專利名稱：下一代交換式計算機的制作方法
一、所屬領域本發明涉及一種以交換式結構為核心的“下一代交換式計算機”。
“日前，兩家全球高性能計算與電信領域的領導廠商，康柏電腦公司與愛立信正式締結為戰略合作伙伴，由此將兩家公司之間業已形成的密切關系又向前推進了一步。雙方將聯合為愛立信公司基于AXE的新一代無線與有線網絡，開發與建造高級交換式計算機。作為電話網絡的核心設備，這些交換機將與康柏公司高性能的AlphaServer服務器和64位UMIX(UNIX操作系統一種多用戶的計算機操作系統)技術完美地融為一體。隨著強大與可擴展的Alpha技術全面融入新一代網絡交換基礎設施中，愛立信將有能力以全新的解決方案迅速搶占市場，并使網絡設備的整體性能隨著客戶數量的增長而提高。目前，康柏正在發送樣機系統，它將于2001年投入大批量生產。同時，康柏將為愛立信提供一系列包括桌上電腦、高檔網絡系統和專業服務在內的產品與服務。根據這一具有里程碑意義的協議，雙方將展開為期四年的第一階段合作。愛立信新一代的交換機將會嚴格遵循CompactPCI(即cPCI)標準。CompactPCI是一個目前正在迅速發展的平臺體系結構，它具備了標準服務器的所有優點，如高性能、高性價比、可升級性和可配置性等等。康柏的各類cPCI平臺都建立在Alpha技術之上，它們可以作為全面集成系統來使用，對包括存儲器和專用通信組件在內的各種組件加以集成。康柏公司的集成輔助部門和專業服務與支持將在全球范圍內為這些cPCI產品提供全面支持。另外，康柏公司為愛立信生產的Alpha平臺將遵循專為在中央辦公場所安裝交換設備而制定的NEBS 3級規范。”以上引用http//news.enet.com.cn硅谷動力網站上的文章，本交換式計算機是指交換式計算機網絡，而非利用交換式部件將各計算機部件連接起來，組成一個計算機，提高計算機的吞吐量，完全實現并行處理，來提高計算機的處理和傳輸能力。
用關鍵詞computer with switch(交換式計算機)，對美國專利局數據庫http//www.uspto.gov/patft進行檢索，未檢索到類似的專利。
用關鍵詞“交換式計算機”，對我國專利局數據庫的檢索http//www.sipo.gov.cn/sipo/zljs/default.htm也未檢索到任何專利。
利用IBM的專利網站用Computer with switch(交換式計算機)進行了檢索。http//www.delphion.com/fcgi-bin/patsearch進行檢索，檢索到三個專利(1)US6535597Private circuit provision ina telecommunications network(美國專利號US6535597通信專用電路)；(2)US6160879Private circuit provision in atelecommunications network(美國專利號US6160879通信專用電路)；(3)US6026308Combination cordless phone-faxmodem-computer(美國專利號US6026308無源一體化電話、傳真機、調制解調器、計算機)。均與本發明無關。
但此帶寬仍然是共享的，采用同樣規模的交換方式來傳輸數據，數據的交換速率要高出10倍以上。
采用交換式數據傳輸方式的另外一個優點是，由于數據能及時傳輸，無需很大的緩存，帶來的好處是，數據能及時處理，處理器執行速度更快，系統的可靠性更高。
1.針對現在計算機主板上共享總線的不足，采用交換式結構。
1)采用的技術方案針對現在計算機主板總線的不足，在計算機各部件之間利用交換芯片、交換模塊或可編程交換模塊來進行通信處理器與處理器之間、外部接口與外部接口之間、處理器與外部接口之間數據交換均采用交換方式實現。交換方式采數據報交換方式、分組交換方式、鏈路交換方式均可。交換數據既可為串行交換也可為并行多位同時交換。交換方式的采用大大提高了各部件之間的數據傳輸速度，本方案特別適用于多處理器，多接口之間的數據交換。主板上各芯片之間交換通常采用串行方式也可采用并行方式。采用串行方式優點可減少引腳；缺點傳輸數據的帶寬小。也可采用并行交換方式，并行交換方式的優點是采用多位并行處理，速度塊；缺點引腳多，不便于處理。
