专利名称：低能耗的板上多处理器架构的系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及计算机架构领域的架构系统，更具体地说，涉及一种集成了分布式计 算技术、网络技术以及光通信技术的低能耗的板上多处理器架构的系统。
背景技术：
现在PC(Pers0nal Computer)市场上多流行的是多核处理器，单核处理器已是处 于淘汰阶段的产品。由于在单核上提高处理频率会导致集成困难，而且功耗变高，散热困 难，多核处理技术成了现在的主流。现在无论是超级计算机还是普通的PC机，都是属于多 核的处理器架构。普通的PC机多采用SMP (Symmetrical Multi-Processing)架构，即对称 的拥有共享内存子系统以及总线的多核架构。多核的出现也使得并行计算在一台计算机上 的实现成为了可能。在现有的计算机系统设计中，有两种体系结构冯诺依曼体系、哈佛体系。但是， 由于当时的技术发展水平所限，这两种体系结构都未能考虑到多核处理器、多处理器等的 应用，使得现有技术下的多核处理器和多处理器与这类体系结构的融合出现困难。而单核 处理器、多核处理器各自存在着以下的不足之处单核处理器遵循摩尔定律，随着时间的推 进，速度产生了瓶颈；多核处理器在制造工艺上比单核处理器精密，可是由于芯片的制造成 本随着制造工艺的提高而提高，使得多核处理器的发展遭遇瓶颈。当制造工艺精密到18纳 米时，就已经达到技术使用极限，制造成本也随之提高。以上所述现有技术下的计算机，很难同时实现高效与节能低耗的目的，而且工艺 复杂，容易受到工艺瓶颈的影响。
发明内容本发明的目的在于提供一种能够实现处理速度高且同时节能低耗的采用多处理 器架构的系统，本发明系统能够在一个主机上实现分布式计算，且耗能低、传输信号质量
闻、通信量大。为了解决上述问题，本发明一种低能耗板上多处理器架构的系统，所述系统包括 处理器部分、存储器部分。其中，处理器部分和存储器部分集成在一个板上；处理器与处理 器、处理器部分与存储器部分之间通过光纤总线进行通信。所述处理器部分包括一个主处理器和多个分处理器；所述各个处理器在板上按照 欧几里得空间原理的正多面体的拓扑结构进行分布；所述多面体中心有光路由器R ；所述 各个分处理器时钟同步；所述处理器通过光纤总线分别与存储器和外部设备进行双向通 信；所述各个分处理器相互独立执行互不相同的特定的单一操作；所述所有分处理器由主 处理器统一控制分配任务。本发明系统中的一个分处理器可同时管理一类的一个或多个外部设备，每个处理 器与一个或零个存储器相连，且一个处理器和与之相连的存储器组成一个结点，结点与外 部设备之间是一对多的连接关系。[0009]本发明的优点在于，采用多个处理器架构的系统，处理器采用正多面体布局，能够 实现各个处理器时钟同步。各个处理器明确分工，互不影响，各自独立完成特定单一的处理 操作，与外部设备进行一对多的连接，能够实现分布式计算，且最大程度上实现处理器的合 理调用和分配，降低能耗。本发明的系统中采用光纤总线来进行通信，使得整个系统通信质 量好，能耗低，重量小，抗干扰能力强。
图1是本发明的各部份架构框图示意图；图2是本发明系统中处理器与外部设备连接关系示意图；图3是本发明的处理器拓扑结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的低能耗板上多处理器架构的系统，包括处理器部分、存储器 部分。处理器部分用P表示，存储器部分用RAM表示，外部设备用D表示。其中，处理器部 分和存储器部分集成在一个板上；处理器与处理器、处理器部分与存储器部分之间通过光 纤总线进行通信。所述处理器部分包括一个主处理器和多个分处理器，如图1所示，各个处理器 P(i) U = 1、2、...N}处于本发明系统内部，各个处理器在板上按照欧几里得空间原理的正 多面体的拓扑结构进行分布；如图3所示，处理器分布的多面体中心安装有光路由器R，各 个分处理器时钟同步。所述处理器通过光纤总线分别与存储器和外部设备进行双向通信； 所述各个分处理器相互独立执行互不相同的特定的单一操作；所述所有分处理器由主处理 器统一控制分配任务。如图2所示，本发明系统中的一个分处理器可同时管理多个外部设备，每个处理 器与一个或零个存储器相连，且一个处理器和与之相连的存储器组成一个结点，结点与外 部设备之间是一对多的连接关系。本发明中的多处理器的分布与设置能够在一台计算机上实现分布式计算。一般情 况下，分布式计算是基于多台计算机实现的，通过将任务划分成多个模块，并且让多台计算 机实现相应的计算并汇总，这是一种基于现有的网络技术所构建的系统。