FI84114C - Inkopplingssystem. - Google Patents

Description

χ 84114 KYTKENTÄJÄRJESTELMÄ

Keksinnön kohteena on itsenäisen patenttivaatimuksen johdanto-osassa määritelty kytkentäjärjestel-5 mä.

Elementeillä tarkoitetaan tässä yhteydessä samaa tyyppiä ja/tai useamman tyyppisiä prosessoreita, muisteja, liitäntäportteja, kanavia yms. osia tai laitteita, joita voidaan kytkeä ainakin pareittain yhteen. 10 Nämä mainitut elementit liittyvät esim. moniprosessori-järjestelmiin, joissa niitä voidaan kytkeä yhteen hyvinkin erilaisina yhdistelminä. Kytkettävät elementit voivat periaatteessa olla toiminnaltaan sähköisiä, optisia, akustisia tms..

15 Monipuoliselta moniprosessoritietokonejärjes telmältä vaaditaan periaatteessa sitä, että kaikkien käytettyjen elementtien välille tulisi voida muodostaa kaikki mahdolliset kytkentäkombinaatiot. Tätä vaatimusta voidaan jonkin verran lieventää siksi, että monet 20 elementeistä ovat toistensa kaltaisia. Kuitenkin moni-puoli- sen kytkentäjärjestelmän toteuttaminen yhdessä portaassa on suurilla kytkettävien elementtien lukumäärillä erittäin vaikeaa. Eräissä nykyisissä moni-prosessori järjestelmissä kytkentäjärjestelmä muodostaa 25 koko järjestelmän laajimman ja kalleimman osan. Kytkentä järjestelmä voidaankin toteuttaa myös hierarkisena järjestelmänä, jossa on useita kytkentävaiheita.

Keksinnön tarkoituksena on toteuttaa uusi kytkentäjärjestelmä, joka perustuu hierarkiseen järjes-30 telmään. Tämä saadaan aikaan niiden keksinnön tunnusomaisten piirteiden avulla, jotka on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnön mukaisesti kytkentäjärjestelmä on muodostettu kytkentäelimistä, moduuleista ja väylistä, 35 jotka kytkentäelimet ovat ohjattavia kytkimiä, jotka on järjestetty kytkinryhmiksi ja niitä ohjataan ainakin yhden ohjausyksikön avulla; jotka moduulit ovat yhden 2 84114 tai useamman elementin muodostamia fyysisiä kokonaisuuksia ja ne on väylien ja kytkentäelimien kautta liitetty toisiinsa ja jotka väylät koostuvat useasta kanavasta ja joita kanavia kytkentäelimien avulla sopi-5 vasti yhdistämällä muodostetaan signaaliteitä modulien elementtien välille. Keksinnölle on tunnusmerkillistä, että - kunkin moduulin yhteyteen on järjestetty ainakin kaksi kytkinryhmää, joista 10 - ensimmäinen kytkinryhmä on liitetty moduulin ja väy län väliin ja sen välityksellä moduulin halutut liitän-täkanavat yhdistetään väylän kanaviin, ja - toinen kytkinryhmä on liitetty väylään ja sen avulla yhdistetään väylän kanavia niin, että mainitut ensim- 15 mäiset kytkinryhmät ja moduulit saadaan kytketyksi väylän kanavien kautta toisiinsa.

Koska moduuli yleisesti sisältää useita erillisiä elementtejä, on edullista, että kunkin moduulin yhteyteen on järjestetty lisäksi kolmas kytkinryhmä, 20 joka on liitetty moduulin liitäntäkanaviin ja jonka avulla suoritetaan moduulin sisäisiä kytkentöjä yhdistämällä liitäntäkanavia toisiinsa ja suoritetaan haluttujen liitäntäkanavien yhdistäminen ensimmäiseen kyt-kinryhmään ja sen kautta toisiin moduuleihin.

25 Keksinnön mukaisen kytkentäjärjestelmän etuja ovat mm. järjestelmän helppo laajennettavuus. Kytkin-ryhmien määrä kasvaa prosessoreiden tai vastaavien moduulien määrään verrannollisena. Moduulien määrää voidaan kasvattaa liittämällä järjestelmään uusi moduu- 30 li ja siihen tarvittavat kytkinryhmät. Kytkinryhmien ohjaus voidaan suorittaa paikallisesti tai keskitetysti. Järjestelmä on lisäksi hyvin vikasietoinen; yhden kytkinelementin tai kytkinryhmän osan vioittuminen ei estä moduulin eikä koko järjestelmän toimintaa.

