專利名稱:低能耗的板上多處理器架構(gòu)的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)架構(gòu)領(lǐng)域的架構(gòu)系統(tǒng),更具體地說,涉及一種集成了分布式計(jì) 算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及光通信技術(shù)的低能耗的板上多處理器架構(gòu)的系統(tǒng)。
背景技術(shù):
現(xiàn)在PC(Pers0nal Computer)市場上多流行的是多核處理器,單核處理器已是處 于淘汰階段的產(chǎn)品。由于在單核上提高處理頻率會導(dǎo)致集成困難,而且功耗變高,散熱困 難,多核處理技術(shù)成了現(xiàn)在的主流?,F(xiàn)在無論是超級計(jì)算機(jī)還是普通的PC機(jī),都是屬于多 核的處理器架構(gòu)。普通的PC機(jī)多采用SMP (Symmetrical Multi-Processing)架構(gòu),即對稱 的擁有共享內(nèi)存子系統(tǒng)以及總線的多核架構(gòu)。多核的出現(xiàn)也使得并行計(jì)算在一臺計(jì)算機(jī)上 的實(shí)現(xiàn)成為了可能。在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,有兩種體系結(jié)構(gòu)馮諾依曼體系、哈佛體系。但是, 由于當(dāng)時的技術(shù)發(fā)展水平所限,這兩種體系結(jié)構(gòu)都未能考慮到多核處理器、多處理器等的 應(yīng)用,使得現(xiàn)有技術(shù)下的多核處理器和多處理器與這類體系結(jié)構(gòu)的融合出現(xiàn)困難。而單核 處理器、多核處理器各自存在著以下的不足之處單核處理器遵循摩爾定律,隨著時間的推 進(jìn),速度產(chǎn)生了瓶頸;多核處理器在制造工藝上比單核處理器精密,可是由于芯片的制造成 本隨著制造工藝的提高而提高,使得多核處理器的發(fā)展遭遇瓶頸。當(dāng)制造工藝精密到18納 米時,就已經(jīng)達(dá)到技術(shù)使用極限,制造成本也隨之提高。以上所述現(xiàn)有技術(shù)下的計(jì)算機(jī),很難同時實(shí)現(xiàn)高效與節(jié)能低耗的目的,而且工藝 復(fù)雜,容易受到工藝瓶頸的影響。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)處理速度高且同時節(jié)能低耗的采用多處理 器架構(gòu)的系統(tǒng),本發(fā)明系統(tǒng)能夠在一個主機(jī)上實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算,且耗能低、傳輸信號質(zhì)量
聞、通信量大。為了解決上述問題,本發(fā)明一種低能耗板上多處理器架構(gòu)的系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括 處理器部分、存儲器部分。其中,處理器部分和存儲器部分集成在一個板上;處理器與處理 器、處理器部分與存儲器部分之間通過光纖總線進(jìn)行通信。所述處理器部分包括一個主處理器和多個分處理器;所述各個處理器在板上按照 歐幾里得空間原理的正多面體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分布;所述多面體中心有光路由器R ;所述 各個分處理器時鐘同步;所述處理器通過光纖總線分別與存儲器和外部設(shè)備進(jìn)行雙向通 信;所述各個分處理器相互獨(dú)立執(zhí)行互不相同的特定的單一操作;所述所有分處理器由主 處理器統(tǒng)一控制分配任務(wù)。本發(fā)明系統(tǒng)中的一個分處理器可同時管理一類的一個或多個外部設(shè)備,每個處理 器與一個或零個存儲器相連,且一個處理器和與之相連的存儲器組成一個結(jié)點(diǎn),結(jié)點(diǎn)與外 部設(shè)備之間是一對多的連接關(guān)系。[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于,采用多個處理器架構(gòu)的系統(tǒng),處理器采用正多面體布局,能夠 實(shí)現(xiàn)各個處理器時鐘同步。各個處理器明確分工,互不影響,各自獨(dú)立完成特定單一的處理 操作,與外部設(shè)備進(jìn)行一對多的連接,能夠?qū)崿F(xiàn)分布式計(jì)算,且最大程度上實(shí)現(xiàn)處理器的合 理調(diào)用和分配,降低能耗。本發(fā)明的系統(tǒng)中采用光纖總線來進(jìn)行通信,使得整個系統(tǒng)通信質(zhì) 量好,能耗低,重量小,抗干擾能力強(qiáng)。
圖1是本發(fā)明的各部份架構(gòu)框圖示意圖;圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中處理器與外部設(shè)備連接關(guān)系示意圖;圖3是本發(fā)明的處理器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示,本發(fā)明的低能耗板上多處理器架構(gòu)的系統(tǒng),包括處理器部分、存儲器 部分。處理器部分用P表示,存儲器部分用RAM表示,外部設(shè)備用D表示。其中,處理器部 分和存儲器部分集成在一個板上;處理器與處理器、處理器部分與存儲器部分之間通過光 纖總線進(jìn)行通信。