ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМНАЯ ПЛАТА ДЛЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА Российский патент 2003 года по МПК G06E1/00 

Изобретение относится к компьютерной технике и может быть использовано для создания высокопроизводительных, отказоустойчивых, высоконадежных, обладающих большой живучестью, однопроцессорных и многопроцессорных оптоэлектронных и оптических персональных компьютеров, комплексов и систем.

Известна оптоэлектронная вычислительная система [1], содержащая блоки памяти, оптические интерфейсы памяти, процессорный блок, оптические процессорные интерфейсы, процессорные блоки ввода-вывода, оптические интерфейсы ввода-вывода, узлы управления селекторными и мультиплексными блоками, оптические интерфейсы периферии, селекторные и мультиплексные периферийные блоки. Основными недостатками данной структуры является сложность ее применения в персональных компьютерах.

Наиболее близким устройством к предлагаемому является системная плата персонального компьютера типа IBM [2], содержащая процессор, системную шину, основную память, системный блок управления, кэш-память, коммутатор данных, шину периферии, мостовой блок согласования, блок тестирования и таблиц, шину стандартной архитектуры персонального компьютера. Основными недостатками данной системной платы являются: возможность по ее шинам вести обмен данными только между одной парой абонентов, невысокие тактовая частота и помехозащищенность - это ограничивает производительность, надежность и живучесть персональных компьютеров.

Техническим результатом является повышение производительности, помехозащищенности, надежности и живучести персональных компьютеров, использующих оптоэлектронные системные платы.

Это достигается тем, что в оптоэлектронную системную плату для персонального компьютера, содержащую процессор, системную шину, основную память, системный блок управления, кэш-память, коммутатор данных, шину периферии, мостовой блок согласования, блок тестирования и таблиц, шину стандартной архитектуры персонального компьютера, введены дополнительные процессоры, блоки сопряжения процессоров, узлы оптической связи процессора с системной шиной, первый и второй блоки сопряжения кэш-памяти, узел оптической связи кэш-памяти с системной шиной, с первого по четвертый блоки сопряжения системного блока управления, узел оптической связи системного блока управления с системной шиной, узел оптической связи системного блока управления с кэш-памятью, первый и второй блоки сопряжения основной памяти, узел оптической связи системного блока управления с основной памятью, первый и второй блоки сопряжения коммутатора данных, узел оптической связи системного блока управления с коммутатором данных, узел оптической связи основной памяти с коммутатором данных, узел оптической связи коммутатора данных с системной шиной, узел оптической связи системного блока управления с шиной периферии, с первого по третий блоки сопряжения мостового блока согласования, узел оптической связи мостового блока согласования с шиной периферии, узел оптической связи мостового блока согласования с дисковой памятью, узел оптической связи мостового блока согласования с шиной стандартной архитектуры персонального компьютера, узел оптической связи шины стандартной архитектуры персонального компьютера с блоками внесистемной платы, блок сопряжения блока тестирования и таблиц, узел оптической связи блока тестирования и таблиц с шиной периферии, а системная шина, шина периферии и шина стандартной архитектуры персонального компьютера имеют оптическое выполнение, причем вход-выход каждого процессора через соответствующий блок сопряжения процессора оптически связан с одноименным оптическим входом-выходом системной шины, соответствующий оптический вход-выход которой через соответствующие последовательно расположенные и оптически связанные одноименные узел оптической связи кэш-памяти с системной шиной, блок сопряжения кэш-памяти подсоединен к первому входу-выходу кэш-памяти, второй вход-выход которой через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие узел оптической связи системного блока управления с кэш-памятью и блок сопряжения системного блока управления подключен к первому входу-выходу системного блока управления, второй вход-выход которого через соответствующие последовательно расположенные и оптически связанные блок сопряжения системного блока управления и узел оптической связи системного блока управления с системной шиной оптически связан с соответствующим оптическим входом-выходом системной шины, соответствующий оптический вход-выход которой через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие узел оптической связи и блок сопряжения коммутатора данных подключен к первому входу-выходу коммутатора данных, второй вход-выход которого через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие блок сопряжения коммутатора данных, узел оптической связи системного блока управления с коммутатором данных и блок сопряжения системного блока управления подключен к системному блоку управления, третий вход-выход которого через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие блок сопряжения системного блока управления, узел оптической связи системного блока с основной памятью и блок сопряжения основной памяти подключен к первому входу-выходу основной памяти, второй вход-выход которой через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие блок сопряжения основной памяти, узел оптической связи основной памяти с коммутатором данных и блок сопряжения коммутатора данных подключен к коммутатору данных, четвертый вход-выход системного блока управления через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие блок сопряжения системного блока управления, узел оптической связи системного блока управления с шиной периферии оптически связан с соответствующим входом-выходом шины периферии, соответствующий вход-выход которой через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие узел оптической связи мостового блока согласования с шиной периферии и блок сопряжения мостового блока согласования подключен к первому входу-выходу мостового блока согласования, второй вход-выход которого через соответствующий блок сопряжения мостового блока согласования оптически связан с узлом оптической связи мостового блока согласования с дисковой памятью, третий вход-выход мостового блока согласования через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие блок сопряжения мостового блока согласования и узел оптической связи мостового блока согласования с шиной стандартной архитектуры персонального компьютера оптически связан с соответствующим оптическим входом-выходом шины стандартной архитектуры персонального компьютера, соответствующий вход-выход которой оптически связан с соответствующим входом-выходом узла оптической связи шины стандартной архитектуры персонального компьютера с блоками внесистемной платы, вход-выход блока тестирования и таблиц через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие узел сопряжения блока тестирования и таблиц и узел оптической связи блока тестирования и таблиц с шиной периферии оптически связан с соответствующим входом-выходом шины периферии.

