Способ обмена данными в мультипроцессорной вычислительной системе и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G06F13/00 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении мультимодульных (мультипроцессорных) вычислительных систем.

Известна мультипроцессорная вычислительная система, содержащая устройство обмена, с каналом связи между процессорами, причем сигналы обмена этих процессоров существляют одновременно, в канале связи используютс1 многочастотные импульсные сигналы. Одновременный обмен информацией между всеми парами сопрягаемых процессоров обеспечивается выбором несущих частот, разных для различных пар процессоров.

Недостатком системы является низкая надежность вследствие слабой помехозащищенности радиоканала при селекции многочастотных радиоимпульсных сигналов с помощью узкополосных полосовых фильтров, а также техническая сложность наращивания вычислительной мощности (числа процессоров) вследствие перегруженности спектра радиочастот и роста взаимных помех при размещении в канале связи новых систем передачи данных. С увеличением числа процессоров растет количество коммутируемых линий связи, что приводит к усложнению коммутирующего устройства.

VI

со

о о

00

Известна мультипроцессорная система с устройством обмена, в котором произвольные комбинации связей между процессорами и динамическая перестройка этих связей в процессе работы системы обеспе- чивается применением различных фазомо- дулированных импульсных видеосигналов (ортогональных функций Уолша), которые могут одновременно существовать в используемом в устройстве обмена канале связи. Устройство обмена содержит канал связи, N устройств формирования адреса видеосигнала, N генераторов функций Уолша, N устройств формирования выходных видеосигналов, N корреляторов, N коммута- торов выходных видеосигналов, N коммутаторов входных видеосигналов, причем

выходы k-ro (k 1, 2 N) процессора с

первого по третий соединены соответственно с входом k-ro устройства формирования адреса видеосигнала, вторым входом k-ro устройства формирования выходных видеосигналов и управляющим входом k-ro коммутатора входных видеосигналов, первый и второй выходы k-ro устройства формирова- ния адреса видеосигнала соединены соответственно с первым входом k-ro коммутатора выходных видеосигналов и входом k-ro генератора функций Уолша, первый и второй выходы которого соедине- ны соответственно с первыми входами k-ro коррелятора, своим выходом подключенного к выходу k-ro коммутатора входных видеосигналов, и k-ro устройства формирования выходных видеосигналов, выход которого соединен с вторым входом k-ro коммутатора выходных видеосигналов, выходы с первого по третий k-ro коммутатора выходных видеосигналов, а также первый, второй и третий информационные входы k-ro коммутатора входных видеосигналов соединены соответственно с первой, второй и третьей линиями связи канала связи. В процессе вычислений любой из процессоров этой системы может в любой момент времени (динамически) ус- танавливать требуемую связь и непосредст- венно обмениваться произвольной информацией с любым другим процессором по общему для всех процессоров связи устройства обмена. Связь с любым другим про- цессором системы осуществляется за три такта, что отвечает трехмерной структуре организации связей между процессорами. Число одновременно реализуемых связей между процессорами определяется числом генерируемых функций, Работа система включает этапы ее начальной настройки на выполнение требуемых вычислений, динамической перестройки в случае необходимости образования новых конфигураций и

собственно вычислений, при которых процессоры обрабатывают введенные в них при настройке или перестройке данные с помощью имеющихся, в также введенных при настройке или перестройке программ. Работа вычислительной системы на каждом из указанных этапов обеспечивается специальной операционной системой. Использование в данной системе дискретных видеосигналов, являющихся модулированными ортогональными функциями Уолша, и соответствующей цифровой (а не аналоговой) техники позволяет повысить помехозащищенность радиоканала,

Недостатком устройства-прототипа является его структурная сложность, связанная с необходимостью попарной синхронизации всех приемников и передатчиков и использованием для этой цели специального канала связи, а также сложность организации взаимодействия процессоров: процессоры расположены в узлах трехмерного куба и при такой организации системы связей отсутствует прямой доступ к приемнику, если он скоммутирован на другую линию связи. Между процессорами системы существует множество маршрутов связи и при ее настройке на решение данной задачи возникает необходимость в переборе большого числа вариантов, Очень сложной проблемой является динамическая перестройка мультипроцессорной системы с устройством обмена, в котором реализована трехмерная структура связей Сложность структуры устройства обмена, низкая эффективность организации взаимодействия, а также необходимость перебора возможных вариантов связи снижают производительность системы, уменьшают возможности наращивания вычислительной мощности за счет увеличения в ее составе числа процессоров.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости и упрощение наращивания вычислительной мощности за счет увеличения числа процессоров.

