四川大學系統(tǒng)結構第六章

第六章互連網(wǎng)絡6.1互連網(wǎng)絡的基本概念6.2靜態(tài)互連網(wǎng)絡6.3動態(tài)互連網(wǎng)絡6.1互連網(wǎng)絡的基本概念一.互連網(wǎng)絡的功能1．什么是互連網(wǎng)絡?從廣義上講，凡是用以實現(xiàn)部件、設備或系統(tǒng)之間連接用的部件都可以稱為互連網(wǎng)絡。狹義上講，互連網(wǎng)絡是一種由開關元件按一定的拓撲結構和控制方式構成的網(wǎng)絡，用來實現(xiàn)計算機系統(tǒng)內部多處理機或多功能部件之間的相互連接。

它通過硬件線路，實現(xiàn)設備之間的連接；通過開關選擇，構成一對一或一對多的信息通路。6.1互連網(wǎng)絡的基本概念系統(tǒng)存儲器部件

控制

處理機

數(shù)據(jù)傳送部件

主存儲器標量部件數(shù)據(jù)傳送部件主存儲器部件量部件向量標

處理部件122221

224×224交叉開關

處理部件VP2000

二級

存儲器

數(shù)據(jù)傳

送部件主存儲器標量部件數(shù)據(jù)傳

送部件

主存儲器部件

量部件

向量標互連網(wǎng)絡富士通VPP500并行向量處理機:更為一般的系統(tǒng)：存儲器存儲器存儲器處理機—存儲器網(wǎng)絡m12共享存儲器處理機間網(wǎng)絡處理機存儲器處理機存儲器處理機—外設網(wǎng)絡磁帶設備磁盤設備

打印設備

網(wǎng)絡共享外設

系統(tǒng)以多處理機為核心，各處理機有自己專用的存儲器，稱為本地存儲器，處理機內包含有獨用的Cache。此外還有各處理機公用的存儲器，稱為共享存儲器，各處理機對共享存儲器的訪問通過處理機—存儲器網(wǎng)絡進行交換。6.1互連網(wǎng)絡的基本概念2．互連網(wǎng)絡的主要功能1）連接各個結點，構成信息通路，傳送數(shù)據(jù)或控制命令。2）通過路徑選擇，實現(xiàn)有目的的信息交換，其中包括一到一和一到多的選擇與交換。6.1互連網(wǎng)絡的基本概念二.互連網(wǎng)絡的主要特性1）網(wǎng)絡規(guī)模：即一個網(wǎng)絡中所連接的結點數(shù)。2）結點度：每個結點與外部連接的邊數(shù)稱為一個結點的度，用d表示。結點A結點B線路(b)雙向結點A結點B線路(a)單向6.1互連網(wǎng)絡的基本概念3）距離：任意兩結點之間相連的最少邊數(shù)。4）網(wǎng)絡直徑（D）：網(wǎng)絡中任意結點之間距離中的最大值。BACDAB的距離:1AC的距離:1AD的距離:1BC的距離:2BD的距離:1CD的距離:1網(wǎng)絡直徑:D=25）結點間線長：兩個結點之間實際連接用的線長。6.1互連網(wǎng)絡的基本概念6）等分寬度：通道等分寬度：一個網(wǎng)絡被切割成對等的兩半時，沿切口所具有的邊數(shù)（通道數(shù)），稱為通道等分寬度，用k表示。線等分寬度：若用w表示通道寬度（用位表示），則線等分寬度為：B=k×w。7）對稱性：如果從任一個結點觀察網(wǎng)絡，所看到的網(wǎng)絡拓撲結構都是相同的，該網(wǎng)絡是一個對稱網(wǎng)絡。8）數(shù)據(jù)尋經(jīng)功能：表示互連網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)從一端傳送到另一端的方式和能力。尋徑方式分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。尋徑功能有一到一、一到多、散射、匯合/聚集等。6.1互連網(wǎng)絡的基本概念三.互連函數(shù)1．互連網(wǎng)絡的功能表示

無論何種互連網(wǎng)絡，在系統(tǒng)中所起的作用都是一樣的，即進行有關部件（或設備）間的有效連接，完成信息的傳輸。如果將互連網(wǎng)絡看作一個黑盒子，盒子的輸出端口與輸入端口間就存在一定的位置變換關系，這就是互連函數(shù)。6.1互連網(wǎng)絡的基本概念特別應該強調指出，這里所謂的變換關系并不是信號形式的變換，而只是端口位置的變換關系，所以用以表征黑盒子特性的不是傳輸函數(shù)，而是互連函數(shù)?；ミB網(wǎng)絡f(i)12N12N6.1互連網(wǎng)絡的基本概念2.互連函數(shù)表示法1）函數(shù)表示法：

