专利名称：下一代交换式计算机的制作方法
一、所属领域本发明涉及一种以交换式结构为核心的“下一代交换式计算机”。
“日前，两家全球高性能计算与电信领域的领导厂商，康柏电脑公司与爱立信正式缔结为战略合作伙伴，由此将两家公司之间业已形成的密切关系又向前推进了一步。双方将联合为爱立信公司基于AXE的新一代无线与有线网络，开发与建造高级交换式计算机。作为电话网络的核心设备，这些交换机将与康柏公司高性能的AlphaServer服务器和64位UMIX(UNIX操作系统一种多用户的计算机操作系统)技术完美地融为一体。随着强大与可扩展的Alpha技术全面融入新一代网络交换基础设施中，爱立信将有能力以全新的解决方案迅速抢占市场，并使网络设备的整体性能随着客户数量的增长而提高。目前，康柏正在发送样机系统，它将于2001年投入大批量生产。同时，康柏将为爱立信提供一系列包括桌上电脑、高档网络系统和专业服务在内的产品与服务。根据这一具有里程碑意义的协议，双方将展开为期四年的第一阶段合作。爱立信新一代的交换机将会严格遵循CompactPCI(即cPCI)标准。CompactPCI是一个目前正在迅速发展的平台体系结构，它具备了标准服务器的所有优点，如高性能、高性价比、可升级性和可配置性等等。康柏的各类cPCI平台都建立在Alpha技术之上，它们可以作为全面集成系统来使用，对包括存储器和专用通信组件在内的各种组件加以集成。康柏公司的集成辅助部门和专业服务与支持将在全球范围内为这些cPCI产品提供全面支持。另外，康柏公司为爱立信生产的Alpha平台将遵循专为在中央办公场所安装交换设备而制定的NEBS 3级规范。”以上引用http//news.enet.com.cn硅谷动力网站上的文章，本交换式计算机是指交换式计算机网络，而非利用交换式部件将各计算机部件连接起来，组成一个计算机，提高计算机的吞吐量，完全实现并行处理，来提高计算机的处理和传输能力。
用关键词computer with switch(交换式计算机)，对美国专利局数据库http//www.uspto.gov/patft进行检索，未检索到类似的专利。
用关键词“交换式计算机”，对我国专利局数据库的检索http//www.sipo.gov.cn/sipo/zljs/default.htm也未检索到任何专利。
利用IBM的专利网站用Computer with switch(交换式计算机)进行了检索。http//www.delphion.com/fcgi-bin/patsearch进行检索，检索到三个专利(1)US6535597Private circuit provision ina telecommunications network(美国专利号US6535597通信专用电路)；(2)US6160879Private circuit provision in atelecommunications network(美国专利号US6160879通信专用电路)；(3)US6026308Combination cordless phone-faxmodem-computer(美国专利号US6026308无源一体化电话、传真机、调制解调器、计算机)。均与本发明无关。
但此带宽仍然是共享的，采用同样规模的交换方式来传输数据，数据的交换速率要高出10倍以上。
采用交换式数据传输方式的另外一个优点是，由于数据能及时传输，无需很大的缓存，带来的好处是，数据能及时处理，处理器执行速度更快，系统的可靠性更高。
1.针对现在计算机主板上共享总线的不足，采用交换式结构。
1)采用的技术方案针对现在计算机主板总线的不足，在计算机各部件之间利用交换芯片、交换模块或可编程交换模块来进行通信处理器与处理器之间、外部接口与外部接口之间、处理器与外部接口之间数据交换均采用交换方式实现。交换方式采数据报交换方式、分组交换方式、链路交换方式均可。交换数据既可为串行交换也可为并行多位同时交换。交换方式的采用大大提高了各部件之间的数据传输速度，本方案特别适用于多处理器，多接口之间的数据交换。主板上各芯片之间交换通常采用串行方式也可采用并行方式。采用串行方式优点可减少引脚；缺点传输数据的带宽小。也可采用并行交换方式，并行交换方式的优点是采用多位并行处理，速度块；缺点引脚多，不便于处理。
