Оптоэлектронная вычислительная система с общей системной шиной

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в многопроцессорных вычислительных комплексах и системах. Техническим результатом является повышение производительности, помехозащищенности и надежности вычислительных машин, систем и комплексов. Система содержит процессорные блоки, местные выходные шины, блоки оптических передатчиков, местные выходные оптические шины, блоки оптических мультиплексоров, местные входные шины, блоки оптических приемников, местные входные оптические шины, блоки оптических демультиплексоров, блоки оптических конверторов, блоки оптических фильтров, блоки оптических передатчиков, общую системную шину и блоки периферийных устройств. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для создания высокопроизводительных и отказоустойчивых однопроцессорных, многопроцессорных и многомашинных электронных, оптоэлектронных и оптических вычислительных комплексов и систем.

Известно устройство для обмена информацией с общей шиной, содержащее центральный процессор, оперативную память, два периферийных устройства для обмена информацией с общей шиной, линию передачи адреса, линию передачи сигналов управления и синхронизации, линию передачи данных внешней магистрали, линию запросов. Основным недостатком данной структуры является то, что в каждый момент через общую шину может происходить обмен данных только между одной парой присоединенных к ней модулей, которые разделяют во времени один общий интерфейс. Это снижает производительность электронных вычислительных машин, использующих такой интерфейс.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для оптимизации организации доступа к общей шине во время передачи данных с прямым доступом к памяти, содержащее процессорный блок, блок запоминающего устройства, блок периферийного устройства и общую системную шину. Основным недостатком данной структуры является то, что в каждый момент через общую шину может происходить обмен данных только между одной парой присоединенных к ней устройств, которые разделяют во времени один общий интерфейс. Это снижает производительность ЭВМ, использующих такой интерфейс.

Техническим результатом является повышение производительности, помехозащищенности и надежности вычислительных машин, систем и комплексов.

Это достигается тем, что в оптоэлектронной вычислительной системе с общей системной шиной, содержащей процессорный блок, блок запоминающего устройства, блок периферийного устройства и общую системную шину, общая системная шина имеет оптическое выполнение, а в вычислительную систему введены дополнительные процессорные блоки, блоки запоминающих устройств, блоки периферийных устройств, а также блоки оптических передатчиков, блоки оптических мультиплексоров, блоки оптических приемников, блоки оптических демультиплексоров, блоки оптических конверторов, блоки оптических фильтров, местные шины и местные оптические шины, причем выход каждого процессорного блока, каждого блока запоминающего устройства и каждого блока периферийного устройства через соответствующие последовательно расположенные и связанные местную шину, блок оптических передатчиков, местную оптическую шину, блок оптических мультиплексоров, местную оптическую шину оптически связан с соответствующим оптическим входом общей системной шины, соответствующий оптический выход которой через соответствующие последовательно расположенные и оптически связанные местную оптическую шину, блок оптических фильтров, местную оптическую шину, блок оптических конверторов, местную оптическую шину, блок оптических демультиплексоров, местную оптическую шину, блок оптических передатчиков и местную шину связан со входом этого же одноименного процессорного блока, этого же одноименного блока запоминающего устройства, этого же одноименного блока периферийного устройства.

А также тем, что общая системная шина содержит один единственный оптический канал.

А также тем, что общая системная шина содержит оптический канал адреса, оптический канал данных, оптический канал управления.

Данная совокупность существенных признаков и связей между ними позволяет получить устройство, обладающее более чем в 1000 раз большей производительностью, помехозащищенностью и надежностью.

Сущность изобретения заключается в том, что на основе использования оптических методов передачи сигналов и применения оригинальных схем организации оптических ввода/вывода сигналов из вычислительных блоков и общей системной шины, использующей в качестве передающей среды свободное пространство и/или световоды (волоконные и/или интегральные), построен общий оптический системный интерфейс, позволяющий вести по нему обмен сигналами одновременно между парой, группами или всеми блоками вычислительной машины, комплекса или системы, а также сократить число магистралей в общей шине вплоть до одной оптической, за счет этого и достигаются повышение производительности, помехозащищенности и надежности систем с общей шиной.

