1.3. Дослідження архітектур просторових цифрових комутаторів

Створення багатопроцесорних надвисокошвидкісних систем, систолічних та цифрових інтегруючих структур, цифрових систем штучного інтелекту та мереж зв’язку, функціонально-орієнтованих процесорів та ЕОМ 5-го покоління [71-74, 90-104] об’єктивно передбачає перехід їх архітектури до паралельності та застосування цифрових комутаторів. Галузі зв’язку та радіотелеметрії [69, 105] історично є піонерами в розробленні та застосуванні мікроелектронних комутаційних засобів і привнесли цей ефективний засіб у цифрову техніку сьогодення, трансформувавши телеметричні та зв’язкові станції в цифрові системи та мережі зв’язку. Дослідження теорії інтелекту та нейрофізіологічні дослідження мозку [9, 106, 107], як єдиної відомої нам системи природного інтелекту, теж відмічають у його структурі та принципах дії наявність просторових комутаційних процесів і k-значного кодування сигналів.

На сучасному етапі в галузі зв’язку розроблено [108] родину цифрових комутаторів, які поділяються на три категорії:

• із колективною пам’яттю;

• із колективною шиною;

• із просторовим розділенням каналів.

Узагальнена структура площинно-просторового (тривимірного) комутатора (рис. 1.4) на кожному вході (каналі) містить демультиплексори, які скеровують відповідні дані в N різних буферів (один буфер на кожний вихідний порт) та мультиплексори, що відповідно з’єднують виходи буферів із вихідними каналами. Різні категорії перелічених вище комутаторів паралельного типу відрізняються між собою способом реалізації демультиплексорів та мультиплексорів, а також місцем розташування у структурі буферів.

Найбільш цікавими для нас є просторові комутатори, які за структурою можна класифікувати наступним чином:

1) матричні;

2) бан’яноподібні;

3) структури з N² окремими з’єднаннями.

Рис. 1.4. Базова модель просторового комутатора

Недоліком просторового комутатора є неможливість встановлення всіх необхідних з’єднань при певному рівні трафіку. Ця властивість, що називається внутрішнім блокуванням, обмежує перепускну здатність комутатора й складає центральну проблему під час створення й роботи комутаторів просторового типу.

Комутаційній структурі матричного типу також властивий суттєвий недолік: вона вимагає N² шлюзів, тому розміри комутаторів є обмеженими. Крім цього їй властиві ще два недоліки: якщо здійснюється самомаршрутизація, то необхідно формувати та передавати значення повної адреси вихідного порту; затримка під час передачі різна для різних пар вхід/вихід. Через вказані причини були створені альтернативні комутаційні структури бан’яноподібного типу [108], що базуються на мережах багатоступінчатих з’єднань.

У основі бан’яноподібної комутаційної структури лежить бітонічне сортування, запропоноване Бетчером. Згідно визначення, послідовність називається бітонічною, якщо вона отримується в результаті суперпозиції двох монотонних -значних послідовностей: одна зростаюча, а інша - спадна. Будь-який циклічний зсув бітонічної послідовності є також бітонічною послідовністю. Опис даної концепції спирається на абстрактну модель об’ємно-просторового комутатора (див. рис. 1.4). Бан’яноподібна структура дозволяє утворити площинно-просторовий комутатор із числом елементарних комутаторів, меншим ніжN².

Демультиплексор бан’яноподібної структури реалізується на елементарних комутаторах (рис. 1.5), які перебувають у двох станах: а) наскрізному та б) перехресному.

Якщо N = 2^m, то демультиплексор має деревоподібну структуру з N-1 комутаційним елементом. У такому дереві існує єдиний шлях від кореня до кожної з гілок.

Рис. 1.5. Демультиплексор на елементарних комутаторах

Побудова мультиплексора точно така ж, як і розгалужувача, причому коренем дерева є вихідний канал. Вибір стану елементарних комутаторів у мультиплексорі здійснюється, аналогічно як у демультиплексорі, починаючи з кореня дерева. Іншими словами, для того щоб передати дані з входу і на вихід j, необхідно перевести елементарні комутатори j-го мультиплексора в такий стан, що спрямовує дані з його кореня в і-у вітку.

На рис. 1.6 показана структурна схема площинного (двовимірного) комутатора цифрових сигналiв, що мiстить два iдентичні канали комутації та передачі даних [71, 74, 109]. Площинний комутатор є базовим компонентом для реалізації просторової комутації в багатопроцесорних обчислювальних системах.

Рис. 1.6. Структурна схема площинного (двовимірного) комутатора цифрових сигналiв

Такий комутаційний елемент, крім двох інформаційних входів Х₁ і Х₂ та двох інформаційний виходів Y₁ і Y₂, має керуючий вхід, який служить для вводу керуючої інформації, призначеної для налагодження елемента на відповідну комутацію. Для зберiгання переданої iнформацiї в промiжках мiж тактовими iмпульсами, у кожному з двох iнформацiйний каналiв, є по одному зсуваючому регiстру 1 i 2. У регістри iнформацiя надходить пiд дiєю тактових iмпульсiв iз сусiднiх комірок, зєднаних безпосередньо з даним елементом через входи Х₁ i Х₂, зберiгається в них на протязi такту i потiм через логiчну схему комутацiї (ЛСК) 3 передається на виходи елемента Y₁ i Y₂ i дальше в сусiднi комірки, пiдключенi до виходiв Y₁ i Y₂ даного елемента.

ЛСК 3 служить для комутацiї входiв i виходiв комутаційного регістрового елемента (КРЕ) у вiдповiдностi з програмою його комутацiї, що надходить через керуючий вхiд на схему керування 4.

На рис. 1.7 зображено режими комутацiї для випадку двовимiрної двоканальної комутацiї.

Рис. 1.7. Режими комутацiї для випадку двовимiрної двоканальної комутацiї

Наведені закономірності та факти щодо складнощів побудови цифрових просторових комутаторів спонукали автора провести власні дослідження ширшого плану з наступних позицій: часу, простору та математичної логіки; шляхів та причин створення і застосування радіоелектронних засобів, сигналів і структур k-значного кодування; особливостей побудови мікроелектронних комутаторів гранично високої швидкодії із застосуванням принципу симбіозу дво- та аналого-дискретного кодування і багаторівневих потенційних сигналів та виясненням внутрішніх закономірностей, що виникають при застосуванні k-значних кодів та сигналів. Вирішення завдань щодо побудови просторових комутаторів складає одну із суттєвих граней теорії побудови високоефективних структур із k-значним кодуванням.