinnön mukaisesti hajautettu kytkentäjärjes telmä on muodostettu kytkentäelimistä ja elementeistä, jotka on kytkentäelimien kautta liitettävissä toisiinsa. Keksinnölle on tunnusmerkillistä, että kytkentäelimet ovat ohjattavia elimiä ja ne on järjestetty kytkinryh-20 miksi, jotka kytkinryhmät on liitetty ainakin yhdellä kanavalla toisiinsa säännölliseksi verkoksi ja kukin kytkinryhmä ainakin yhteen elementtiin siten, että kukin kytkinryhmä on yhteydessä muiden kytkinryhmien kautta niihin liitettyihin elementteihin ja suoraan tähän 25 kytkinryhmään liitettyyn yhteen tai useampaan elementtiin.

Keksinnön mukaisen kytkentäjärjestelmän etuja ovat mm. järjestelmän helppo laajennettavuus. Kytkinele-menttien määrä kasvaa prosessoreiden tai vastaavien 30 elementtien määrään verrannollisena. Prosessoreiden määrää voidaan kasvattaa liittämällä järjestelmään prosessori-kytkinryhmäpari. Kytkentäjärjestelmän ohjaus voi tapahtua paikallisesti tai keskitetysti. Paikallinen ohjaus yksinkertaistaa myös dynaamisen konfiguroinnin 35 toteuttamista. Dynaaminen konfigurointi tarkoittaa sitä, että järjestelmän topologiaa voidaan muuttaa ohjelman suorituksen aikana. Tämä edellyttää lisäksi sitä, että 3 78995 paikalliset ohjausyksiköt tietävät kytkettyjen prosessoreiden tilan. Moniprosessorijärjesteinä/ jossa käytetään keksinnön mukaista hajautettua kytkentäjärjestelmää, voidaan jakaa osiin siten, että samanaikaisesti 5 useat käyttäjät voivat käyttää toisistaan riippumatta pienempiä osia koko järjestelmästä. Koska kytkentäelimet on toteutettu kytkinryhminä eli hajautetussa muodossa, järjestelmä voidaan helposti toteuttaa vikaaietoise-na. Tällöin yhden kytkinelementin vioittuminen ei estä 10 koko järjestelmän toimintaa. Kahden prosessorin välillä ei tarvita useita kytkinasteita, jotka hidastaisivat kommunikointia. On todettava lisäksi, että keksinnön mukaista hajautettua kytkentäjärjestelmää on edullista käyttää mikroprosessoreiden kytkemiseen, mutta itse 15 kytkentäperiaate soveltuu muunkinlaisten sähköisten, optisten, akustisten yms. vastaavien elementtien kytkemiseen toistensa yhteyteen.

Keksinnön erään edullisen toteutusesimerkin mukaan ainakin yksi yhtenäinen fyysinen kokonaisuus 20 eli moduuli on muodostettu yhdestä kytkinryhmästä ja siihen liitetystä yhdestä tai useammasta elementistä.

Keksinnön toisen edullisen toteutusesimerkin mukaan ainakin yksi yhtenäinen fyysinen kokonaisuus eli moduuli on muodostettu joukosta kytkinryhmiä. Keksinnön . . 25 kolmannen edullisen toteutusesimerkin mukaisesti ainakin yksi yhtenäinen fyysinen kokonaisuus eli moduuli on muodostettu elementeistä. Vastaavasti keksinnön neljännen edullisen toteutusesimerkin mukaan ainakin osa kytkettävistä elementeistä on liitetty kiinteästi yh-30 teen.

Edellä esitettyjen toteutusesimerkkien avulla järjestelmä voidaan toteuttaa erilaisista modulaarisista osista. Näin järjestelmä on entistä helpommin laajennettavissa.

35 Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskoh taisesti oheisten piirustusten avulla, joissa kuvio 1 esittää erästä keksinnön mukaista 4 78995 hajautettua kytkentäjärjestelyjä ja kuvio 2 esittää erästä toista hajautettua kytkentäjärjestelyjä, joka on toteutettu nelikanavaiselle prosessorille.

5 Hajautettu kytkentäjärjestely^ koostuu kytkin- ryhmistä K ja kytkettävistä elementeistä E, kuvio 1. Kytkettävät elementit E on tarkoitus kytkeä ainakin pareittain yhteen kytkinryhmien välityksellä. Elementit E voivat olla mikroprosessoreja tai muita sähköisiä, 10 akustisia, optisia tai vastaavia osia tai laitteita, jotka soveltuvat esim. signaalien käsittelyyn tai varastointiin, kuten edellä on jo todettu. Kytkinryhmät K muodostuvat ohjattavien kytkentäelimien joukosta, joiden kautta voidaan siirtää signaaleja silloin, kun kytkin 15 on kiinni, ja estää signaalien kulku silloin, kun kytkin on auki. Ohjausyksikön O avulla kytkentäelimien tilat (auki/kiinni) asetetaan ja tiloja valvotaan.

Kytkinryhmän toteutustapa vaikuttaa siihen, kuinka vapaasti elementtejä voidaan kytkeä yhteen. Täs-20 sä yhteydessä käsitellään periaatteessa vain kahden pisteen välisiä kytkentöjä, mutta on selvää, että sama periaate on sovellettavissa myös väylätyyppisiin kanava-rakenteisiin.

Kytkentäominaisuuksiltaan yleisin kytkinryhmän 25 toteutustapa on ristikytkentämatriisi eli kytkinmatrii-si. Tämän avulla kytkennät voidaan muodostaa vapaasti matriisin tulo- ja lähtönapojen välillä. Muillakin tavoilla toteutetut kytkinryhmät voivat luonnollisesti tulla kysymykseen riippuen keksinnön sovellutuksesta.