所述處理器部分包括一個主處理器和多個分處理器,如圖1所示,各個處理器 P(i) U = 1、2、...N}處于本發(fā)明系統(tǒng)內(nèi)部,各個處理器在板上按照歐幾里得空間原理的正 多面體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分布;如圖3所示,處理器分布的多面體中心安裝有光路由器R,各 個分處理器時鐘同步。所述處理器通過光纖總線分別與存儲器和外部設(shè)備進(jìn)行雙向通信; 所述各個分處理器相互獨(dú)立執(zhí)行互不相同的特定的單一操作;所述所有分處理器由主處理 器統(tǒng)一控制分配任務(wù)。如圖2所示,本發(fā)明系統(tǒng)中的一個分處理器可同時管理多個外部設(shè)備,每個處理 器與一個或零個存儲器相連,且一個處理器和與之相連的存儲器組成一個結(jié)點(diǎn),結(jié)點(diǎn)與外 部設(shè)備之間是一對多的連接關(guān)系。本發(fā)明中的多處理器的分布與設(shè)置能夠在一臺計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算。一般情 況下,分布式計(jì)算是基于多臺計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的,通過將任務(wù)劃分成多個模塊,并且讓多臺計(jì)算 機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的計(jì)算并匯總,這是一種基于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所構(gòu)建的系統(tǒng)。然而對于本發(fā)明 的多處理器應(yīng)用分類后,可在一個計(jì)算機(jī)上將任務(wù)根據(jù)處理特性分配到專用的處理器上進(jìn) 行處理,然后再集中,使得專用的處理器在需要時才運(yùn)行,而通過一個主處理器分配及匯總 任務(wù)并控制其余處理器,這樣就在一個主機(jī)上實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算。本發(fā)明的多處理器特性能夠?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供有效的低能耗的傳感器管理。 目前,傳感器網(wǎng)絡(luò)處于蓬勃發(fā)展的態(tài)勢之中,尤其是以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為延伸的“物聯(lián)網(wǎng)” 發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠獲取客觀物理信息,具有十分廣闊的應(yīng)用前景,能應(yīng)用于軍事國 防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、搶險救災(zāi)、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域,已經(jīng) 引起了許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視,被認(rèn)為是對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù) 之一。本發(fā)明的多處理器具有多核處理器的功能,且無多核處理器的發(fā)展瓶頸,更能滿足需 求。本發(fā)明采用光纖布置總線結(jié)構(gòu),能夠使本發(fā)明的系統(tǒng)比其他架構(gòu)的系統(tǒng)速度更
4快、傳輸量更大。光纖通信自從問世以來,給整個通信領(lǐng)域帶來了一場革命,它使高速率、大 容量的通信成為可能。光纖通信由于具有損耗低、傳輸頻帶寬、容量大、體積小、重量輕、抗 電磁干擾、不易串音等優(yōu)點(diǎn)而備受業(yè)內(nèi)人士的青睞,發(fā)展非常迅速。就目前而言,Intel、惠 普等企業(yè)已經(jīng)在研發(fā)和制造低成本的光電互轉(zhuǎn)的產(chǎn)品。此類產(chǎn)品所依賴的技術(shù)為本實(shí)用新 型的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。本發(fā)明采用板上多處理器架構(gòu)的系統(tǒng),結(jié)合分布式計(jì)算技術(shù)、光通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)功能于一體,基于歐幾里得空間原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多處理器的時鐘同步,通過處理器的功 能化劃分及工作模式的設(shè)置來達(dá)到高效處理與節(jié)能低耗的目的。傳統(tǒng)的多核處理器(CMP)均為片上多核處理器,即在一個單芯片上面集成兩個甚 至更多個處理器內(nèi)核,沒有將它們具體分類應(yīng)用,致使處理器的效能沒有得到充分發(fā)揮,無 論在PC機(jī)或是嵌入式設(shè)備上應(yīng)用這種處理器架構(gòu),能耗都是不容忽視的問題。若是將處理 器按應(yīng)用分類,則沒有任務(wù)的處理器將可以處于最低功耗或是零功耗的狀態(tài),那么就能在 根本上解決處理器的功耗過大問題。同時,傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其總線以銅作為材質(zhì),發(fā)熱量高、傳輸錯誤率高都是不可 避免的問題;然而,采用光纖作為傳輸介質(zhì),由于光纖傳輸本身所具有的優(yōu)良特性,使得發(fā) 熱量和傳輸錯誤率高的問題迎刃而解。