А также тем, что оптические шины системной платы могут содержать различное число М (где М=1, 2, 3, ...) оптических магистралей, выполненных в виде световода или свободного пространства.

А также тем, что оптические шины системной платы состоят из оптических разветвителей или спектральных мультиплексоров, которые могут содержать различное число М (где М=1, 2, 3, ...) оптических магистралей, выполненных в виде световодов или свободного пространства.

А также тем, что узлы оптической связи системной платы могут содержать различное число М (где М=1, 2, 3, ...) оптических магистралей, выполненных в виде световодов или свободного пространства.

Данная совокупность существенных признаков и связей между ними позволяет получить устройство, обладающее более чем в 100 раз большей производительностью, помехозащищенностью и надежностью.

Сущность изобретения заключается в создании оптоэлектронной системной платы нового поколения. Она создана на основе использования оптических методов передачи сигналов, применения оригинальных схем оптического ввода-вывода сигналов в различные электронные, оптоэлектронные и оптические блоки системной платы персонального компьютера, а также применения групповой шинной архитектуры, использующих в качестве передающей среды свободное пространство и/или световоды (волоконные и/или интегральные).

Предлагаемая оптоэлектронная системная плата позволяет: вести обмен сигналами между любыми парами, группами или всеми абонентами блоков персонального компьютера параллельно и одновременно; сократить число магистралей в шинах вплоть до одной оптической; резко повысить собственную тактовую частоту - это приводит к повышению производительности, помехозащищенности, надежности и живучести персональных компьютеров и систем, построенных на их основе.

Таким образом, предложенная оптоэлектронная системная плата для персонального компьютера обладает свойствами, не присущими известным устройствам. Это объясняется новой совокупностью существенных признаков и новыми связями, изложенными выше.

Сравнение предлагаемого устройства с известными свидетельствует о соответствии его критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков предлагаемого устройства - о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На чертеже приведена функциональная схема оптоэлектронной системной платы для персонального компьютера.