2)有益的效果是普通計算機上利用交換芯片或交換模塊取代現在計算機的總線，使計算機的吞吐量大大提高，交換處理利用地址自動交換無需處理器干預，減輕了計算機處理器的負擔，同時無需等待輸入、輸出數據，交換數據與計算機處理同時進行，從而大大提高了計算機的處理能力。
2.針對在芯片內定制交換式模塊靈活性的不足，由可編程交換、可編程計算、可編程接口組成可編程計算機處理器。
1)采取的技術方案針對定制交換模塊靈活性的不足，在芯片內采用可編程交換電路構成交換式處理器，交換式處理器由處理器、可編程接口、可編程交換電路三部分構成。在處理器芯片內實現處理各部件之間交換數據更容易(1)在芯片內部實現并行交換實現非常容易。因為，集成電路內的導線不必引出，容易實現。(2)在芯片內采用與可編程指令及可編程接口模塊同樣寬的數據寬度，從而形成流水線處理，無需相互等待，系統的效率最高。優點內置交換模塊的采用，使用更多的處理器和使用更多的接口電路成為可能。使計算機的規模和性能很容易做得更好，而無需增加很多的成本。采用交換方式，徹底解決了處理器與接口電路之間數據通信的瓶頸，使多處理器或多流水處理器速度提高一個數量級以上。多處理器和多外部接口利用可編程交換模塊構成高性能計算機處理器。
2)有益的效果是采用可編程交換方式，通過可編程電路實現，靈活性強。可根據需求彈性實現交換，使芯片的利用率得到最大化、最優化。
3.串行交換缺點是交換速度慢；串行交換的優點是交換的導線要求少，對于相對較遠的兩個設備或器件之間易采用串行交換。
1)采取的技術方案采用串行交換式芯片將多個處理器，多個接口芯片連接起來，數據互相交換，協作完成，見案例5。
2)有益的效果是用串行交換可以減少芯片的引腳和連線的數量，可靠性高；芯片之間、設備等距離較遠的場所宜采用串行交換。
4.針對現在串行交換速度慢的缺陷，本發明另一種并行交換模式。
1)采用的技術方案針對串行交換數據交換率低的缺陷采用并行交換方法。并行交換的優點是①多位并行處理，傳輸的速度快；②并行位數與處理器的位數相同，并于跟宿主器件或模塊接口一致；③與宿主模塊或芯片采用相同的頻率，傳遞的速率最高，且無需大容量的暫存器。具體實現方法見案例4。
2)有益的效果是并行交換速度快；容易于其它部分接口，有利于系統整體性能的提高，數據即時傳輸，系統無需大的緩存，處理速度快。適用于芯片內各部分之間的數據交換。
主板上由輸入設備、輸出設備、可編程交換式處理器、輸入/輸出設備組成。可編程指令處理器(內含多個可編程指令處理器、多個可編程交換模塊、多個可編程接口組成。見案例2)。
工作原理可編程指令處理器、可編程交換模塊、可編程接口均通過程序盤進行配置，并可根據要求不斷實時下載新配置，使可編程處理器完成相應的功能。可編程處理器部分采用可編程指令完成功能，可編程交換部分實現可編程計算與外部接口的快速交換，從而實現了數據的高速輸入、輸出。
下面針對圖6作進一步的說明圖6可編程交換式計算機主板示意圖，為一個實用的計算機主板。
601為顯示器輸出物理接口，接收可編程接口顯示口的信號進行顯示；602為IDE接口，可接入IDE硬盤或IDE光盤驅動器；603為可編程接口層，能編程為多種接口電路，如，可編程為IDE接口，SCSI(Small computer System Interface小型計算機系統接口)接口，其協議層已在本層實現，外圍僅為物理插座，這樣將大大減少引腳的數量，從而大大縮短了導線的長度，大大減少電磁干擾，使系統的可靠性大大提高，經過本層的處理，將串行數據或窄寬度的并行數據轉換為寬度寬的并行數據，如將IDE的16位數據轉換為128位數據送至可編程交換層，可編程交換層再將數據交換給對應的可編程功能指令處理器進行處理。
圖6中603為可編程接口層、604可編程交換層、610可編程計算層均可配置為多個接口電路、多個交換電路、多個可編程功能指令處理器。具體多少個電路視可編程電路的規模和計算機處理需求而定。