30 Kytkinryhmät K on liitetty toisiinsa kiinteäksi verkostoksi, kuten kuviosta 1 voidaan nähdä. Kuhunkin kytkinryhmään K on liitetty kytkettävät elementit E. Yhteen kytkinryhmään K tulee siten signaaleja sekä muista kytkinryhmistä että kytkettävistä elementeistä. Näiden 35 signaalityyppien suhde voi vaihdella sovellutuksen sen edellyttämällä tavalla. Kytkinryhmien K ja elementtien E muodostama kiinteä verkosto so. kytkentätopologia 5 78995 voi vaihdella myös sovellutuksen mukaisesti. Kaksiulotteinen nelisuuntainen verkko on eräs mahdollisuus, mutta joissakin tapauksissa voidaan käyttää esim. n-ulotteista hyperkuutiota. Kuvion l hajautetussa kyt-5 kentäjärjestelmässä jokaiseen kytkinryhmään on liitetty paikalliset ohjausyksiköt O, jotka on vielä lisäksi kytketty yhteen globaalin ohjauksen mahdollistamiseksi esim. yhteisen pääohjausyksikön avulla.

Kuvion 1 mukainen hajautettu kytkentäjärjestel-10 mä koostuu periaatteessa kahdentyyppisistä fyysisistä, kiinteästi yhteen kytketyistä moduuleista: kytkinryhmät K ja elementit E.

Kuviossa 2 on esitetty eräs keksinnön mukainen hajautettu kytkentäjärjestelmä, jossa yhteen 32-kanavai-15 seen kytkinryhmään K on liitetty neljä nelikanavaista prosessointielementtiä P. Kytkinryhmä K ja neljä prosessoria P muodostavat edullisesti yhden fysikaalisen kokonaisuuden eli moduulin M. Nämä moduulit M liitetään toisiinsa kuvion mukaisesti neljällä kanavalla k. Näin 20 syntyvän verkon äärilaidat a ja b voidaan liittää toisiinsa, jolloin saadaan kytkinryhmistä muodostuva toroidi.

Keksinnön mukaiseen hajautettuun kytkentäjär-jestelmään voidaan kytkeä myös erillisiä kytkinryhmiä, 25 joiden avulla voidaan liittää yhteen ainoastaan alkuperäisen kytkennän kytkentäryhmien välisiä signaaleja.-Tällaiset kykentäryhmät on edullista muodostaa moduuleiksi. Niiden avulla kytkentäjärjestelmän tehokkuutta ja monipuolisuutta voidaan kasvattaa vaivattomasti.

30 Keksinnön mukaisessa hajautetussa kytkentäjär- jestelmässä voidaan käyttää myös osaksi sellaisia elementtejä, jotka on liitetty kiinteästi yhteen. Näin säästetään kykentäelimiä. Tämä edellyttää kuitenkin sitä, että kytkettävissä elementeissä on useita liitän-35 täkanavia.

Keksinnön mukaisessa hajautetussa kytkentäjär-jestelmässä käytettävien kytkentäelimien ja kytkentäryh- « 78995 mien mutkikkuus voidaan suunnitella vastaamaan tarvittavien topologioitten määrää ja laatua. Esimerkiksi kuvion 2 mukaisella hajautetulla kytkentäjärjestelmällä voidaan toteuttaa seuraavia yleisesti käytettyjä topologioita 5 siten, että kytkennät ovat säännöllisiä ja prosessorit tai muut vastaavat elementit ovat symmetrisesti käytössä: verkko (nelisuuntainen), binääripuu, ternääripuu, rengas, toroidi ja neliulotteinen hyperkuutio.

On huomattava, että vaikka keksintöä on edellä 10 selitetty kahteen sen edulliseen toteutusesimerkkiin viittaamalla, on selvää, että keksintöä ei pidä rajoittaa vain niitä koskevaksi. Keksintöä voidaan soveltaa monenlaisiin hajautettuihin kytkentäjärjestelmiin oheisten patenttivaatimusten määrittelemän keksinnön puit-15 teissä.

20 25

Claims (5)

7 78995

1. Hajautettu kytkentäjärjesteinä, joka on muodostettu kytkentäelimistä ja elementeistä, jotka 5 on kytkentäelimien kautta liitettävissä toisiinsa, tunnettu siitä, että kytkentäelimet ovat ohjattavia elimiä ja ne on järjestetty kytkinryhmiksi (K), jotka on liitetty ainakin yhdellä kanavalla toisiinsa säännölliseksi verkoksi ja kukin kytkinryhmä (K) ainakin 10 yhteen elementtiin (E) siten, että kukin kytkinryhmä on yhteydessä muiden kytkentäryhmien kautta niihin liitettyihin elementteihin ja suoraan tähän kytkinryh-mään liittyvään yhteen tai useampaan elementtiin (E,P).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, 15 tu nn et tu siitä, että ainakin yksi yhtenäinen fyysinen kokonaisuus on muodostettu yhdestä kytkinryh-mästä (K) ja siihen liitetystä yhdestä tai useammasta elementistä (E;P).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjes-20 telmä, tunnettu siitä, että ainakin yksi yhtenäinen fyysinen kokonaisuus on muodostettu joukosta kytkinryhmiä.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että ainakin yksi 25 yhtenäinen fyysinen kokonaisuus on muodostettu joukosta elementtejä.

5. Patenttivaatimuksen 1, 2, 3 tai 4 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että ainakin osa kytkettävistä elementeistä on liitetty kiinteästi yh- 30 teen.