而且,本系統(tǒng)設(shè)置專門的CPU對網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行管理,為“物聯(lián)網(wǎng)”以及下一代計(jì)算 機(jī)多接口網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)保障。以圖1-3為實(shí)施例說明本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。一、體系結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)的架構(gòu)包括多個處理器和多個存儲器,并使用光纖作為總線材質(zhì)。(1)多個處理器在板上按照正多面體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分布。(2) 一個主處理器負(fù)責(zé)對所有處理器的工作模式進(jìn)行控制。(3)每個處理器有零個或一個存儲器進(jìn)行連接。(4)光纖作為傳輸介質(zhì),使得多個處理器之間能夠進(jìn)行控制信息和數(shù)據(jù)的通信。(5) 一個輸入/輸出設(shè)備與一個或者多個處理器進(jìn)行連接,一個輸入/輸出設(shè)備由 一個或多個處理器進(jìn)行控制。二、各結(jié)點(diǎn)的關(guān)系本發(fā)明架構(gòu)用集合S來描述。S= {N,R,D},其中N用來表示處理器,R用來表示 RAM(Radom Acce s s Memory),D用來描述外界設(shè)備。外界設(shè)備不僅僅是指實(shí)際存在的物 理設(shè)備,其中也包括軟件概念上的虛擬的設(shè)備。如圖1所示,為了描述準(zhǔn)確,我們將N個處理器編號為1,2,3. . . N,各處理器所連接 的RAM編號為R(i),U = 1、2...11},所負(fù)責(zé)的設(shè)備編號為0(」),{」=1、2. . . },將1個處理 器和與其連接的RAM —起稱之為1個結(jié)點(diǎn)。為保證處理器時鐘同步,所有處理器的分布采用基于歐幾里得空間的同步設(shè)計(jì)方 式。在歐幾里得空間下只存在5種正多面體,分別為正四面體、正六面體、正八面體、正十二 面體和正二十面體。為使得各個處理器的時鐘能夠同步,采用正多面體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中, 每個頂點(diǎn)都是一個結(jié)點(diǎn)。在該種設(shè)計(jì)中,其中正二十面體有20個頂點(diǎn),優(yōu)選方式下,選用正二十面體結(jié)構(gòu),該種結(jié)構(gòu)足以滿足所需外界設(shè)備的連接需求。三、各結(jié)點(diǎn)與外界設(shè)備的關(guān)系本發(fā)明架構(gòu)中,各結(jié)點(diǎn)與外界設(shè)備的關(guān)系為1對n(n=l、2、3、...)的關(guān)系。使用 這樣的方案的原因在于盡量讓外界設(shè)備的管理獨(dú)立化,使得1個處理器管理1個或有限個 設(shè)備,而非傳統(tǒng)的1個處理器管理所有的設(shè)備。如圖2所示,結(jié)點(diǎn)1將負(fù)責(zé)D(I)設(shè)備的開啟、運(yùn)行、關(guān)閉以及有關(guān)該設(shè)備的其他工 作,而結(jié)點(diǎn)2將負(fù)責(zé)設(shè)備D (2)、D (3)的開啟、運(yùn)行、關(guān)閉以及有關(guān)該設(shè)備的其他工作,其他結(jié) 點(diǎn)依此類推。例如,結(jié)點(diǎn)1對系統(tǒng)的所有網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行管理及操作,而結(jié)點(diǎn)2對各種輸入輸 出設(shè)備進(jìn)行管理及操作等等。其中,各個結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的設(shè)備應(yīng)該在數(shù)量上應(yīng)盡量少。四、光纖聯(lián)接本發(fā)明使用光作為其信號傳輸?shù)妮d體,有著許多優(yōu)勢。(1)光信號傳輸速度快。在光纖中的光傳輸速度基本接近于光在真空中的傳播速 度,且光信號不會引起發(fā)熱現(xiàn)象的產(chǎn)生。(2)傳輸能力強(qiáng)。使用光能夠增加傳輸帶寬,使得更多數(shù)據(jù)能同時并行傳輸。(3)信號衰減小。使用光纖傳輸數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)電線傳輸中信號衰減小很多。因此,使用光纖作為傳輸介質(zhì)是一種比較理想的選擇。光纖在板上的布局采用光底板技術(shù)。光底板技術(shù),就是在傳統(tǒng)的印刷電路板中加入一個光通訊層,用光波導(dǎo)取代傳統(tǒng) 的 PCB(Printed circuit board)中的銅線。由于自由空間光互連不依靠傳輸介質(zhì),因此可直接利用自由空間和透鏡/反射鏡 將兩個芯片用光束連接起來。其中,采用時延盡量低的帶微環(huán)諧振器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)向操 作。本發(fā)明低能耗的實(shí)現(xiàn)依賴于多處理器的休眠/喚醒控制。一個任務(wù)的執(zhí)行中沒有 使用的處理器將處于休眠狀態(tài)。一旦需要使用某個處理器時,喚醒該處理器以執(zhí)行某些特 定的操作。