5. Коммутаторы для многопроцессорных вычислительных систем

5.1. Простые коммутаторы

5.1.1 Простые коммутаторы с временным разделением

5.1.1.1 Алгоритмы арбитража

5.1.1.2 Особенности реализации шин

5.1.2 Простые коммутаторы с пространственным разделением

5.2. Составные коммутаторы

5.2.1 Коммутатор Клоза

5.2.2 Баньян-сети

5.3. Распределенные составные коммутаторы

5.3.1 Граф межмодульных связей Convex Exemplar SPP1000

5.3.2 Граф межмодульных связей МВС-100

5.3.3 Граф межмодульных связей МВС-1000

5.4. Тестовое задание

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.

5.1. Простые коммутаторы

Типы простых коммутаторов:

- с временным разделением

- с пространственным разделением

Достоинства: простота управления и высокое быстродействие. Недостатки: малое количество входов и выходов.

Примеры использования:

- простые коммутаторы с временным разделением используются в системах SMP Power Challenge от SGI,

- простые коммутаторы с пространственным разделением (Gigaplane) используются в семействе Sun Ultra Enterprise.

5.1.1. 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. 1). Обычно шина является пассивным элементом, управление передачами осуществляется передающими и принимающими устройствами.

Рис. 1. Общая схема шинной структуры

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.

5.1.1.1 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.