Поставленная цель достигается использованием такого способа обмена данными между процессорами в мультипроцессорной системе, при котором для каждого передаваемого информационного сигнала генерируется сложный псевдослучайный радиосигнал с большой базой, который ма- нипулируется значением этого информационного сигнала, а принимаемый сигнал селектируется путем корреляции с копией ожидаемых сигналов.

В систему введены N генераторов сложного сигнала, N генераторов несущей, N блоков модуляции несущей, причем выход

k-ro блока формирования адреса соединен с входом k-ro генератора сложного сигнала, выход которого соединен с первым входом k-ro блока модуляции несущей, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом k-ro генератора несущей и вторым входом k-ro блока формирования выходного сигнала, выход которого подсоединен к каналу связи, к которому также под- соединены входы k-x согласованных фильтра сигнала абонента и фильтра циркуляционного сигнала, выходы которых соединены соответственно с входами k-x блоков детектирования сигнала абонента и циркуляционного сигнала своими выходами соединенными соответственно с первым и вторым входами данных блока обмена k-ro процессора.

Генератор сложного сигнала содержит n-разрядный сдвигающий регистр, элементы И, число S которых равно числу разрядов кода слова, передаваемого адресату, S n, S одноразрядных накапливающих сумматоров по модулю 2, тактирующий генератор, причем первые входы элементов И с первого по 3-й соединены с первого по 3-й выходами устройства формирования адреса соответственно, вторые их входы соединены с параллельными выходами сдвигающего регистра с номерами kI,.,,, m(k I m,

k 1, m n), соответствующими закону формирования выбранной псевдослучайной последовательности, а выходы подключены к первым входам одноразрядных накапливающих сумматоров по модулю 2, последовательный выход сдвигающего регистра соединен с выходом генератора сложного сигнала и вторым входом т-го сумматора, выход которого соединен с вторым входом 1-го сумматора, выход которого соединен со вторым входом k-ro сумматора, выход которого соединен с последовательным информационным входом сдвигающего регистра, синхронизирующий вход которого подключен к выходу тактирующего генератора.

В канале связи системы используются сигналы с большой базой В 1. Значению базы В 1 отвечают традиционно используемые в каналах связи сигналы, например, конечно-временной синусоидальный сигнал.

Сигналы с базой В 1 применяются в системах связи и при традиционной радиотехнической реализации они могут быть сформированы, например, в результате модуляции несущей полосорасширяющей псевдослучайной последовательностью. Один из возможных способов передачи данных при использовании таких сигналов основан на шумоподобных сигналах с использованием ограниченного по обьему ансамбля шумоподобной последовательности, позволяющей осуществить параллельную

передачу многих сигналов в общей полосе частот с минимальными структурными помехами. Указанный способ формирования таких сигналов, в частности, основывается на получении большого их числа при исполь0 зовании одной кодовой (например, псевдослучайной) последовательности за счет частотно-временных сдвигов на интервалы, равные или превышающие интервалы корреляции между ними.

5Сигналы с большой Ьазой могут быть

сформированы с эффективным использованием техники дискретных устройств. На фиг.

1приведен пример формирования сигнала в результате модуляции несущей некоторой

0 псевдослучайной последовательностью.

Поскольку в канале связи используются сигналы с большой базой можно совмещать и разделять множество сигналов (сообщений); обеспечивается большая помехозащи5 щенность по отношению к гладким и сосредоточенным по спектру помехам (примеры гладких помех: белый, тепловой шумы: пример сосредоточенной помехи: синусоидальный сигнал в узком диапазоне, возни0 кающий, например, вследствие работы радиовещательной станции): можно принимать сигналы при соотношении сигнал-шум меньше единицы.

На фиг. 2 приведена структурная схема

5 устройства обмена данными мультипроцессорной системы (для одного процессора); на фиг. 3 - структурная схема генератора сложных сигналов; на фиг. 4 - функциональная схема блока модуляции несущей: на фиг. 5 0 электрическая схема устройства формирования выходного радиосигнала; на фиг. 6 - структурная схема согласованного фильтра. Устройство обмена данными содержит блок 1 управления обменом процессора,

5 блок 2 формирования адреса, генератор 3 сложного сигнала, генератор 4 несущей, блок 5 модуляции несущей, блок 6 формирования выходного радиосигнала, канал 7 связи, используемый для обмена информацией

0 между процессорами системы, согласованный фильтр 8 сигнала абонента, блок 9 детектирования сигнала абонента, согласованный фильтр 10 циркуляционного сигнала, блок 11 детектирования циркуля5 ционного сигнала, шину 12 управления блоком формирования адреса, соединяющую выход блока 1 обмена, на который поступает передаваемая информация, с входом блока

