[发明专利]并行计算机的可程控直通通信系统及方法

说明书

本发明是关于超级并行计算机和人工神经网络计算机中的通信关键技术。    

众所周知，现有的并行计算机结构有：

·SMP对称多处理器体系结构；

·MPP大规模并行处理结构。

SMP与MPP结构均为现有已公开使用的技术。在传统的SMP和MPP系统中，结点(即处理器)与结点间的通信或通过总线或通过储存转发机制实现，当并行粒度变细或结点数目增多时，通信花销将急剧增加，从而使加速比性能变坏。如最近惠普公司发布的企业级服务器HP 9000/T500，单处理器的性能为960tps，而12个处理器时仅为2000tps，距预期的线性加速比3600tps性能下降近半。因此，计算机业界正研究在并行机中减少通信花销的机制，即处理器间通信的约简机构(RICA)。

本发明的任务是在SMP和MPP体系的计算机系统中，根据通信的处理单元需求，由操作系统控制在硬件上使源结点和目标结点间的通信链路直接连通，这是一种极有效的RICA机制，可使加速比有显著改进。

本发明的通信系统与方法是设计并行机的一套通信机制，它主要包含一个可程控交叉开关、一个仲裁电路以及配套的系统管理软件。发明原理为：仲裁电路接收来自SMP和MPP系统中各结点发来的通信服务请求，按FIFS原则将请求送到管理单元通过管理软件向可程控交叉开关送出程控信号，交叉开关即把源结点和目标结点之间的通信链路接通，实现二者间的直通通信。

本发明在采用主/从结构的MPP阵列中的技术解决方案如图1所示：图中1为宿主机，2为仲裁电路，3为交叉开关，PE₀为阵列管理单元，PE₁～PE_n为n个并行的处理单元，本发明是在MPP阵列中，在硬件上增加一个输入连接各处理单元的通信链路、输出连接管理单元的仲裁电路。本方案中宿主机可以是微机、工作站、小、中型机或大型机。PE₀是一个阵列管理处理单元，它一方面负责从宿主机中下载任务给各处理单元，并将处理阵列完成处理后所得数据上交宿主机，通过其图型界面与用户打交道。另一方面，PE₀接受仲裁电路的信息，进行处理后再向交叉开关发送程控信号，通过交叉开关接通源结点和目标结点。

图中PE₁至PE_n是相同的处理单元，内含处理器及相应的存储器，每个处理单元均备有多条通信链路：一条链路接至仲裁电路，另几条链路则接至交叉开关，以备与其它处理单元连通。处理单元接受管理单元PE₀下载任务，需要与其它处理单元通信时，经仲裁电路向管理单元发出通信请求，申请被接受后打通与目标结点的通信链路，即可进行直通通信。

本发明仲裁电路的任务在于接受各处理单元的通信申请，作出仲裁，通知管理单元PE0，由管理单元发出程控信号，控制交叉开关，以接通结点对之间的直通通信链路。

交叉开关是一个开关矩阵，收到管理单元PE0的程控信号后，就把各源结点与各自相应的目标结点间的链路在硬件上连通。

本发明的硬件制作还可具有容错功能，此时可将一个或若干处理单元设置为备份(冗余)单元，当在管理单元上运行的管理软件侦测出故障结点，即可通过硬件实现用备份单元取代故障结点单元，完成取代后，又可将系统中的空闲结点置入备份状态，用这种动态冗余机制来确保整个系统的可靠性。

本发明围绕管理单元PE₀开发的具有容错功能的并行操作系统，集成了上述的处理器阵列与宿主机间的任务/数据的上/下载、结点任务分配、故障侦测及处理。直通通信管理软件主体流程如图2、图3所示，图2为管理单元的直通通信管理程序流图，该进程处于等待状态，一旦有处理单元的直通通信请求便转到该处理流程。图3为处理单元的通信流程，当处理单元要通信时，调用系统提供的通信API函数，在收到应用请求后转到处理单元通信API接口处理流程。

综上所述本发明的主要优点有：

1.摒弃了低效率的存储转发机制，从而大幅度降低了通信花销，使MPP或SMP系统的加速比有显著改进；

2.设置备份结点，使本发明的多处理器系统具备容错功能；

3.提出了一种动态改变处理器连接拓扑的技术，可实现立方体、超立方体、环形、超环形……等多种拓扑或进行动态重构。