2)有益的效果是普通计算机上利用交换芯片或交换模块取代现在计算机的总线，使计算机的吞吐量大大提高，交换处理利用地址自动交换无需处理器干预，减轻了计算机处理器的负担，同时无需等待输入、输出数据，交换数据与计算机处理同时进行，从而大大提高了计算机的处理能力。
2.针对在芯片内定制交换式模块灵活性的不足，由可编程交换、可编程计算、可编程接口组成可编程计算机处理器。
1)采取的技术方案针对定制交换模块灵活性的不足，在芯片内采用可编程交换电路构成交换式处理器，交换式处理器由处理器、可编程接口、可编程交换电路三部分构成。在处理器芯片内实现处理各部件之间交换数据更容易(1)在芯片内部实现并行交换实现非常容易。因为，集成电路内的导线不必引出，容易实现。(2)在芯片内采用与可编程指令及可编程接口模块同样宽的数据宽度，从而形成流水线处理，无需相互等待，系统的效率最高。优点内置交换模块的采用，使用更多的处理器和使用更多的接口电路成为可能。使计算机的规模和性能很容易做得更好，而无需增加很多的成本。采用交换方式，彻底解决了处理器与接口电路之间数据通信的瓶颈，使多处理器或多流水处理器速度提高一个数量级以上。多处理器和多外部接口利用可编程交换模块构成高性能计算机处理器。
2)有益的效果是采用可编程交换方式，通过可编程电路实现，灵活性强。可根据需求弹性实现交换，使芯片的利用率得到最大化、最优化。
3.串行交换缺点是交换速度慢；串行交换的优点是交换的导线要求少，对于相对较远的两个设备或器件之间易采用串行交换。
1)采取的技术方案采用串行交换式芯片将多个处理器，多个接口芯片连接起来，数据互相交换，协作完成，见案例5。
2)有益的效果是用串行交换可以减少芯片的引脚和连线的数量，可靠性高；芯片之间、设备等距离较远的场所宜采用串行交换。
4.针对现在串行交换速度慢的缺陷，本发明另一种并行交换模式。
1)采用的技术方案针对串行交换数据交换率低的缺陷采用并行交换方法。并行交换的优点是①多位并行处理，传输的速度快；②并行位数与处理器的位数相同，并于跟宿主器件或模块接口一致；③与宿主模块或芯片采用相同的频率，传递的速率最高，且无需大容量的暂存器。具体实现方法见案例4。
2)有益的效果是并行交换速度快；容易于其它部分接口，有利于系统整体性能的提高，数据即时传输，系统无需大的缓存，处理速度快。适用于芯片内各部分之间的数据交换。
主板上由输入设备、输出设备、可编程交换式处理器、输入/输出设备组成。可编程指令处理器(内含多个可编程指令处理器、多个可编程交换模块、多个可编程接口组成。见案例2)。
工作原理可编程指令处理器、可编程交换模块、可编程接口均通过程序盘进行配置，并可根据要求不断实时下载新配置，使可编程处理器完成相应的功能。可编程处理器部分采用可编程指令完成功能，可编程交换部分实现可编程计算与外部接口的快速交换，从而实现了数据的高速输入、输出。
下面针对图6作进一步的说明图6可编程交换式计算机主板示意图，为一个实用的计算机主板。
601为显示器输出物理接口，接收可编程接口显示口的信号进行显示；602为IDE接口，可接入IDE硬盘或IDE光盘驱动器；603为可编程接口层，能编程为多种接口电路，如，可编程为IDE接口，SCSI(Small computer System Interface小型计算机系统接口)接口，其协议层已在本层实现，外围仅为物理插座，这样将大大减少引脚的数量，从而大大缩短了导线的长度，大大减少电磁干扰，使系统的可靠性大大提高，经过本层的处理，将串行数据或窄宽度的并行数据转换为宽度宽的并行数据，如将IDE的16位数据转换为128位数据送至可编程交换层，可编程交换层再将数据交换给对应的可编程功能指令处理器进行处理。
图6中603为可编程接口层、604可编程交换层、610可编程计算层均可配置为多个接口电路、多个交换电路、多个可编程功能指令处理器。具体多少个电路视可编程电路的规模和计算机处理需求而定。