2формирования адреса, шину 13 управления генератором сложного сигнала, соединяющую выход блока 2 формирования адреса с входом генератора 3 сложного сигнала, шину 14 выдачи сложного сигнала, соединяющую выход генератора 3 сложного сигнала с входом модулирующего шумоподобного сигнала блока 5 модуляции несущей, шину 15 выдачи несущей, соединяющую выход генератора 4 несущей с входом несущей блока 5 модуляции несущей, шину 16 выдачи промодулированной несущей, соединяющую выход блока 5 модуляции несущей с первым (информационным) входом блока 6 формирования выходного радиосигнала, шину 17 выдачи данных, соединяющую выход выдачи данных блока обмена с вторым (управляющим выдачей данных) входом блока 6 формирования выходного радиосигнала, шину 18 выдачи абоненту выходного радиосигнала, соединяющую выход блока 6 формирования выходного радиосигнала с каналом 7 связи, шину 19, соединяющую выход канала 7 связи с входом согласованного фильтра 8 сигнала абонента, шину 20 выдачи радиосигнала абонента, соединяющую выход согласованного фильтра 7 сигна- ла абонента с входом блока 9 детектирования сигнала абонента, шину 21 выдачи сигнала абонента, соединяющую выход блока 9 детектирования сигнала абонента с входом приема сигнала абонента блока обмена, шину 22, соединяющую выход канала 7 связи с входом согласованного фильтра циркуляционного сигнала, шину 23 выдачи циркуляционного радиосигнала, соединяющую выход согласованного фильтра

10циркуляционного сигнала с входом блока

11детектирования циркуляционного сигнала, шину 24 выдачи циркуляционного сигнала, соединяющую выход блока 11 детектирования циркуляционного сигнала с входом приема циркуляционного сигнала блока обмена.

На фиг. 2 представлен элемент системы, состоящий из одного процессора с блоком управления обменом, а также блоков формирования адреса модуляции несущей, формирования выходного радиосигнала, генераторов сложного сигнала и несущей, согласованных фильтров сигнала абонента и циркуляционного сигнала, блоков детектирования сигнала абонента и циркулярного сигнала.

Каждый процессор выполняет имеющиеся в его оперативной памяти рабочие программы и с помощью блоков управления обменом управляет обменом информацией с другими процессорами путем формирования адрес абонента.

Каждый процессор может передать информацию любому другому процессору; передать информацию одновременно всем или нескольким процессорам; принять информацию, предназначенную только для данного процессора от любого другого процессора; принять информацию, предназначенную для нескольких процессоров.

Для передачи (и приема) информации нескольким (или всем процессорам) используется специальный сигнал на некоторой

0 фиксированной частоте, названный циркулярным.

Передача информации может быть осуществлена в результате использования одного из известных протоколов обмена,

5 применяемых в вычислительных сетях. Примером такого протокола может быть протокол типа Чистая А ОНА, согласно которому любой процессор может передавать информацию любому другому процессору в любой

0 момент времени с получением подтверждения (квитанции) о приеме.

Передаваемая информация включает коды контроля ее правильности принимающим процессором и адрес передающего

5 процессора для передачи ему кавитации в случае успешного приема. Контроль может выполняться по четности, с использованием контрольных сумм и т. п. Если квитанция не передается, передача может повторяться.

0 Блок формирования адреса и генератор сложных сигналов могут быть реализованы в любой базисной системе элементов, например, в системе серийно выпускаемых отечественной промышленностью элемен5 тов серии К500.

Блок формирования адреса преобразует код операции передачи в код слова, передаваемый адресату, причем используются следующие операции передачи: передача

0 информации по коду адресата; посылка запроса по коду адресата.

Преобразование кода операции может быть выполнено на основе схемы шифратора.

5 Генератора сложного сигнала при его реализации на основе элементов серии К500 содержит сдвигающий регистр 25, двухвходовый элемент И 26, одноразрядный накапливающий сумматор 27 по моду0 лю 2, тактирующий генератор 28, шины 29 - 31, соединяющие выходы шифратора адреса с первыми (управляющими) входами элементов И, шины 32 - 34, соединяющие выходы с номерами k, I, m сдвигающего ре5 гистра 25 с вторыми (информационными) входами элементов И, шину 35, соединяющую выход тактирующего генератора с входом синхронизации работы сдвигающего регистра, шину 36, по которой сигнал переноса с оконечного сумматора цепочки сумматоров 27 подается на вход регистра 25,

шину 37, по которой сигнал с выхода регистра 25 подается на первый сумматор цепочки сумматоров 27.