在函數(shù)表示法中，通常用x表示輸入端變量（即端口編號），f(x)就用以表示互連函數(shù)。其中x常用端口編號的二進制值表示，x=xn-1

xn-2…x1

x0。而相應的互連函數(shù)就可以寫成：f(xn-1

xn-2…x1

x0)。如果變換函數(shù)發(fā)生了變化，其表示也就可以相應的寫成：σ(xn-1

xn-2…x1

x0)。一個完整的函數(shù)就應在其等式的右邊寫出該函數(shù)的值，即變換的結果。例如：σ(xn-1

xn-2…x1

x0)=xn-2

xn-3…x1

x0

xn-16.1互連網(wǎng)絡的基本概念

2）輸入輸出對應表示法：

即列出對應端口間的對應關系表，輸入輸出對應關系列出在符號框內，其表示形式為：

在符號框內，上一個元素與下一個元素分別對應輸入與輸出的連接關系。

3）圖形表示法圖形表示法是直接用連線將輸入與輸出的關系連接在一起，非常直觀。其缺點是不容易從中看出規(guī)律性的東西，即函數(shù)關系不能一目了然。6.1互連網(wǎng)絡的基本概念3.基本互連函數(shù)1）恒等互連函數(shù)

如果相同輸入/輸出編號的端口對應互連，所實現(xiàn)的變換稱為恒等變換。其表示式為：

I(xn-1xn-2…x1x0)=xn-1xn-2…x1x0000001010011100101110111000001010011100101110111等式左邊和右邊端口編號的二進制編碼完全相等。圖形表示的恒等變換如右圖所示：6.1互連網(wǎng)絡的基本概念2）交換互連函數(shù)

將輸入端口編號的二進制碼中的第0位取反，得到的互連函數(shù)稱為交換互連函數(shù)。其表示式為：0000010100111001011101110000010100111001011101112---()1210101nnnnxxxxxxxxE-=……6.1互連網(wǎng)絡的基本概念3）方體互連函數(shù)

將輸入端口編號的二進制碼內的某一位（第k位）作取反操作，所得的值就是與之相連的輸出端口編碼。其表示式為：如果輸入端口有N個，每個端口編號的二進制編碼就有n=log2N位，k可以是其中的任意一位，所以方體變換也就可以有n種。按照被變換位的位置，分別可以表示成：C0，C1，…，Cn-1等。()011121011121xxxxxxxxxxxxxxCkkknnkkknnk-+---+--=…………6.諸1互連瘋網(wǎng)絡想的基感本概腳念比如宅，網(wǎng)移絡結火點N布=撕8時，刊允許獻有三皂種方流體互匠連函涂數(shù)，鋼他們彩分別腸是：()0120120xxxxxxC=()0120121xxxxxxC=()0120122xxxxxxC=

(c)C2方體

(a)C0方體000001010011100101110111

(b)C1方體0000010100111001011101110000010100111001011101110000010100111001011101110000010100111001011101110000010100111001011101116.且1互連立網(wǎng)絡披的基荒本概盲念4）均仁勻洗瀉牌（兔全混都洗）那互連陪函數(shù)均勻斬洗牌少互連吧函數(shù)售是將悶輸入瓦端分煙為數(shù)半目相棕同的喇兩個淡部分渾，分打別與豈輸出窄端進途行均奪勻洗嫁牌，嶼即一持個隔旁一個職地與辟輸出龍端相剝連。甜函數(shù)頑表示授式為磚：()101320121-----=nnnnnxxxxxxxxxS……均勻洗牌互連函數(shù)σ0000010100111001011101110000010100111001011101116.錄1互連椒網(wǎng)絡感的基煎本概蠶念循環(huán)職移位成也可辛以由窗左移鑰改為片右移胳，這路時就汪成了攀逆均臭勻洗垃牌，號這種闊方式映可以續(xù)看作驕是均季勻洗因牌的群逆函兩數(shù)?；旰瘮?shù)悔表達至式為音：()121001211xxxxxxxxnnnn-----=S……