605为PCI插槽，与现在的计算机PCI产品相兼容，可插入现在的PCI产品，如，PCI声卡、PCI网卡等，此PCI插卡口仅与一个交换口相连，其接口与现在的计算机不同；606为SCSI接口，可接入SCSI磁盘机，SCSI扫描仪等；607为100/1000/10000Mbps自适应网络接口，可接入双绞线以太网或光纤以太网；608为冗余产品阵列(RAID)接口，可接入磁盘阵列；609为1Tbps＝109bsp级的光纤密集波分复用接口，可利用光纤将处理器数据输入输出到远端的计算机；611为USB(Universal Serial Bus，Intel公司开发的通用串行总线架构)接口，与现在的USB产品兼容；612为异步串行接口(UART通用异步收发接口)；613为电源输出，614电源控制，控制电源的稳定性，615为电源。
603为可编程功能指令处理、604可编程交换层、610为可编程指令计算，组成可编程计算机处理器。603为可编程功能指令处理层，将604可编程交换层送来的数据，数据采用多位并行输入、输出，由于在芯片内部，并行数据很容易实现，实现128位并行处理或更多的位数处理，可编程功能指令处理也采用128位以上的并行处理，从而使系统有更高的性能。可编程接口将接口模块的协议层已做在中间，使外部接口的引脚尽量减少。如，607以太网PHY(物理层)，其对应的可编程接口已将100M/1000M/10000M的MAC(MediumAccess Control媒体访问控制)层，外部输出仅为4个脚TX+(输出正电平引脚)、TX-(输出负电平引脚)、RX+(输入正电平引脚)、RX-(输入负电平引脚)，四个引脚可直接接入双绞线RJ45(8芯标准以太网)口，也可直接接入激光管将以太网的信号提供给光纤输出，或通过光敏光将光纤数据输入。案例2 交换式数据交换处理器图2可编程交换式处理器，外层为可编程接口层，中间层为可编程交换通道层，内层为可编程计算层。
如图2所示可编程接口层可编制多个接口，完成多个不同或相同的功能。201为可编程接口层的一个模块，10Gbps以太网光纤模块，将外部万兆以太网光纤交换机送入的数据进行并串转换，并按IEEE802.3AE(10Gbps以太网国际标准)协议进行转换，将是本站点的数据送给上一次层，可编程交换模块将数据交换传送到内部对应的可编程功能指令进行处理，处理后的结果与其它处理指令模块进行交互，或交换到万兆以太网光纤口输出至以太网交换机。
图3为可编程交换式处理器另一种排布形式，301为可编程接口，中间层302为可编程交换层，右侧303为可编程计算层，每一层均可下载为多个模块。
图4为利用可编程交换式处理器构成的网络存储器工作案例。图中401为1Gbps可编程以太网接口，405冗余磁盘阵列(RAID)可编程接口，402位可编程交换电路，403为可编程计算部分，404为可编程计算部分的交换接口1，406为可编程计算部分的交换接口2，403为可编程计算部分。
工作原理(1)网络数据存储至RAID存储器401将网络数据，按以太网协议转换为MAC数据包经402可编程硬件交换电路，交换至403可编程计算部分进行网络协议栈转换为需要存储的数据，经可编程计算部分的文件系统处理后再经过交换电路存储至RAID磁盘阵列中。
(2)RAID存储器中的数据读出当网络处有读数据请求时，可编程文件管理指令，从405磁盘阵列中取出数据，经交换电路交换至可编程计算模块中，按网络协议栈处理网络数据包，再交换送至401中，按以太网协议转换为以太网数据输出。案例3 多处理器和多外部接口利用交换芯片构成的高性能计算机系统。(不采用总线)如图5所示，利用可编程器件编程为串行交换计算机。
510为处理器1、511为处理器2、512为处理器3为计算机处理中心；505为以太网PHY，将数据通过以太网输入、输出；506为显示芯片，将显示信息输出给显示器进行显示、507为IDE硬盘接口、508为USB接口。以上各模块均与509交换芯片相连，各模块之间交换数据均通过交换芯片进行。因此交换速度块，不会再产生总线的数据交换瓶颈。只要调度合理各处理器和接口可发挥最高的性能。案例4 并行交换现在的以太网交换芯片均采用串行交换结构，是适应长距离传输。但对于，芯片内的交换，由于距离短，完全可利用并行交换的方法实现。这样将通信的带宽大大增加。