35 Keksinnön erään edullisen toteutusesimerkin mukaan kytkinryhmät on muodostettu kytkinmatriiseista. Kytkinmatriisin etuna on se, että sen tulo- ja lähtönä- 3 84114 pojen välille voidaan muodostaa mielivaltaisia kytkentöjä. Lisäksi yleisesti oletetaan, että kytkettävät kanavat ovat kaksisuuntaisia, joten tulo- ja lähtönavat ovat samanlaiset ja keskenään vaihdettavissa. Keksinnön 5 erilaisissa toteutusesimerkeissä voidaan käyttää kyt-kinmatriisien variaatioita, kuten esim. kytkinvektoria, kolmiokytkinmatriisia yms. Lisäksi kytkinryhmät tai ainakin osa niistä voidaan muodostaa siten, että niiden dimensio on pienempi kuin moduulin liitäntäkanavien 10 lukumäärä. Kytkentäryhmien tulo- ja lähtönapojen määrää voidaan tällä tavalla pienentää.

Keksinnön erään toisen edullisen toteutusesi-merkin mukaisesti ainakin kaksi mainituista kytkinryh-mistä voidaan yhdistää yhdeksi yhteiseksi kytkinryhmäk-15 si. Tällainen kytkinryhmä voidaan toteuttaa esim. kyt-kinmatriisina, jolloin tarvittavien ulkoisten tulo- ja lähtönapojen määrää voidaan merkittävästi pienentää. Yhteisen kytkinmatriisin alueita voidaan ryhmitellä halutulla tavalla. Ulkoisten liitäntänapojen tarve on 20 suhteellisen pieni, koska useimmat kytkennät tapahtuvat kytkinryhmän sisällä.

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti oheisten piirustusten avulla, joissa kuvio 1 esittää moduulia, jossa on 16 ulkoista 25 liitäritäkanavaa; kuvio 2A esittää kytkinmatriisia ja sen ohjainta ja kuvio 2B siitä käytettyä merkintää; kuvio 3 esittää kytkinvektoria; kuvio 4 esittää kytkentäjärjestelmää, jossa on 30 yksiulotteinen väylä; kuvio 5 esittää kytkinryhmien SI ja S3 yhdistämistä yhteiseksi kytkinryhmäksi; kuvio 6 esittää kytkinryhmien SI ja S2 yhdistämistä yhteiseksi kytkinryhmäksi; 35 kuvio 7 esittää kaikkien kytkinryhmien yhdis tämistä yhteiseksi kytkinmatriiseiksi; kuvio 8 esittää kaaviomaisesti yhdistettyä 4 84114 kytkinmatriisia; kuvio 9 esittää kytkintäjärjestelmää, jossa on kaksiulotteinen väylä ja kuvio 10 esittää toista kytkentäjärjestelmää, 5 jossa on myös kaksiulotteinen väylä.

Keksinnön mukainen kytkintäjärjestelmä perustuu hierarkiseen periaatteeseen. Kytkettävät elementit on ryhmitelty sopiviksi ryhmiksi eli fyysisiksi kokonaisuuksiksi, joita seuraavassa kutsutaan moduuleik-10 si. Kuvio 1 esittää kaaviomaisesti moduulia M, jossa on 16 ulkoista liitäntäkanavaa. Moduulit oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi keskenään samanlaisiksi ja yhtä monta elementtiä käsittäviksi. On kuitenkin huomattava, että moduulit voivat olla keskenään erilaisia ja/tai 15 ne voivat sisältää erilaisia määriä elementtejä. Edelleen oletetaan, että kussakin moduulissa on yksi tai useampia liitäntäkanavia. Kanavat voivat olla kaksisuuntaisia, yksisuuntaisia tai kumpaakin tyyppiä; se huomioidaan ainoastaan kytkinten ohjaussäännöis-20 sä. Kanavalla tarkoitetaan käytännössä esim. galvaanista, optista tai muuta vastaavaa informaationsiirto-väylää. Edelleen liitäntäkanaviin voi kuulua yksi tai useampia sarja- tai rinnakkaissiirrolla toimivia fyysisiä väyliä. Joko kaikki tai osa moduulin signaaleista 25 tuodaan moduulin ulkopuolelle. Jälkimmäisessä tapauksessa moduulin sisällä on tehty ennalta joukko kiinteitä kytkentöjä.

Varsinaisten kytkentöjen muodostamiseen käytetään kytkinryhmiä. Kytkennät muodostetaan ainakin eri 30 moduuleissa sijaitsevien elementtien välillä, mutta myös usein moduulin sisäisten elementtien välillä. Kyt-kentäryhmien avulla muodostetaan halutut kytkennät moduulin tulo- ja lähtökanavien välillä. Kytkinryhmät on muodostettu ohjattavien kytkentäelimien joukosta, 35 joiden kautta voidaan siirtää signaaleja silloin, kun kytkin on kiinni, ja estää signaalien kulku silloin, kun kytkin on auki. Ohjausyksikön avulla kytkentäelimi- 5 84114 en tilat (auki/kiinni) asetetaan ja tiloja valvotaan.