605為PCI插槽，與現在的計算機PCI產品相兼容，可插入現在的PCI產品，如，PCI聲卡、PCI網卡等，此PCI插卡口僅與一個交換口相連，其接口與現在的計算機不同；606為SCSI接口，可接入SCSI磁盤機，SCSI掃描儀等；607為100/1000/10000Mbps自適應網絡接口，可接入雙絞線以太網或光纖以太網；608為冗余產品陣列(RAID)接口，可接入磁盤陣列；609為1Tbps＝109bsp級的光纖密集波分復用接口，可利用光纖將處理器數據輸入輸出到遠端的計算機；611為USB(Universal Serial Bus，Intel公司開發的通用串行總線架構)接口，與現在的USB產品兼容；612為異步串行接口(UART通用異步收發接口)；613為電源輸出，614電源控制，控制電源的穩定性，615為電源。
603為可編程功能指令處理、604可編程交換層、610為可編程指令計算，組成可編程計算機處理器。603為可編程功能指令處理層，將604可編程交換層送來的數據，數據采用多位并行輸入、輸出，由于在芯片內部，并行數據很容易實現，實現128位并行處理或更多的位數處理，可編程功能指令處理也采用128位以上的并行處理，從而使系統有更高的性能。可編程接口將接口模塊的協議層已做在中間，使外部接口的引腳盡量減少。如，607以太網PHY(物理層)，其對應的可編程接口已將100M/1000M/10000M的MAC(MediumAccess Control媒體訪問控制)層，外部輸出僅為4個腳TX+(輸出正電平引腳)、TX-(輸出負電平引腳)、RX+(輸入正電平引腳)、RX-(輸入負電平引腳)，四個引腳可直接接入雙絞線RJ45(8芯標準以太網)口，也可直接接入激光管將以太網的信號提供給光纖輸出，或通過光敏光將光纖數據輸入。案例2 交換式數據交換處理器圖2可編程交換式處理器，外層為可編程接口層，中間層為可編程交換通道層，內層為可編程計算層。
如圖2所示可編程接口層可編制多個接口，完成多個不同或相同的功能。201為可編程接口層的一個模塊，10Gbps以太網光纖模塊，將外部萬兆以太網光纖交換機送入的數據進行并串轉換，并按IEEE802.3AE(10Gbps以太網國際標準)協議進行轉換，將是本站點的數據送給上一次層，可編程交換模塊將數據交換傳送到內部對應的可編程功能指令進行處理，處理后的結果與其它處理指令模塊進行交互，或交換到萬兆以太網光纖口輸出至以太網交換機。
圖3為可編程交換式處理器另一種排布形式，301為可編程接口，中間層302為可編程交換層，右側303為可編程計算層，每一層均可下載為多個模塊。
圖4為利用可編程交換式處理器構成的網絡存儲器工作案例。圖中401為1Gbps可編程以太網接口，405冗余磁盤陣列(RAID)可編程接口，402位可編程交換電路，403為可編程計算部分，404為可編程計算部分的交換接口1，406為可編程計算部分的交換接口2，403為可編程計算部分。
工作原理(1)網絡數據存儲至RAID存儲器401將網絡數據，按以太網協議轉換為MAC數據包經402可編程硬件交換電路，交換至403可編程計算部分進行網絡協議棧轉換為需要存儲的數據，經可編程計算部分的文件系統處理后再經過交換電路存儲至RAID磁盤陣列中。
(2)RAID存儲器中的數據讀出當網絡處有讀數據請求時，可編程文件管理指令，從405磁盤陣列中取出數據，經交換電路交換至可編程計算模塊中，按網絡協議棧處理網絡數據包，再交換送至401中，按以太網協議轉換為以太網數據輸出。案例3 多處理器和多外部接口利用交換芯片構成的高性能計算機系統。(不采用總線)如圖5所示，利用可編程器件編程為串行交換計算機。
510為處理器1、511為處理器2、512為處理器3為計算機處理中心；505為以太網PHY，將數據通過以太網輸入、輸出；506為顯示芯片，將顯示信息輸出給顯示器進行顯示、507為IDE硬盤接口、508為USB接口。以上各模塊均與509交換芯片相連，各模塊之間交換數據均通過交換芯片進行。因此交換速度塊，不會再產生總線的數據交換瓶頸。只要調度合理各處理器和接口可發揮最高的性能。案例4 并行交換現在的以太網交換芯片均采用串行交換結構，是適應長距離傳輸。但對于，芯片內的交換，由于距離短，完全可利用并行交換的方法實現。這樣將通信的帶寬大大增加。