Оптоэлектронная системная плата для персонального компьютера содержит блок процессоров 1, состоящий из процессоров 1-1, ..., 1-К, блоки сопряжения процессоров 2-1, ..., 2-К, узлы оптической связи 3-1, ..., 3-К процессора 1 с системной шиной 4, системную шину 4, состоящую из шины управления 4-1, адресной шины 4-2 и шины данных 4-3, узел оптической связи 5 кэш-памяти 7 с системной шиной 4, блок сопряжения 6 кэш-памяти 7, кэш-память 7, блок сопряжения 8 кэш-памяти 7, узел оптической связи 9 системного блока управления 11 с системной шиной 4, блок сопряжения 10 системного блока управления 11, системный блок управления 11, блоки сопряжения 12, 13, 14 системного блока управления 11, узел оптической связи 15, системный блок управления 11 с кэш-памятью 7, узел оптической связи 16 системного блока управления 11 с основной памятью 18, блок сопряжения 17 основной памяти 18, основную память 18, блок сопряжения 19 основной памяти 18, узел оптической связи 20 основной памяти 18 с коммутатором данных 24, узел оптической связи 21 коммутатора данных 24 с системной шиной 4, блоки сопряжения 22, 23 коммутатора данных 24, коммутатор данных 24, узел оптической связи 25 системного блока управления 11 с коммутатором данных 24, содержащий шину управления 25-1 и шину данных 25-2, узел оптической связи 26 системного блока управления 11 с шиной периферии 27, шину периферии 27, содержащую шину управления 27-1 и шину адрес/данные 27-2, узел оптической связи 28 мостового блока согласования 30 с шиной периферии 27, блок сопряжения 29 мостового блока согласования 30, мостовой блок согласования 30, блоки сопряжения 31, 32 мостового блока согласования 30, узел оптической связи 33 мостового блока согласования 30 с дисковой памятью, узел оптической связи 34 блока тестирования и таблиц 36 с шиной периферии 27, блок сопряжения 35 блока тестирования и таблиц 36, блок тестирования и таблиц 36, узел оптической связи 37 мостового блока согласования 30 с шиной стандартной архитектуры 38 персонального компьютера, шину стандартной архитектуры 38 персонального компьютера, узлы оптической связи 39-1, . .., 39-n шины стандартной архитектуры 38 персонального компьютера с блоками 41 внесистемной платы. Кроме того, персональный компьютер содержит блоки сопряжения 40-1, . .., 40-n блоков 41 внесистемной платы, а блок 41 внесистемной платы состоит из блоков 41-1, ..., 41-n внесистемной платы.

Блок процессоров 1 может состоять, например, из группы процессоров 1-1, . . ., 1-К различного функционального назначения, например, центральных процессоров, скалярных процессоров, векторно-конвейерных процессоров, матричных процессоров, сервисных процессоров и т. д., которые могут иметь, например, различное физическое исполнение, например, электронное, оптоэлектронное или оптическое.

Блоки сопряжения 2-1, ..., 2-К, 6, 8, 10, 12, 13, 14, 17, 19, 22, 23, 29, 31, 32, 35, 40 предназначены для выделения определенной группы временных и/или спектральных оптических сигналов из множества групп временных и/или спектральных оптических сигналов, распространяющихся по оптическим шинам, и формирования входных-выходных электрических или оптических сигналов для соответствующих блоков в зависимости от их физического выполнения. Эти блоки могут быть выполнены, например, на основе световодной (волоконной и/или интегральной) оптики или свободного пространства с использованием дифракционных решеток или спектральных фильтров и линеек лазерных диодов и фотоприемников, временных и спектральных мультиплексоров, оптических конверторов.

Узлы оптической связи 3, 5, 9, 15, 16, 20, 21, 25, 26, 28, 33, 34, 37, 39 служат для передачи оптических сигналов и могут быть выполнены, например, на основе световодной техники: волоконных, интегральных световодов, свободного пространства, оптических разъемов.

Оптические шины 4, 27 и 38 служат для передачи оптических сигналов между различными блоками оптоэлектронной системной платы, а также блоками персонального компьютера, расположенными вне платы, и могут содержать одну единственную или несколько оптических магистралей, выполненных в виде одного или нескольких световодов (волоконных и/или интегральных), разветвителей или свободного пространства.

Кэш-память 7 является внешним уровнем кэш-памяти персонального компьютера и призвана выполнять роль дополнительной буферной памяти между основной памятью и процессорами. Она может иметь электронное, оптоэлектронное или оптическое выполнение, например, на быстрых регистрах или в виде сверхоперативной статической оперативной памяти с использованием тегов.

Системный блок управления 11 служит для управления работой всех блоков компьютера и может иметь электронное, оптоэлектронное или оптическое исполнение, в частности он может быть выполнен, например, в виде стандартного контроллера на соответствующей микросхеме чипсета платы.

Основная память 18 может состоять из групп памятей, имеющих различное функциональное назначение, например, групп оперативных памятей, постоянных памятей, массовых памятей, ассоциативных памятей, буферных памятей и т.д., которые могут иметь различное физическое исполнение, например, электронное, магнитное, оптоэлектронное или оптическое.