Таким образом, предложенная вычислительная система обладает свойствами, не присущими известным устройствам. Это объясняется новой совокупностью существенных признаков и новыми связями, изложенными выше.

Сравнение предлагаемого устройства с известными свидетельствует о соответствии его критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков предлагаемого устройства - о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На чертеже приведена функциональная схема вычислительной системы с общей оптической системной шиной.

Оптоэлектронная вычислительная система с общей системной шиной содержит процессорные блоки 1-1...1-N, имеющие местные выходные шины 2-1...2-N; блоки оптических передатчиков 3-1...3-N, имеющих местные выходные оптические шины 4-1. . .4-N; блоки оптических мультиплексоров 5-1...5-N, имеющих местные выходные оптические шины 6-1...6-N; местные входные шины 7-1...7-N, блоки оптических приемников 8-1...8-N, имеющих местные входные оптические шины 9-1.. .9-N; блоки оптических демультиплексоров 10-1...10-N, имеющих местные входные оптические шины 11-1...11-N; блоки оптических конверторов 12-1...12-N, имеющих местные входные оптические шины 13-1...13-N; блоки оптических фильтров 14-1...14-N, имеющих местные входные оптические шины 15-1...15-N; блоки запоминающих устройств 16-1. ..16-К, имеющих местные выходные шины 17-1... 17-К; блоки оптических передатчиков 18-1...18-К, имеющих местные выходные оптические шины 19-1...19-К; блоки оптических мультиплексоров 20-1...20-К, имеющих местные выходные оптические шины 21-1...21-К; местные входные шины 22-1...22-К; блоки оптических приемников 23-1...23-К, имеющих местные входные оптические шины 24-1...24-К; блоки оптических демультиплексоров 25-1... 25-К, имеющих местные входные оптические шины 26-1...26-К; блоки оптических конверторов 27-1. . . 27-К, имеющих местные входные оптические шины 28-1... 28-К; блоки оптических фильтров 29-1...29-К, имеющих местные входные оптические шины 30-1...30-К; общую системную шину 31; блоки периферийных устройств 32-1...32-М, имеющих местные выходные шины 33-1...33-М; блоки оптических передатчиков 34-1...34-М, имеющих местные выходные оптические шины 35-1. . .35-М; блоки оптических мультиплексоров 36-1...36-М, имеющих местные выходные оптические шины 37-1...37-М; местные входные шины блоков оптических фильтров 38-1. ..38-М; блоки оптических фильтров 39-1...39-М, имеющих местные выходные оптические шины 40-1...40-М; блоки оптических конверторов 41-1... 41-М, имеющих местные выходные оптические шины 42-1...42-М; блоки оптических демультиплексоров 43-1. . . 43-М, имеющих местные выходные оптические шины 44-1. ..44-М; блоки оптических приемников 45-1...45-М, имеющих местные выходные оптические шины 46-1...46-М.

Процессорные блоки 1-1...1-N могут состоять, например, из групп процессоров различного функционального назначения, например, центральных процессоров, скалярных процессоров, векторно-конвейерных процессоров и т.д., которые могут быть электронными, оптоэлектронными или оптическими.

Местные выходные шины 2-1...2-N служат для передачи электрических или оптических сигналов, могут содержать магистрали адресов, данных и магистрали управления, имеющие в зависимости от варианта передаваемых сигналов, в качестве проводящей среды, например, металлические проводники, один или несколько световодов (волоконных и/или интегральных) или свободное пространство.

Блоки оптических передатчиков 3-1. . . 3-N служат для преобразования входных электронных или оптических сигналов в оптические. В случае входных электронных сигналов эти блоки могут быть выполнены, например, в виде линеек или матриц лазерных диодов, каждый из которых излучает, например, на своей длине волны λ_i, где i = 1, 2, 3...p, при этом p - максимальное число сигналов, передаваемых параллельным кодом, а при передаче сигналов последовательно-параллельным кодом, последовательные оптические сигналы передаются, например, каждым лазерным диодом на различных длинах волн λ_j (где j = 1, 2, 3. . . s, s - максимальное число сигналов, передаваемых последовательным кодом), отличных от длин волн оптических сигналов, которые передаются параллельным кодом. Если на входы блоков поступают оптические сигналы, то на их входах дополнительно могут располагаться, например, линейки фотоприемников.