如图7所示为3个端口并行交换的原理图，多端口与此类似。702为接口单元1的输出缓存，708为输出仲裁电路，717为输出给处理单元3的并行输出口，701为输出给处理单元1的并行输出接口，从哪一个接口输出由仲裁电路根据输出数据的地址由仲裁电路控制。709为输入仲裁电路，当有两个数据同时输入时，由输入仲裁电路控制，未输入的数据暂存，有时间空隙输入到输入队列。718为输入仲裁电路的反馈给接口单元2的输出仲裁电路(注因图太满，其它反馈信号未画，应该每个输入均有一个反馈信号给对应的输出端。)，用于仲裁两个输入同时发生时，产生反馈信号，使其中一个输出暂缓进行，其反馈信号的产生可按优先级进行。(注所有的交换数据通信口均为并行口，图中用短斜线表示。)案例5 串行交换组成的计算机主板以太网交换芯片(即串行交换芯片)，如台湾Realtek(公司名，无中文翻译)公司的RTL8309SB(器件信号)为9路以太网交换芯片。
工作原理将输入的以太网数据链路层串行数据包，经串并转换为并行数据，按以太网的物理地址进行交换，数据交换到对应的端口进行并串转换为串行数据输出。
也可以用可编程器件编制串行交换芯片。
由于RTL8309SB的交换口媒体访问控制协议(MAC协议)，所以可编程处理器与可编程外部接口必须编制MAC接口才能交换。
如图8所示，为利用RTL8309SB或其它交换芯片为中心，多个处理器，多个接口组成的交换式计算机主板。801为带MAC接口的可编程接口1；802带MAC接口的处理器1；803为带MAC接口的可编程接口2；804为交换芯片，如RTL8309SB、RTL8316等；805为带MAC接口的处理器2；806为可编程接口3；807为可编程处理器3。可编程处理器和可编程接口均通过交换口与交换芯片相连。可编程接口和可编程处理器都必须编制MAC交换口，通过MAC交换使可编程接口之间，可编程接口与可编程处理器之间，可编程处理器与可编程处理器之间交换数据，因此无通信瓶颈。
权利要求
1.下一代交换式计算机，包括编程计算部分；交换部分；外部可编程接口部分。
2.根据权利要求1所述的下一代交换式计算机，其特征是可编程计算部分和外部接口之间采用交换方式。
3.根据权利要求1、权利要求2所述的下一代交换式计算机，其特征是交换方式电路为定制交换电路。
4.根据权利要求1、权利要求2所述的下一代交换式计算机，其特征是交换方式的电路为可编程交换电路。
5.根据权利要求1、权利要求2所述的下一代交换式计算机，其特征是交换方式采用串行交换。
6.根据权利要求1、权利要求2所述的下一代交换式计算机，其特征是交换方式采用并行交换。
7.根据权利要求1下一代交换式计算机，其特征是电路板上，各芯片之间利用交换式芯片进行交换数据。
8.根据权利要求1、权利要求2、权利要求7所述的下一代交换式计算机，其特征是多个处理器芯片和多个其它芯片之间接口采用交换方式进行数据通信。
9.根据权利要求1所述的下一代交换式计算机，其特征是芯片内各功能指令之间交换数据采用交换方式。
10.根据权利要求1、权利要求4、权利要求9所述的下一代交换式计算机，其特征是可编程功能指令模块与外部可编程接口之间采用并行交换方式。
全文摘要
本发明下一代交换式计算机，采用串行或并行交换模块取代现在计算机中的总线，使计算机的各模块之间的数据传输大大加快，从而彻底解决了计算机总线的通信瓶颈。特别适用于多处理计算机，可编程指令计算机等下一代高性能计算机。也适用于未来的量子计算机，DNA生物计算机等。交换模块的采用使计算机的数据吞吐量提高了10倍以上。
文档编号G06F15/76GK1477543SQ03149368
公开日2004年2月25日 申请日期2003年6月21日 优先权日2003年6月21日
发明者顾士平 申请人:顾士平