然而对于本发明 的多处理器应用分类后，可在一个计算机上将任务根据处理特性分配到专用的处理器上进 行处理，然后再集中，使得专用的处理器在需要时才运行，而通过一个主处理器分配及汇总 任务并控制其余处理器，这样就在一个主机上实现分布式计算。本发明的多处理器特性能够为无线传感器网络提供有效的低能耗的传感器管理。 目前，传感器网络处于蓬勃发展的态势之中，尤其是以无线传感器网络为延伸的“物联网” 发展。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国 防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域，已经 引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术 之一。本发明的多处理器具有多核处理器的功能，且无多核处理器的发展瓶颈，更能满足需 求。本发明采用光纤布置总线结构，能够使本发明的系统比其他架构的系统速度更
4快、传输量更大。光纤通信自从问世以来，给整个通信领域带来了一场革命，它使高速率、大 容量的通信成为可能。光纤通信由于具有损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗 电磁干扰、不易串音等优点而备受业内人士的青睐，发展非常迅速。就目前而言，Intel、惠 普等企业已经在研发和制造低成本的光电互转的产品。此类产品所依赖的技术为本实用新 型的实现奠定了基础。本发明采用板上多处理器架构的系统，结合分布式计算技术、光通信技术和网络 技术功能于一体，基于欧几里得空间原理设计实现多处理器的时钟同步，通过处理器的功 能化划分及工作模式的设置来达到高效处理与节能低耗的目的。传统的多核处理器(CMP)均为片上多核处理器，即在一个单芯片上面集成两个甚 至更多个处理器内核，没有将它们具体分类应用，致使处理器的效能没有得到充分发挥，无 论在PC机或是嵌入式设备上应用这种处理器架构，能耗都是不容忽视的问题。若是将处理 器按应用分类，则没有任务的处理器将可以处于最低功耗或是零功耗的状态，那么就能在 根本上解决处理器的功耗过大问题。同时，传统的计算机系统其总线以铜作为材质，发热量高、传输错误率高都是不可 避免的问题；然而，采用光纤作为传输介质，由于光纤传输本身所具有的优良特性，使得发 热量和传输错误率高的问题迎刃而解。而且，本系统设置专门的CPU对网络接口进行管理，为“物联网”以及下一代计算 机多接口网络提供技术保障。以图1-3为实施例说明本发明的系统结构。一、体系结构本系统的架构包括多个处理器和多个存储器，并使用光纤作为总线材质。(1)多个处理器在板上按照正多面体的拓扑结构进行分布。(2) 一个主处理器负责对所有处理器的工作模式进行控制。(3)每个处理器有零个或一个存储器进行连接。(4)光纤作为传输介质，使得多个处理器之间能够进行控制信息和数据的通信。(5) 一个输入/输出设备与一个或者多个处理器进行连接，一个输入/输出设备由 一个或多个处理器进行控制。二、各结点的关系本发明架构用集合S来描述。S= {N，R，D}，其中N用来表示处理器，R用来表示 RAM(Radom Acce s s Memory)，D用来描述外界设备。外界设备不仅仅是指实际存在的物 理设备，其中也包括软件概念上的虚拟的设备。如图1所示，为了描述准确，我们将N个处理器编号为1，2，3. . . N，各处理器所连接 的RAM编号为R(i)，U = 1、2...11}，所负责的设备编号为0(」)，{」=1、2. . . }，将1个处理 器和与其连接的RAM —起称之为1个结点。为保证处理器时钟同步，所有处理器的分布采用基于欧几里得空间的同步设计方 式。在欧几里得空间下只存在5种正多面体，分别为正四面体、正六面体、正八面体、正十二 面体和正二十面体。为使得各个处理器的时钟能够同步，采用正多面体的拓扑结构。其中， 每个顶点都是一个结点。在该种设计中，其中正二十面体有20个顶点，优选方式下，选用正二十面体结构，该种结构足以满足所需外界设备的连接需求。三、各结点与外界设备的关系本发明架构中，各结点与外界设备的关系为1对n(n=l、2、3、...)的关系。使用 这样的方案的原因在于尽量让外界设备的管理独立化，使得1个处理器管理1个或有限个 设备，而非传统的1个处理器管理所有的设备。