如圖7所示為3個端口并行交換的原理圖，多端口與此類似。702為接口單元1的輸出緩存，708為輸出仲裁電路，717為輸出給處理單元3的并行輸出口，701為輸出給處理單元1的并行輸出接口，從哪一個接口輸出由仲裁電路根據輸出數據的地址由仲裁電路控制。709為輸入仲裁電路，當有兩個數據同時輸入時，由輸入仲裁電路控制，未輸入的數據暫存，有時間空隙輸入到輸入隊列。718為輸入仲裁電路的反饋給接口單元2的輸出仲裁電路(注因圖太滿，其它反饋信號未畫，應該每個輸入均有一個反饋信號給對應的輸出端。)，用于仲裁兩個輸入同時發生時，產生反饋信號，使其中一個輸出暫緩進行，其反饋信號的產生可按優先級進行。(注所有的交換數據通信口均為并行口，圖中用短斜線表示。)案例5 串行交換組成的計算機主板以太網交換芯片(即串行交換芯片)，如臺灣Realtek(公司名，無中文翻譯)公司的RTL8309SB(器件信號)為9路以太網交換芯片。
工作原理將輸入的以太網數據鏈路層串行數據包，經串并轉換為并行數據，按以太網的物理地址進行交換，數據交換到對應的端口進行并串轉換為串行數據輸出。
也可以用可編程器件編制串行交換芯片。
由于RTL8309SB的交換口媒體訪問控制協議(MAC協議)，所以可編程處理器與可編程外部接口必須編制MAC接口才能交換。
如圖8所示，為利用RTL8309SB或其它交換芯片為中心，多個處理器，多個接口組成的交換式計算機主板。801為帶MAC接口的可編程接口1；802帶MAC接口的處理器1；803為帶MAC接口的可編程接口2；804為交換芯片，如RTL8309SB、RTL8316等；805為帶MAC接口的處理器2；806為可編程接口3；807為可編程處理器3。可編程處理器和可編程接口均通過交換口與交換芯片相連。可編程接口和可編程處理器都必須編制MAC交換口，通過MAC交換使可編程接口之間，可編程接口與可編程處理器之間，可編程處理器與可編程處理器之間交換數據，因此無通信瓶頸。
權利要求
1.下一代交換式計算機，包括編程計算部分；交換部分；外部可編程接口部分。
2.根據權利要求1所述的下一代交換式計算機，其特征是可編程計算部分和外部接口之間采用交換方式。
3.根據權利要求1、權利要求2所述的下一代交換式計算機，其特征是交換方式電路為定制交換電路。
4.根據權利要求1、權利要求2所述的下一代交換式計算機，其特征是交換方式的電路為可編程交換電路。
5.根據權利要求1、權利要求2所述的下一代交換式計算機，其特征是交換方式采用串行交換。
6.根據權利要求1、權利要求2所述的下一代交換式計算機，其特征是交換方式采用并行交換。
7.根據權利要求1下一代交換式計算機，其特征是電路板上，各芯片之間利用交換式芯片進行交換數據。
8.根據權利要求1、權利要求2、權利要求7所述的下一代交換式計算機，其特征是多個處理器芯片和多個其它芯片之間接口采用交換方式進行數據通信。
9.根據權利要求1所述的下一代交換式計算機，其特征是芯片內各功能指令之間交換數據采用交換方式。
10.根據權利要求1、權利要求4、權利要求9所述的下一代交換式計算機，其特征是可編程功能指令模塊與外部可編程接口之間采用并行交換方式。
全文摘要
本發明下一代交換式計算機，采用串行或并行交換模塊取代現在計算機中的總線，使計算機的各模塊之間的數據傳輸大大加快，從而徹底解決了計算機總線的通信瓶頸。特別適用于多處理計算機，可編程指令計算機等下一代高性能計算機。也適用于未來的量子計算機，DNA生物計算機等。交換模塊的采用使計算機的數據吞吐量提高了10倍以上。
文檔編號G06F15/76GK1477543SQ03149368
公開日2004年2月25日 申請日期2003年6月21日 優先權日2003年6月21日
發明者顧士平 申請人:顧士平