В качестве сложного сигнала в блоке 3 генератора сложных сигналов генерируется псевдослучайная последовательность с периодом М 2П - 1, где п - число разрядов сдвигающего регистра 25, используемого в генераторе (такую последовательность в технике дискретных сигналов еще называют М-последовательностью).

Возможность генерации псевдослучайной последовательности обеспечивается в результате использования сдвигающего регистра, охваченного управляемой цепью обратной связи. В состав цепи обратной связи входят элементы И 26 и сумматоры 27. Номера k, I, m разрядов регистра 25, к которым подключены элементы I/I 26, назначаются в соответствии с законом формирования выбранной псевдослучайной последовательности. Управление цепью обратной связи осуществляется изменением в каждом рабочем такте набора тех сумматоров, которые реализуют операцию суммирования по модулю 2 и формируют сигнал переноса в следующий сумматор.

Генератор работает следующим образом.

Сигналы кода с выхода блока 2 формирования адреса подаются на первые входы элементов И 26. Переключаются только те их них, на второй вход которых с соответствующих выходов регистра 25 поданы единичные сигналы. Под действием сигналов с выходов элементов И, а также сигналов переноса переключается сумматор. В результате в ходе сдвига информации в регистре меняется вид последовательности максимальной длины (М-последовательности), генерируемый данным устройством. При этом каждому абоненту отвечает свой вид последовательности.

Блок модуляции несущей содержит входной трансформатор 38 с первичной и вторичной обмотками со средней точкой, выходной трансформатор 39 с первичной со средней точкой и вторичной обмотками, а также диоды 40 - 43 (типа КД522).

В блоке 5 происходит модуляция несущих колебаний по фазе шумоподобным сигналом (М-последовательностью). Блок модуляции несущей работает следующим образом.

В зависимости от мгновенного значения сигнала М-последовательности включается та или иная пара коммутирующих диодов 40, 43 либо 41, 42. В результате фаза высокочастотных колебаний в первичной

обмотке трансформатора 39 имеет ту или иную фазу, отличающуюся на 180°.

В качестве генератора несущей может быть использован, например, генератор синусоидальных колебаний, частота которых соответствует средней частоте полосы данной среды связи.

Блок формирования выходного радиосигнала выполнен на транзисторе 44 (типа

0 КТ315), резисторах 45 и 46, диоде 47 (типа КД522), дросселях 48 и 49 и конденсаторе 50

В режиме передачи на базу транзистора 44 подается О. Этот транзистор закрыт и

5 напряжение EI поддерживает диод 47 в открытом состоянии. В результате информационный сигнал с выхода блока модуляции несущей поступает в канал связи. При отсутствии передачи на базу транзистора с выхо0 да блока обмена процессора подается 1. Транзистор открыт. Диод заперт напряжением Еа. Таким образом, сигнал в канал связи не поступает.

Согласованный фильтр состоит из коак5 спальной линии 51, нагрузочного резистора 52 с сопротивлением, равным волновому. ин вертора 53 (типа К500), суммирующего резистора 54 и отводов 55 коаксиальной линии.

0 Коаксиальная линия нагружена на соответствующее сопротивление для получения режима бегущей волны. При числе элементов N число отводов п выбирается из соотношения N 2П - 1.

5Если фильтр согласован с сигналом, то

момент совпадения положения сигнала в коаксиальной линии с отводами фильтра на суммирующем резисторе появляется пик напряжения, что отвечает приему сигнала от

0 абонента.ч

Один из возможных вариантов реализации устройства детектирования основывается на применении пороговой схемы (компаратора) при наличии сигнала перехо5 дящего в логическое состояние 1. В качестве такого компаратора может быть использована микросхема К531СА1. Сигнал с выхода компаратора используется для переключения триггеров соответствующего

0 регистра блока обмена.

Использование в предлагаемой схеме для передачи информации по каналу связи радиосигналов позволяет применить в приемной части модуля вместо коррелятора со5 гласованный фильтр с устройством детектирования. В результате нет необходимости в попарной синхронизации всех приемников и передатчиков системы и использовании для этой цели специального канала связи, что приводит к упрощению

структурной организации системы. К упрощению структуры, достигаемому за счет передачи по каналу связи радиосигналов, приводит также возможность прямого доступа к любому процессору системы, поскольку в этом случае не требуется специальных коммутирующих устройств.

Передача информации по каналу связи посредством радиосигналов и наличие прямого доступа к любому процессору системы упрощает наращивание числа модулей. Использование в системе сложных радиосигналов позволяет существенно увеличить число процессоров, для которых может быть обеспечено взаимодействие по принципу каждый с каждым.