Коммутатор данных 24 служит для перенаправления данных и может иметь электронное, оптоэлектронное или оптическое исполнение. В качестве коммутатора могут быть использованы электронные или оптические коммутаторы, управляемые фильтры, временные или спектральные мультиплексоры.

Мостовой блок согласования 30 служит для согласования сигналов шины периферии, шины стандартной архитектуры персонального компьютера и дисковой памяти и может иметь электронное, оптоэлектронное или оптическое исполнение. В частности, в качестве мостового блока согласования может быть использована микросхема стандартного чипсета системной платы персонального компьютера.

Блок тестирования и таблиц 36 предназначен для хранения тестовых программ или таблиц, используемых при запуске компьютера, при расширении конфигурации компьютера, адаптирования нового неизвестного оборудования, хранения, например, программы BIOS. Он может иметь электронное, оптоэлектронное или оптическое выполнение, например, в виде стандартной микросхемы чипсета системной платы.

Блок внесистемной платы 41 представляет компьютерное оборудование, находящееся в системном блоке, но не установленное на системной плате, например, блок питания, таймер и т. д.

Оптоэлектронная системная плата работает следующим образом. Каждый из активных блоков 1, 7, 11, 18, 36, 40, передающих информацию, посылает ее, например, в виде электронных или оптических сигналов, которые в соответствующих блоках сопряжения преобразуются в оптические сигналы. Эти оптические сигналы поступают через соответствующие узлы оптической связи, коммутатор данных 24, мостовой блок согласования 32 в оптические шины 4, 27, 38, с временным и/или спектральным уплотнением.

Вся переданная информация в виде оптических сигналов одновременно и независимо, с временным и/или со спектральным уплотнением распространяется по соответствующим оптическим шинам 4, 27, 38 и через соответствующие узлы оптической связи поступает на блоки сопряжения всех блоков, принимающих эти данные.

Блоки сопряжения приемных устройств настраиваются управляющими сигналами на пропускание групп временных и/или спектральных оптических сигналов от определенных источников информации, с которыми они производят сеанс связи. Затем, выделенные группы сигналов блоками сопряжения преобразуются в тот родной вид сигнала, который обрабатывается в приемном блоке.

Следует отметить, что передача информации по всем оптическим трактам оптоэлектронной системной платы может осуществляться оптическими сигналами: с временным или со спектральным уплотнением; одновременно со спектральным и временным уплотнением; параллельным, параллельно-последовательным или последовательным кодом. При этом все сеансы связи всех блоков компьютерной системы могут осуществляться параллельно и одновременно, или между различными группами абонентов с разделением во времени.

Использование изобретения позволит реализовать оптическими методами связь между блоками компьютера, увеличив более чем в 100 раз его производительность, помехозащищенность, надежность и живучесть. Такие оптоэлектронные компьютерные системы могут широко применяться в разнообразных радиолокационных, радионавигационных и других радиоэлектронных системах, а также в различной интеллектуальной аппаратуре и системах управления различного назначения, в том числе и бытовой как наземного, так и бортового базирования.

Источники информации
1. Патент 2155367 (Россия), МКИ G 06 E 1/00, 3/00, G 06 J 3/00, 5.08.1999.

2. Гук. М. Аппаратные средства IBM PC. - С.-Петербург.: Питер, 1999 г., стр. 146.