其中,需要一個主處理器來進(jìn)行分配和管理,使得一系列的處理器能夠合理調(diào)配 使用。本實(shí)用新型還依賴于光電互轉(zhuǎn)技術(shù)與光互連技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。對于板上多處理器間的 通信,若采用傳統(tǒng)總線方式將在性能、功耗、延時和可靠性等方面面臨巨大挑戰(zhàn)通信帶寬 受限,全局同步困難,可重用性差,結(jié)構(gòu)擴(kuò)展難。光纖作為總線意味著總線中的數(shù)據(jù)進(jìn)入處 理機(jī)前必須經(jīng)過光信號和電信號的轉(zhuǎn)換,使得多處理器能夠通過光纖進(jìn)行通信。因此,光電 互轉(zhuǎn)的技術(shù)在此處得以應(yīng)用。本系統(tǒng)在采用光作為載體的基礎(chǔ)上,借鑒計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),提出新的核間通信架 構(gòu)——板上光網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)(Photonic Network-on-Board)。光網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng) 方式的銅線連接,其提供了良好的并行通信能力,從而使得通信帶寬增加幾個數(shù)量級,其網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得擴(kuò)展性更強(qiáng)。此外,光網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)具有高吞吐、低能耗等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明由多個不同功能的處理器連接在同一板上,按照需要使用特定功能的處理 器處理數(shù)據(jù)。基于分布式計(jì)算技術(shù),在單塊板上實(shí)現(xiàn)多個處理器的分布式計(jì)算。這是有別 于傳統(tǒng)分布式計(jì)算系統(tǒng)的特點(diǎn)。以上所述,僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
,但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此,任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi),根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其 發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變,都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求一種低能耗的板上多處理器架構(gòu)的系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)包括處理器部分、存儲器部分,所述處理器部分和存儲器部分集成在一個板上;所述處理器部分與存儲器部分之間通過光纖總線進(jìn)行通信;所述處理器部分包括一個主處理器和多個分處理器;所述各個處理器在板上按照歐幾里得空間原理的正多面體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分布;所述多面體中心有光路由器R;所述各個分處理器時鐘同步;所述各個處理器通過光纖總線分別與存儲器和外部設(shè)備進(jìn)行雙向通信;所述各個分處理器相互獨(dú)立執(zhí)行互不相同的特定的單一操作;所述所有分處理器由主處理器統(tǒng)一控制分配任務(wù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低能耗的板上多處理器架構(gòu)的系統(tǒng),其特征在于,所述一個 分處理器可同時管理一類的一個或多個外部設(shè)備;所述處理器與一個或零個存儲器相連; 所述一個處理器和與之相連的存儲器組成一個結(jié)點(diǎn);所述結(jié)點(diǎn)與外部設(shè)備之間是一對多的 連接關(guān)系。
專利摘要一種低能耗的板上多處理器架構(gòu)的系統(tǒng),包括處理器部分、存儲器部分。兩部分集成在一個板上;處理器與處理器、處理器部分與存儲器部分之間通過光纖總線進(jìn)行通信。系統(tǒng)中的一個處理器可同時管理多個外部設(shè)備,每個處理器與一個或零個存儲器相連,且一個處理器獨(dú)立成為一個節(jié)點(diǎn)或和與之相連的存儲器組成一個結(jié)點(diǎn),結(jié)點(diǎn)與外部設(shè)備之間是一對多的連接關(guān)系。本實(shí)用新型中的處理器采用正多面體布局,能夠?qū)崿F(xiàn)各個處理器時鐘同步。各個處理器明確分工,互不影響,各自獨(dú)立完成特定單一的處理操作,與外部設(shè)備進(jìn)行一對多的連接,能夠?qū)崿F(xiàn)分布式計(jì)算,且最大程度上實(shí)現(xiàn)處理器的合理調(diào)用和分配,降低能耗。系統(tǒng)通信質(zhì)量好,能耗低,重量小,抗干擾能力強(qiáng)。
文檔編號G06F1/32GK201725273SQ20102028279
公開日2011年1月26日 申請日期2010年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月5日
發(fā)明者戴月, 朱佳峰, 王健, 王智森, 邵新江, 陳禮彬 申請人:大連工業(yè)大學(xué)