Kytkinryhmän eräs edullinen toteutustapa on ristikytkentämatriisi eli kytkinmatriisi. Kuviossa 2A on esitetty kaaviomaisesti dimensioltaan 4x4 kytkin-5 matriisi ja kuviossa 2B siitä käytetty piirrosmerkki. Neljä tulonapaa t on yhdistetty kytkentäelimien k välityksellä lähtönapoihin 1. Matriisin riestyskohtiin sijoitettuja kytkentäelimiä k, joita on t x 1 kpl, ohjataan ohjaimen 0 avulla. Kuvion merkinnässä mustattu 10 kolmio merkitsee kiinniohjauttua kytkintä. Kytkinmat-riisin avulla kytkennät voidaan muodostaa vapaasti matriisin tulo- ja lähtönapojen välillä. Lisäksi yleisesti oletetaan, että kytkettävät kanavat ovat kaksisuuntaisia, joten tulo- ja lähtönavat ovat samanlai-15 set ja keskenään vaihdettavissa. Muillakin tavoilla toteutetut kytkinryhmät voivat luonnollisesti tulla kysymykseen mm. moniastekytkimet eri toteutusmuodoissaan. Paikalliset kytkinryhmien ohjausyksiköt O voidaan lisäksi kytkeä yhteen globaalin ohjauksen mahdollista-20 miseksi.

Kytkettävät moduulit yhdistetään väylän avulla. On tärkeää, että väylän käyttöä optimoidaan paikallisten ja pidemmälle ulottuvien kytkentöjen kesken. Tämä saavutetaan kontrolloimalla väylän käyttöä sopivan 25 kytkinryhmän avulla, kuten seuraavasta käy ilmi.

Kuviossa 4 on esitetty eräs keksinnön mukainen kytkentäjärjestelmä, jossa moduulit M on kytketty toisiinsa yksiulotteisella väylällä V. Kutakin moduulia M kohden on kolme kytkinryhmää SI, S2 ja S3. Kytkinryhmän 30 SI avulla valitaan ne moduulin M kanavat, joiden kautta ollaan yhteydessä väylään V. Kytkinryhmän S2 avulla hallitaan väylää ja sen avulla jaetaan väylän kanavia eripituisiin jaksoihin sen mukaan, kuinka kaukana ko. kanavaan kytkettävä yksi tai useampi moduuli on.

35 Toinen kytkinryhmä S2 on edullista muodostaa kytkinvektoreista, joka on esitetty kaaviomaisesti kuviossa 3. Tulonavat tl, t2 , ..., tn on yhdistetty 6 84114 lähtönapoihin 11, 12, ..., In kytkimien kl, k2, ..., kn avulla. Kytkimiä ohjataan ohjausyksiköstä 02. Kunkin kytkentäelementin kl, k2, ..., kn avulla kukin väylän V kanava 1, 2, ..., n voidaan haluttaessa katkaista kyt-5 kimen kohdalta.

Kytkinryhmän S3 avulla suoritetaan moduulin sisäiset kytkennät. Kolmas kytkinryhmä S3 ei ole välttämätön kaikissa tapauksissa, mikäli moduuli M on niin yksinkertainen rakenteeltaan, ettei sisäisiä kytkentöjä 10 sen kohdalla tarvitse suorittaa tai että sisäiset kytkennät on toteutettu kiinteästi.

Kuhunkin kytkinryhään SI, S2 ka S3 liittyy joko oman ohjausyksikkönsä 01, 02 ja 03 (ei esitetty kuviossa 4) vastaavasti tai yhteinen paikallinen oh-15 jaus- yksikkö.

Kytkinryhmä S3 voidaan toteuttaa kolmiokytkin-matriisina, josta siis puuttuu puolet matriisin kytkimistä k sekä diagonaalielementit. Tämä on mahdollista, koska kytkennät ovat järjestämättömiä pareja.

20 Kytkinryhmän S3 dimensio voidaan toteuttaa pienempänä kuin moduulin tulo- ja lähtökanavien lukumäärä. Kytkinryhmän dimensio voi olla esim. puolet siitä. Tällainen dimensiojärjestely on mahdollinen, jos toimintoja moduuleille allokoitaessa pidetään huoli 25 siitä, että paikallisesti kytkettävien moduulien lii-täntäkanavat tulevat kytkinryhmän eri puolille.