Изобретение относится к компьютерной технике, а именно к вычислительным устройствам, выполненным на оптоэлектронной элементной базе. Его применение в вычислительных устройствах позволяет получить технический результат в виде многократного повышения их производительности, помехозащищенности и отказоустойчивости в условиях воздействия мощных электромагнитных полей. Этот результат достигается благодаря использованию оптических методов ввода-вывода и передачи сигналов, позволяющих резко повысить скорость передачи данных, а также за счет применения групповой шинной архитектуры. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оптоэлектронная системная плата для персонального компьютера, содержащая процессор, системную шину, основную память, системный блок управления, кэш-память, коммутатор данных, шину периферии, мостовой блок согласования, блок тестирования и таблиц, шину стандартной архитектуры персонального компьютера, введены дополнительные процессоры, блоки сопряжения процессоров, узлы оптической связи процессора с системной шиной, первый и второй блоки сопряжения кэш-памяти, узел оптической связи кэш-памяти с системной шиной, с первого по четвертый блоки сопряжения системного блока управления, узел оптической связи системного блока управления с системной шиной, узел оптической связи системного блока управления с кэш-памятью, первый и второй блоки сопряжения основной памяти, узел оптической связи системного блока управления с основной памятью, первый и второй блоки сопряжения коммутатора данных, узел оптической связи системного блока управления с коммутатором данных, узел оптической связи основной памяти с коммутатором данных, узел оптической связи коммутатора данных с системной шиной, узел оптической связи системного блока управления с шиной периферии, с первого по третий блоки сопряжения мостового блока согласования, узел оптической связи мостового блока согласования с шиной периферии, узел оптической связи мостового блока согласования с дисковой памятью, узел оптической связи мостового блока согласования с шиной стандартной архитектуры персонального компьютера, узел оптической связи шины стандартной архитектуры персонального компьютера с блоками вне системной платы, блок сопряжения блока тестирования и таблиц, узел оптической связи блока тестирования и таблиц с шиной периферии, а системная шина, шина периферии и шина стандартной архитектуры персонального компьютера имеют оптическое выполнение, причем вход-выход каждого процессора через соответствующий блок сопряжения процессора оптически связан с одноименным оптическим входом-выходом системной шины, соответствующий оптический вход-выход которой через соответствующие последовательно расположенные и оптически связанные одноименные узел оптической связи кэш-памяти с системной шиной, блок сопряжения кэш-памяти подсоединен к первому входу-выходу кэш-памяти, второй вход-выход которой через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие узел оптической связи системного блока управления с кэш-памятью и блок сопряжения системного блока управления подключен к первому входу-выходу системного блока управления, второй вход-выход которого через соответствующие последовательно расположенные и оптически связанные блок сопряжения системного блока управления и узел оптической связи системного блока управления с системной шиной оптически связан с соответствующим оптическим входом-выходом системной шины, соответствующий оптический вход-выход которой через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие узел оптической связи и блок сопряжения коммутатора данных подключен к первому входу-выходу коммутатора данных, второй вход-выход которого через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие блок сопряжения коммутатора данных, узел оптической связи системного блока управления с коммутатором данных и блок сопряжения системного блока управления подключен к системному блоку управления, третий вход-выход которого через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие блок сопряжения системного блока управления, узел оптической связи системного блока с основной памятью и блок сопряжения основной памяти подключен к первому входу-выходу основной памяти, второй вход-выход которой через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие блок сопряжения основной памяти, узел оптической связи основной памяти с коммутатором данных и блок сопряжения коммутатора данных подключен к коммутатору данных, четвертый вход-выход системного блока управления через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие блок сопряжения системного блока управления, узел оптической связи системного блока управления с шиной периферии оптически связан с соответствующим входом-выходом шины периферии, соответствующий вход-выход которой через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие узел оптической связи мостового блока согласования с шиной периферии и блок сопряжения мостового блока согласования подключен к первому входу-выходу мостового блока согласования, второй вход-выход которого через соответствующий блок сопряжения мостового блока согласования оптически связан с узлом оптической связи мостового блока согласования с дисковой памятью, третий вход-выход мостового блока согласования через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие блок сопряжения мостового блока согласования и узел оптической связи мостового блока согласования с шиной стандартной архитектуры персонального компьютера оптически связан с соответствующим оптическим входом-выходом шины стандартной архитектуры персонального компьютера, соответствующий вход-выход которой оптически связан с соответствующим входом-выходом узла оптической связи шины стандартной архитектуры персонального компьютера с блоками вне системной платы, вход-выход блока тестирования и таблиц через последовательно расположенные и оптически связанные соответствующие узел сопряжения блока тестирования и таблиц и узел оптической связи блока тестирования и таблиц с шиной периферии оптически связан с соответствующим входом-выходом шины периферии. 2. Системная плата по п. 1, отличающаяся тем, что ее оптические шины могут содержать различное число М (где М= 1,2,3, . . . ) оптических магистралей, выполненных в виде световода или свободного пространства. 3. Системная плата по п. 1, отличающаяся тем, что ее оптические шины состоят из оптических разветвителей или спектральных мультиплексоров, которые могут содержать различное число М (где М= 1,2,3, . . . ) оптических магистралей, выполненных в виде световодов или свободного пространства. 4. Системная плата по п. 1, отличающаяся тем, что ее узлы оптической связи могут содержать различное число М (где М= 1,2,3, . . . ) оптических магистралей, выполненных в виде световодов или свободного пространства.