6.9 Коммутаторы для многопроцессорных вычислительных систем

Коммуникационные среды вычислительных систем (ВС) состо­ят из адаптеров вычислительных модулей (ВМ) и коммутаторов, обеспечивающих соединения между ними.

Используются как простые коммутаторы, так и составные, ком­понуемые из набора простых.

Простые коммутаторы могут соеди­нять лишь малое число ВМ в силу физических ограничений, однако обеспечивают при этом минимальную задержку при установлении соединения.

Составные коммутаторы, обычно строящиеся из про­стых в виде многокаскадных схем с помощью линий «точка—точ­ка», преодолевают ограничение на малое количество соединений, однако увеличивают и задержки.

Простые коммутаторы

Известно два основных типа простых коммутаторов:

• с временным разделением;

• с пространственным разделением.

Простые коммутаторы с временным разделением. Простые коммутаторы с времен­ным разделением называются также шинами или шинными струк­турами. Все устройства подключаются к общей информационной магистрали, используемой для передачи информации между ними (рис. 3.41). Обычно шина является пассивным элементом, управле­ние передачами осуществляется передающими и принимающими устройствами. Достоинства: простота управления и высокое быстро­действие. Недостатки: малое количество входов и выходов.

Процесс передачи выглядит следующим образом.

Передающее устройство сначала получает доступ к шине, далее пытается установить контакт с устройством-адресатом и определить его способность к приему данных. Принимающее устройство распо­знает свой адрес на шине и отвечает на запрос передающего. Далее передающее устройство сообщает, какие действия должно произве­сти принимающее устройство в ходе взаимодействия. После этого происходит передача данных.

Так как шина является общим ресурсом, за доступ к которому соревнуются подключенные к ней устройства, то необходимы мето­ды управления предоставлением доступа устройств к шине. Воз­можно использование центрального устройства для управления дос­тупом к шине, однако это уменьшает масштабируемость и гибкость системы.

Для разрешения конфликтов, возникающих при одновременном запросе устройств на доступ к шине, используются различные прие­мы, в частности:

• назначение каждому устройству уникального приоритета (ста­тического или динамического);

• использование очереди запросов FIFO;

• выделение фиксированных временных интервалов каждому устройству.

Алгоритмы арбитража.

Статические приоритеты. Каждое устройство в системе получа­ет уникальный приоритет, при одновременном запросе нескольких устройств на передачу доступ к шине предоставляется устройству с наивысшим приоритетом. На практике часто используется соедине­ние устройств в цепь, при котором приоритет устройства определя­ется местом его подключения к шине. Для контроля доступа к шине используется отдельный блок управления.

Динамические приоритеты. Так же, как и в предыдущем алго­ритме, устройства получают уникальные приоритеты, однако в от­личие от него эти приоритеты непостоянны во времени. Приоритеты динамически изменяются, предоставляя устройствам более или менее равные шансы получения доступа к шине. Наиболее часто применяются следующие способы изменения приоритетов: наивыс­ший приоритет предоставляется устройству, наиболее долго не ис­пользовавшему шину, и циклическая смена приоритетов. Контроль доступа к шине осуществляет устройство, получившее доступ к шине в предыдущем цикле арбитража.

Фиксированные временные интервалы. Каждое устройство по по­рядку получает одинаковый временной интервал для осуществления передачи. Если устройство не имеет данных для передачи, то интер­вал тем не менее не предоставляется следующему устройству.

Очередь FIFO. Создается очередь запросов «первый пришел — первый ушел», однако сохраняется проблема арбитража между поч­ти одновременными запросами, а также возникает необходимость поддержания очереди запросов достаточной длины. Преимуществом данного алгоритма является возможность достижения максималь­ной пропускной способности шины.

Простые коммутаторы с пространственным разделением.

Простые коммутаторы с пространственным разделением позво­ляют одновременно соединять любой вход с любым одним выходом (ординарные) или несколькими выходами (неординарные). Такие коммутаторы представляют собой совокупность мультиплексоров, количество которых соответствует количеству выходов коммутатора, при этом каждый вход коммутатора должен быть заведен на все мультиплексоры. Структура этих коммутаторов показана на рис. 3.42. Достоинства: возможность одновременного контакта со всеми устройствами; минимальная задержка. Недостатки: высокая сложность порядка я х т, где п — количество входов, т — количест­во выходов; сложность обеспечения надежности.