Kytkinryhmien SI ja S3 toiminnat voidaan yhdistää. Tämä tapahtuu siten, että molemmat kytkinryhmät yhdistetään yhdeksi yhteiseksi kytkinryhmäksi. Kuviossa 30 5 on esitetty, miten nämä kytkinryhmät on yhdistetty samaan kytkinmatriisiin. Kytkinmatriisin dimensio voi olla sama kuin moduulin M liitäntäkanavien n lukumäärä. Sovellutuksesta riippuen voidaan käyttää myös muun kokoisia kytkinryhmiä. Samoin paikallisten ja globaali-35 en kytkinryhmien suhde voi olla muu kuin esitetty n/2.

Kytkinryhmä S2 voidaan kytkinvektorin asemasta toteuttaa kytkinmatriisilla kuten on esitetty kuviossa

II

7 84114 5. Tällöin tosin tarvitaan huomattavasti enemmän kytkimiä, mutta menettely voi olla edullinen kytkinryhmien toimintoja yhdisteltäessä.

Kytkinryhmien SI ja S2 toiminnat voidaan yh-5 distää. Tällöin mainitut kytkinryhmät voidaan yhdistää yhdeksi yhteiseksi kytkinryhmäksi. Kuviossa 6 on esitetty kaaviomaisesti miten nämä kytkinryhmät on yhdistetty samaan kytkinmatriisiin.

Kaikkien kytkinryhmien SI, S2 ja S3 toiminnot 10 voidaan yhdistää samaan kytkinryhmään. Kuviossa 7 on esitetty kaaviomaisesti, miten kaikki nämä kytkiryhmät on yhdistetty samaan kytkinmatriisiin. Tällöin kytkin-matriisin dimension tulee olla riittävän laaja.

Kaikkien kytkentäryhmien toteuttaminen yhdellä 15 kytkinmatriisilla on erityisen edullista, jos valmistetaan tähän tarkoitukseen sovellettu kytkinryhmä. Tällöin tarvittavien komponenttien ulkoisten kytkinnapo-jen määrää voidaan merkittävästi pienentää. Eräs tällainen kytkinmatriisi on esitetty kuviossa 8. Moduulin 20 liitäntänavat yhdistetään kytkinmatriisin napoihin ml, väylä V yhdistetään väylän tulonapoihin vs ja väylän lähtönapoihin vu. Kytkinmatriisi jakautuu osiin, joissa paikalliset kytkennät suoritetaan alueella 1, globaalien kanavien valinta alueella 2 ja väyläkanavien jatka-25 minen tai erottaminen alueella 3.

Mainittu kytkinmatriisi tulee toteuttaa ns. yleistetynä rakenteena: samalla rivillä tai sarakkeella on luvallista aktivoida useita kytkentäelimiä. Kuviossa 8 kytkinmatriisin osat 1, 2 ja 3 voidaan valita kool-30 taan sovellutusta vastaavaksi. Matriisin osat voidaan ryhmitellä usealla tavalla, joista vain eräs mahdollisuus on esitetty em. kuviossa. Tätä täydellisempi yhdistetty matriisi on kuviossa 7, jossa globaali signaali voidaan valita kummastakin väyläliitimestä. Huo-35 mattakoon erityisesti, että yhdistettyjen matriisikyt-kinten ei tarvitse olla täysiä, ts. ei tarvita välttämättä kytkintä jokaiseen risteykseen, vaan sovellutuk- 3 84114 sesta riippuen kytkimet voidaan sijoittaa kolmiomatrii-siin tai jopa vain diagonaaliin. Yhdistetyn kytkentä-ryhmän huomattava etu on se, että ulkoisia kanavaliit-timiä tarvitaan suhteellisen vähän, koska useimmat 5 kytkennät voidaan suorittaa kytkinmatriisin sisällä.

Edellä keksinnön mukaista kytkentä järjestelmää on havainnollistettu yksiulotteisen väylän yhteydessä. Eräs esimerkki kytkentäjärjestelmän toteutuksesta kaksiulotteisen väylän yhteydessä on esitetty kuviossa 10 9. Moduuleihin M liitetyt kytkinryhmät S, jotka yksin kertaisuuden vuoksi on esitetty yhtenä lohkona, suorittavat moduulien välisten kanavien kytkennän ja eristämisen sekä X- että Y-suuntaisten väylien Via, V16 ja V2a, V2b, V2c suhteen.