如图2所示，结点1将负责D(I)设备的开启、运行、关闭以及有关该设备的其他工 作，而结点2将负责设备D (2)、D (3)的开启、运行、关闭以及有关该设备的其他工作，其他结 点依此类推。例如，结点1对系统的所有网络接口进行管理及操作，而结点2对各种输入输 出设备进行管理及操作等等。其中，各个结点负责的设备应该在数量上应尽量少。四、光纤联接本发明使用光作为其信号传输的载体，有着许多优势。(1)光信号传输速度快。在光纤中的光传输速度基本接近于光在真空中的传播速 度，且光信号不会引起发热现象的产生。(2)传输能力强。使用光能够增加传输带宽，使得更多数据能同时并行传输。(3)信号衰减小。使用光纤传输数据比传统电线传输中信号衰减小很多。因此，使用光纤作为传输介质是一种比较理想的选择。光纤在板上的布局采用光底板技术。光底板技术，就是在传统的印刷电路板中加入一个光通讯层，用光波导取代传统 的 PCB(Printed circuit board)中的铜线。由于自由空间光互连不依靠传输介质，因此可直接利用自由空间和透镜/反射镜 将两个芯片用光束连接起来。其中，采用时延尽量低的带微环谐振器来实现数据的转向操 作。本发明低能耗的实现依赖于多处理器的休眠/唤醒控制。一个任务的执行中没有 使用的处理器将处于休眠状态。一旦需要使用某个处理器时，唤醒该处理器以执行某些特 定的操作。其中，需要一个主处理器来进行分配和管理，使得一系列的处理器能够合理调配 使用。本实用新型还依赖于光电互转技术与光互连技术的实现。对于板上多处理器间的 通信，若采用传统总线方式将在性能、功耗、延时和可靠性等方面面临巨大挑战通信带宽 受限，全局同步困难，可重用性差，结构扩展难。光纤作为总线意味着总线中的数据进入处 理机前必须经过光信号和电信号的转换，使得多处理器能够通过光纤进行通信。因此，光电 互转的技术在此处得以应用。本系统在采用光作为载体的基础上，借鉴计算机网络，提出新的核间通信架 构——板上光网络互连技术(Photonic Network-on-Board)。光网络互连技术区别于传统 方式的铜线连接，其提供了良好的并行通信能力，从而使得通信带宽增加几个数量级，其网 络拓扑结构使得扩展性更强。此外，光网络互连技术具有高吞吐、低能耗等优点。本发明由多个不同功能的处理器连接在同一板上，按照需要使用特定功能的处理 器处理数据。基于分布式计算技术，在单块板上实现多个处理器的分布式计算。这是有别 于传统分布式计算系统的特点。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其 发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求一种低能耗的板上多处理器架构的系统，其特征在于，所述系统包括处理器部分、存储器部分，所述处理器部分和存储器部分集成在一个板上；所述处理器部分与存储器部分之间通过光纤总线进行通信；所述处理器部分包括一个主处理器和多个分处理器；所述各个处理器在板上按照欧几里得空间原理的正多面体的拓扑结构进行分布；所述多面体中心有光路由器R；所述各个分处理器时钟同步；所述各个处理器通过光纤总线分别与存储器和外部设备进行双向通信；所述各个分处理器相互独立执行互不相同的特定的单一操作；所述所有分处理器由主处理器统一控制分配任务。
2.根据权利要求1所述的低能耗的板上多处理器架构的系统，其特征在于，所述一个 分处理器可同时管理一类的一个或多个外部设备；所述处理器与一个或零个存储器相连； 所述一个处理器和与之相连的存储器组成一个结点；所述结点与外部设备之间是一对多的 连接关系。
专利摘要一种低能耗的板上多处理器架构的系统，包括处理器部分、存储器部分。两部分集成在一个板上；处理器与处理器、处理器部分与存储器部分之间通过光纤总线进行通信。系统中的一个处理器可同时管理多个外部设备，每个处理器与一个或零个存储器相连，且一个处理器独立成为一个节点或和与之相连的存储器组成一个结点，结点与外部设备之间是一对多的连接关系。本实用新型中的处理器采用正多面体布局，能够实现各个处理器时钟同步。各个处理器明确分工，互不影响，各自独立完成特定单一的处理操作，与外部设备进行一对多的连接，能够实现分布式计算，且最大程度上实现处理器的合理调用和分配，降低能耗。系统通信质量好，能耗低，重量小，抗干扰能力强。
文档编号G06F1/32GK201725273SQ20102028279
公开日2011年1月26日 申请日期2010年8月5日 优先权日2010年8月5日
发明者戴月, 朱佳峰, 王健, 王智森, 邵新江, 陈礼彬 申请人:大连工业大学