Местные выходные оптические шины 4-1...4-N служат для передачи оптических сигналов и могут содержать магистрали адресов, данных и магистрали управления, имеющие в качестве передающей среды, например, один или несколько световодов (волоконные и/или интегральные) или свободное пространство.

Блоки оптических мультиплексоров 5-1...5-N могут быть выполнены, например, на основе световодной (волоконной и/или интегральной) оптики с использованием дифракционных решеток или спектральных фильтров.

Местные выходные оптические шины 6-1...6-N служат для передачи оптических сигналов и могут содержать магистрали адресов, данных и магистрали управления, имеющие в качестве передающей среды, например, один или несколько световодов (волоконных и/или интегральных) или свободное пространство.

Местные входные шины 7-1...7-N служат для передачи электрических или оптических сигналов, могут содержать магистрали адресов, данных и магистрали управления, имеющие в зависимости от варианта передаваемых сигналов, в качестве проводящей среды, например, металлические проводники, один или несколько световодов (волоконных и/или интегральных) или свободное пространство.

Блоки оптических приемников 8-1...8-N предназначены для преобразования оптических сигналов в электронные или оптические и могут быть выполнены, например, в виде линеек фотоприемников при электрическом выходе, или на выходе блоков могут располагаться линейки лазерных диодов при оптическом выходе.

Местные выходные оптические шины 9-1...9-N служат для передачи оптических сигналов и могут содержать магистрали адресов, данных и магистрали управления, имеющие в качестве передающей среды, например, один или несколько световодов (волоконных и/или интегральных) или свободное пространство.

Блоки оптических демультиплексоров 10-1...10-N могут быть выполнены, например, на основе световодной (волоконной и/или интегральной) оптики с использованием дифракционных решеток или спектральных фильтров.

Местные входные оптические шины N-1...11-N служат для передачи оптических сигналов и могут содержать магистрали адресов, данных и магистрали управления, имеющие в качестве передающей среды, например, один или несколько световодов (волоконных и/или интегральных) или свободное пространство.

Блоки оптических конверторов 12-1. . .12...N служат для спектрального преобразования группы спектральных оптических сигналов, поступающих на его входы и могут быть выполнены, например, на основе интегральной оптики.

Местные входные оптические шины 13-1...13-N служат для передачи оптических сигналов и могут содержать магистрали адресов, данных и магистрали управления, имеющие в качестве передающей среды, например, один или несколько световодов (волоконных и/или интегральных) или свободное пространство.

Блоки оптических фильтров 14-1...14-N служат для выделения определенной группы спектральных оптических сигналов из множества групп спектральных оптических сигналов, распространяющихся по общей системной шине 31 и соответствующих различным блокам n_i, k_i и m_i.

Местные входные оптические шины 15-1...15-N служат для передачи оптических сигналов и могут содержать магистрали адресов, данных и магистрали управления, имеющие в качестве передающей среды, например, один или несколько световодов (волоконных и/или интегральных) или свободное пространство.

Блоки запоминающих устройств 16-1...16-К могут состоять из групп запоминающих устройств, имеющих различное функциональное назначение, например, оперативных запоминающих устройств, постоянных запоминающих устройств и т.д. , которые могут быть электронными, оптоэлектронными и/или оптическими.

Местные шины 17, 19, 21, 22, 24, 26, 28, 30 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные местные шины 2, 4, 6, 7, 9, 11, 13, 15.

Блоки 18, 20, 23, 25, 27, 29 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 3, 5, 8, 10, 12, 14.

Общая системная шина 31 служит для передачи оптических сигналов между различными блоками оптоэлектронной вычислительной системы и может содержать одну единственную оптическую магистраль в виде одного световода (волоконного и/или интегрального) или свободного пространства, или может содержать магистраль адресов, магистраль данных и магистраль управления, имеющие в качестве передающих оптические среды, построенные на основе, например, одного или нескольких световодов (волоконных и/или интегральных) или на основе свободного пространства.