15 Kuviossa 10 on esitetty keksinnön mukaisen kytkentäjärjestelmän sovittaminen toiseen kaksiulotteiseen väylään. Väylien Via, Vlb ja V2a, V2b risteyskohtiin on sijoitettu erilliset kytkinryhmät S2. Kytkin-ryhmän S2 avulla voidaan suorittaa kunkin kanavan koh-20 dalla joko kanavan yhdistäminen suoraan X- tai Y-koor-dinaatin suunnassa, kanavan kääntäminen X-suunnasta Y-suuntaan ja päinvastoin, tai kanavan katkaisu. Tämän lisäksi kytkinryhmän SI avulla valitut moduulit M voidaan yhdistää halutuista liitäntäkanavista väylään 25 VI. Kytkinryhmät SI, S2 voidaan toteuttaa samankaltai-sesti kuin yksiulotteisen väylän tapauksessa: matriisi-, vektori- tai moniastekytkimillä ja/tai niiden yhdistelmillä. Myös erilaiset epäsäännölliset kytkin-tyypit saattavat tulla kyseeseen. Erityisen käytännöl-30 linen ratkaisu on soveltaa tässäkin tapauksessa esim. kuvion 7 tai 8 mukaista yhdistettyä kytkinmatriisia.

Keksinnön mukaista kytkentäjärjestelmää voidaan soveltaa analogisesti kolmiulotteisten moduulien kytkemiseen ja/tai kolmiulotteisten väylärakenteiden 35 yhteyteen. Myöskin useampiulotteiset kytkennät ovat mahdollisia, mutta esim. moniprosessorien fyysiselle toteutukselle ei tästä enää koidu mitään erityisetua.

9 84114

On huomattava, että vaikka keksintöä on edellä selitetty muutamaan toteutusesimerkkiin viittaamalla, on selvää, että keksintöä ei pidä rajoittaa vain niitä koskevaksi. Keksintöä voidaan soveltaa monenlaisiin 5 kytkentäjärjestelmiin oheisten patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (7)

1. Kytkentäjärjestelmä, joka on muodostettu kytkentäelimistä, moduuleista ja väylistä, jotka kyt- 5 kentäelimet ovat ohjattavia kytkimiä, jotka on järjestetty kytkinryhmiksi ja niitä ohjataan ainakin yhden ohjausyksikön avulla; jotka moduulit ovat yhden tai useamman elementin muodostamia fyysisiä kokonaisuuksia ja ne on väylien ja kytkentäelimien kautta liitetty 10 toisiinsa ja jotka väylät koostuvat useasta kanavasta ja joita kanavia kytkentäelimien avulla sopivasti yhdistämällä muodostetaan signaaliteitä modulien elementtien välille, tunnettu siitä, että - kunkin moduulin (M) yhteyteen on järjestetty ainakin 15 kaksi kytkinryhmää (SI, S2), joista - ensimmäinen (SI) kytkinryhmä on liitetty moduulin (M) ja väylän (V) väliin ja sen välityksellä moduulin halutut liitäntäkanavat yhdistetään väylän kanaviin, ja - toinen kytkinryhmä (S2) on liitetty väylään (V) ja 20 sen avulla yhdistetään väylän kanavia niin, että mainitut ensimmäiset kytkinryhmät (SI) ja moduulit (M) saadaan kytketyksi väylän kanavien kautta toisiinsa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että kunkin moduulin (M) yhtey- 25 teen on järjestetty lisäksi kolmas kytkinryhmä (S3), joka on liitetty moduulin liitäntäkanaviin ja jonka avulla suoritetaan moduulin sisäisiä kytkentöjä sen eri elementtien välille yhdistämällä liitäntäkanavia toisiinsa ja suoritetaan haluttujen liitäntäkanavien yh-30 distäminen ensimmäiseen kytkiryhmään (SI) ja sen kautta toisien moduulien elementteihin.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen jär-jes- telmä, tunnettu siitä, että kytkinryhmät (SI, S2, S3) on muodostettu kytkinmatriiseista.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että toinen kytkinryhmä (S2) on muodostettu kytkinvektoreista. u 84114

5. Patenttivaatimuksen 1, 2, 3 tai 4 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että kolmas kyt-kinryhmä (S3) on muodostettu niin, että sen dimensio on pienempi kuin moduulin (M) liitäntäkanavien luku 5 määrä.

6. Patenttivaatimuksen 1, 2, 3 tai 4 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että kolmas kyt-kinryhmä (S3) on muodostettu kolmiokytkinmatriisista.

7. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukaili) nen järjestelmä, tunnettu siitä, että ainakin kaksi mainituista kytkinryhmistä (SI, S2; SI, S3; SI, S2, S3) on yhdistetty yhdeksi yhteiseksi kytkinryhmäk-si. 12 84114