Прямой доступ к процессорам системы упрощает поиск в системе нужного абонента, поскольку в этом случае отпадает необходимость перебора различных маршрутов связи. В результате увеличивается производительность системы. Удобство наращивания числа процессоров и перспективы существенного увеличения их количества в системе расширяет возможности распараллеливания процесса переработки информации и также приводит к увеличению производительности.

Формула изобретения

1.Способ обмена данными в мультипроцессорной вычислительной системе, основанный на передаче в канал связи между N процессорами модулированного сигнала,

отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и упрощения наращивания вычислительной мощности путем увеличения числа процессоров, для каждого передаваемого информационного модулируемого сигнала генерируется сложный псевдослучайный радиосигнал с большой базой (В 1), который манипули- руется значением этого информационного сигнала, а принимаемый сигнал селектируется путем корреляции с копией ожидаемых сигналов,

2. стройство обмена данными мультипроцессорной вычислительной системы, содержащее канал связи, N блоков обмена процессоров (N - число процессоров в системе), N блоков формирования адреса, N блоков формирования выходного радиосигнала, причем адресный и информационный

выходы k-ro блока обмена (k 1, 2 N)

процессора соединены соответственно с входом k-ro блока формирования адреса и первым входом k-ro блока формирования выходного сигнала, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и упрощения наращивания вычислительной мощности за счет увеличения

числа процессоров, оно содержит N генераторов сложного сигнала, N генераторов несущей, N блоков модуляции несущей, N согласованных фильтров сигнала абонента,

N согласованных фильтров циркулярного сигнала, N блоков детектирования сигнала абонента, N блоков детектирования циркуляционного сигнала, причем выход k- ,го блока формирования адреса соединен с

входом k-ro генератора сложного сигнала, выход которого соединен с первым входом k-ro блока модуляции несущей, второй вход

и выход которого соединены соответственно с выходом k-ro генератора несущей и вторым входом k-ro блока формирования выходного сигнала, выход которого подсоединен к каналу связи, к которому также подсоединены входы k-x согласованных фильтра сигнала абонента и фильтра циркуляционного сигнала, выходы которых соединены соответственно с входами k-x блоков детектирования сигнала абонента и циркулярного сигнала, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым

входами данных k-ro блока обмена процессора.

3. Устройство по п. 2, отличающее с я тем, что в нем генератор сложного сигнала содержит n-разрядный сдвигающий регистр, S элементов И, S равно числу разрядов кода слова, передаваемого адресату, , S одноразрядных накапливающих сумматоров по модулю два, тактирующий генератор, причем первые входы S элементов И образуют вход генератора сложного сигнала, вторые их входы соединены с параллельными выходами сдвигающего регистра с номером kIm (k l m, k 1, m n),

соответствующими закону формирования и выбранной псевдослучайной последовательности, выходы Sэлементов И подключены к первым входам S одноразрядных накапливающих сумматоров по модулю два

соответственно, последовательный выход n-разрядного сдвигающего регистра является выходом генератора сложного сигнала и соединен с вторым входом m-го накапливающего сумматора по модулю два, выход которого соединен с вторым входом 1-го накапливающего сумматора по модулю два, выход которого соединен с вторым входом k-ro накапливающего сумматора по модулю два, выход которого соединен с последовательным информационным входом сдвигающего регистра, синхронизирующий вход которого подключен к выходу тактового генератора.

t2

t3

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении мультипроцессорных вычислительных систем. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости и упрощение наращивания вычислительной мощностимультипроцессорных вычислительных систем за счет увеличения числа процессоров. Способ заключается в том, что для каждого передаваемого информационного сигнала генерируется сложный псевдослучайный радиосигнал с большой базой В 1, манипулируемый значением этого информационного сигнала, а принимаемый сигнал селектируется путем корреляции с копией ожидаемых сигналов Устройство по числу процессоров системы, каждый из которых имеет блок обмена, содержит блоки формирования выходного радиосигнала, генераторы сложного сигнала, генераторы несущей, блоки модуляции несущей, согласованные фильтры сигнала абонента, согласованные фильтры циркуляционного сигнала, блоки детектирования сигнала абонента, блоки детектирования циркуляционного сигнала 2 с. и 1 з п. ф-лы, 6 ил. СП

Псевдослучайный (мооулирующий) сигнал

Сигнал 8 канале связи

Фиг.2

13

35 36

/4

Фиг.З

Фиг л

Фиг.5

V ЮСв

52

Фиг. 6