Блоки периферийных устройств 32-1...32-М могут состоять из групп периферийных устройств, имеющих различное функциональное назначение, например, дисплеев, печатающих устройств, различных устройств отображения и т.д., которые могут быть электронными, оптоэлектронными и/или оптическими.

Местные шины 33, 35, 37, 38, 40, 42, 44, и 46 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные местные шины 2, 4, 6, 7, 9, 11, 13, 15.

Блоки 34, 36, 39, 41, 43 и 45 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 3, 5, 8, 10, 12 и 14.

Оптоэлектронная вычислительная система с общей системной шиной работает следующим образом.

Каждый из передающих информацию процессорных блоков 1-n (где n = 1, 2, 3. . .N), блоков запоминающих устройств 16-k (где k = 1, 2, 3,...К) и блоков периферийных устройств 32-m (где m = 1, 2, 3,...М) передает ее в виде электронных или оптических сигналов, которые через соответствующие передающие блоки 3-n, 18-k и 34-m, блоки мультиплексоров 5-n, 20-k, 36-m поступают в общую оптическую системную шину 31 в виде спектральных оптических сигналов со спектральным уплотнением.

Спектральные оптические сигналы от всех передающих блоков n, k, m одновременно со спектральным уплотнением распространяются по общей системной шине 31 и поступают во все входные местные оптические шины 15, 30 и 38.

В каждом из принимающих информацию процессорных блоков 1-n (где n = 1, 2, 3...N), блоков запоминающих устройств 16-k (где k = 1, 2, 3,...К) и блоков периферийных устройств 32-m (где m = 1, 2, 3,...М) блоки оптических фильтров 14, 29 и 39 настраиваются управляющими сигналами на пропускание групп спектральных оптических сигналов, передаваемых от соответствующих передающих информацию блоков, с которыми они производят сеанс связи. Затем выделенные блоками оптических фильтров 14, 29 и 39 спектры оптических сигналов преобразуются блоками оптических конверторов 12, 27 и 41 в оптические спектры, в которых работают остальные блоки 10, 8; 25, 23; и 43, 45 данного принимающего канала, преобразуются ими и поступают в соответствующие процессорные блоки n, в блоки запоминающих устройств k и в блоки периферийных устройств m для обработки информации.

Следует отметить что передача информации по всем шинам системы может производиться сигналами как только со спектральным уплотнением, так и одновременно со спектральным и временным уплотнением, а сеансы связи всех блоков системы могут осуществляться как одновременно, так и группами с разделением во времени.

Использование изобретения позволит реализовать оптическими методами связь между блоками оптоэлектронной вычислительной системы по общей шине, увеличив более чем в 1000 раз ее производительность, помехозащищенность и надежность. Такие вычислительные устройства могут широко применяться в разнообразных радиолокационных, радионавигационных системах как наземного, так и бортового базирования.

Формула изобретения

1. Оптоэлектронная вычислительная система с общей системной шиной, содержащая процессорный блок, блок запоминающего устройства, блок периферийного устройства и общую системную шину, отличающаяся тем, что общая системная шина имеет оптическое выполнение, а в устройство введены дополнительные процессорные блоки, блоки запоминающих устройств, блоки периферийных устройств, а также блоки оптических передатчиков, блоки оптических мультиплексоров, блоки оптических приемников, блоки оптических демультиплексоров, блоки оптических конверторов, блоки оптических фильтров, местные шины и местные оптические шины, причем выход каждого процессорного блока, каждого блока запоминающего устройства и каждого блока периферийного устройства через соответствующие последовательно расположенные и связанные местную шину, блок оптических передатчиков, местную оптическую шину, блок оптических мультиплексоров, местную оптическую шину оптически связан с соответствующим входом общей системной шины, соответствующий выход которой через соответствующие последовательно расположенные и связанные местную оптическую шину, блок оптических фильтров, местную оптическую шину, блок оптических конверторов, местную оптическую шину, блок оптических демультиплексоров, местную оптическую шину, блок оптических приемников и местную шину связан с входом этого же одноименного процессорного блока, этого же одноименного блока запоминающего устройства и этого же одноименного блока периферийного устройства соответственно.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что общая системная шина содержит один единственный оптический канал.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что общая системная шина содержит оптический канал адресов, оптический канал данных, оптический канал управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1