计算机系统结构课程总结(互连网络)

多处理机

• 包含两个或两个以上功能大致相同的处理器
• 所有处理器共享一个公共内存
• 所有处理器共享I/O通道、控制器和外围设备
• 整个系统由统一的操作系统控制，全面并行

多处理机属于MIMD。

多处理机系统的cache一致性保障

• 静态一致性校验：对于共享的可写（即可修改）的信息不准进入cache。
• 增加一个共享cache：共享信息均在共享cache内，而取指令和独用数据则使用独用cache。
• 动态一致性校验：在若干个cache中使同一个信息始终保持动态一致。
  
  • 广播法
  • 目录法

互连网络(ICN)

互连网络是由开关元件按照一定拓扑结构和控制方式构成的网络，实现多个结点对之间的相互连接。

出端编码是入端编码的排列、组合、移位、取反等操作的结果。表示所有入端与出端的连接关系。

• 互连函数表示法：
  $$f(b_{n-1}...b_0)=b_0b_{n-2}...b_1b_{n-1}$$
  这里的b都是二进制位，也就是说，入端和出段的编码都用一串二进制，它所表示的数值则表达了具体的结点，但是使用二进制会方便书写映射关系。
• 图形表示法
• 输入输出对应表示法：
  $$输入：7654321$$
  $$输出：1654327$$

一个互连函数即表征了一个单级互连网络。

恒等置换(可逆)

$$f(b_{n-1}...b_0)=b_{n-1}...b_0$$

立方体置换(可逆)

一位编码取反，如：

$$Cube_2(b_3b_2b_1b_0)=b_3\overline{b_2}b_1b_0$$

交换置换(可逆)

$b_0$位(最低位)取反的立方体置换。

$$Exchange(...)=Cube_0(...)$$

混洗置换

循环左移1位：

$$Shuffle(b_{n-1}b_{n-2}...b_1b_0)=b_{n-2}...b_1b_0b_{n-1}$$
混洗置换与交换置换的多次组合，可实现某结点到任意结点的连接。

逆混洗置换

循环右移1位：

$$Shuffle^{-1}(b_{n-1}b_{n-2}...b_1b_0)=b_0b_{n-1}b_{n-2}...b_1$$

蝶式置换(可逆)

最高位和最低位交换位置：

$$\beta utterfly(b_{n-1}b_{n-2}...b_1b_0)=b_0b_{n-2}...b_1b_{n-1}$$

反位序置换(可逆)

把编码倒过来：

$$Reversal(b_{n-1}...b_0)=b_0...b_{n-1}$$

移数置换

输入端向量循环移动一定的位置：

$$\alpha(x)=(x+r) mod 2^n,0\leq x \leq 2^n$$
经常取 $r=2^i$，因此移数函数又称为加减 $2^i$函数、 $PM2I$函数等。

注意，当$PM2I$中$I$取负值时，表示$r=-2^I$，而不是$r=2^{-I}$。例如，$PM2-0$即表示$r=-2^0=-1$。

单级互连网络特性

任一单级互连网络可实现部分结点(一对或几对)间的连接，不能实现任意多对结点间的同时连接。

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多级互连网络

多级互连网络采用多个相同的或不同的单级互连网络直接连接起来，实现任意节点间的直接互连。

• 交换开关
• 交换开关之间的拓扑连接
• 对交换开关的不同控制方式

axb交换开关

$a\times b$交换开关具有$a$个输入和$b$个输出，常用$a=b=2$。

仅具有直通和交换两种功能的是二功能开关，需1位控制信号；具有全部4种功能的是四功能开关，需4位控制信号。

拓扑结构

前一级交换开关的输出端和后一级交换开关的输入端的连接模式。

控制方式

• 级控制：同级交换开关使用同一个控制信号控制。
• 单元级控制：每个交换开关分别控制。
• 部分级控制：第i级使用第i+1个控制信号控制。

超立方体寻径

截PPT：

集群系统

通过高速互连网络把通用计算机连接起来，采用消息传递机制，并最终向用户提供单一并行编程环境和计算资源。