逆均勻洗牌0000010100111001011101110000010100111001011101115）PM燦2I互連犯函數(shù)“加趴減2i”互連絕函數(shù)巴也稱稅為循鋪環(huán)移慚數(shù)互胡連函警數(shù)，礦其移殼數(shù)的詞值為2的某匹一個段冪次股。其茫表示悔式為苗：式中相，0浙≤膝X捏≤墊N鍋-子1，0促≤i≤n–慘1，n=夢lo擇g2N，N為網(wǎng)罩絡結唐點數(shù)聰。即：托結點鞏數(shù)為N的網(wǎng)膜絡，愈其PM亭2I互連汗函數(shù)描的個群數(shù)為2n，（n=怒lo塞g2N）。()()NXXiimod2PM2I+=+()()NXXiimod2PM2I-=-6.綠1互連主網(wǎng)絡醬的基暈本概胖念按互消連函巖數(shù)畫睜出的劣圖形秩如下詳圖所屢示。012345670123456701234567012345670123456701234567(a)i=0(b)i=+1(c)i=+26.滑1互連喘網(wǎng)絡蔬的基倦本概咬念6.門1互連盜網(wǎng)絡平的基洪本概碌念6）蝶式男互連尸函數(shù)將輸枝入端塔編號餐的二匹進制巾碼的費最高涼位和現(xiàn)最低漸位對洗調，先所得結的二警進制像編碼投就是埋與之型相連嶺的輸泰出端邀口編內號，鉆這種沫連接普稱為斜蝶式授置換閃。其邊函數(shù)萬表示饑式為環(huán)：()11200121----=nnnnxxxxxxxxB……0000010100111001011101110000010100111001011101116.嫁1互連爐網(wǎng)絡生的基猾本概索念7）混洗搭交換德互連知函數(shù)就是變由全壺混洗仔互連嗚函數(shù)宴與交砌換互惠連函艘數(shù)構瓶成的屯復合鍛函數(shù)球，其運函數(shù)預表示鞠式為翻：()102[0121----=nnnnxxxExxxxS……[E]]102--=nnxxx…6.貞1互連隱網(wǎng)絡稠的基舞本概刻念例：俘設有64個處燃理器靠，其浸編號底依次堡是0，1，2，…，63。當露按照狡互連曉函數(shù)Ex票ch稼an慕ge摩()4連接蹤蝶時,第21號處駝理器指應與貌哪個促處理籌器連校接?解:設待疫求處王理器側的序初號為i，表告示為Pi，則Pi=Ex棗ch或an父ge等(0趟10違10顆1)4=桶0101繡01=輛00季01婆01所以伴，第21號處謠理器拐應與濱第5號處缸理器屆連接鎖。6.向2靜態(tài)檢互連碎網(wǎng)絡靜態(tài)猜互連具網(wǎng)絡派是指盤在點懼到點級之間到使用臭直接敗鏈路盈，一波旦設波計成斑功，疾固定栽不變馬。即哄使在腔工作螞過程副中，價也不彩能用滴程序侮改變謝。系統(tǒng)竭中的級每一益?zhèn)€結往點往疊往不間止只若連接昨一個餐相鄰鵲結點隨，即漢結點廁的度埋往往遮大于1。于喪是在搖信息宣傳遞傾時，迷就必齡須解螞決正降確選銀擇通輸信對捷象的鉛問題棍。為馳此，釣每個高結點堵中都蘇必須永設置凍“尋口徑器意”，漠所以抽，這史種網(wǎng)帖絡又把被稱乎作基于脹尋徑朵器的考網(wǎng)絡。6.既2靜態(tài)恥互連風網(wǎng)絡一.網(wǎng)絡績拓撲歇結構線性個陣列012N-1N-2N-3網(wǎng)絡垃直徑速：N-森1環(huán)和第帶弦奧環(huán)0123456789101112131415（a）環(huán)形網(wǎng)單向醫(yī)連接們時，狡網(wǎng)絡同直徑尊：雙向衛(wèi)連接傷時，被網(wǎng)絡待直徑宋：N-嗚1N/杏2網(wǎng)絡撿直徑瘋越大昏，傳辭輸延哲時越棕大6.清2靜態(tài)膊互連翠網(wǎng)絡環(huán)和焰帶弦捧環(huán)0123456789101112131415(b)3度帶弦環(huán)形網(wǎng)絡0123456789101112131415(c)4度帶弦環(huán)形網(wǎng)絡0123456789101112131415（a）環(huán)形網(wǎng)網(wǎng)絡太直徑道為5網(wǎng)絡馳直徑羊為36.捆2靜態(tài)冬互連宗網(wǎng)絡循環(huán)朝移數(shù)汁網(wǎng)絡這也奇是通淚過在列環(huán)形霜網(wǎng)絡過結構痛上增浩加“零弦”框的方驕法使蛋直徑找減小什的改煉進網(wǎng)穿絡。此只是照，加強弦的省規(guī)律言是：從任智一結漸點出旋發(fā)與弟距該讓結點藏距離艘為2的整仰數(shù)冪皺結點鬧相連0123456789101112131415網(wǎng)絡評直徑舒為26.喜2靜態(tài)養(yǎng)互連男網(wǎng)絡樹形攪與胖昂樹形二叉樹結構網(wǎng)絡二叉胖樹結構網(wǎng)絡6.倉2靜態(tài)雞互連蘭網(wǎng)絡網(wǎng)格命形和鵝環(huán)形憐網(wǎng)格(c)環(huán)形網(wǎng)格(a)網(wǎng)格形(b)Illiac網(wǎng)6.糟2靜態(tài)屑互連塔網(wǎng)絡超立勵方體鐵和帶適環(huán)立負方體(c)帶環(huán)立方體(a)3維立方體(b)4維立方體6.仇2靜態(tài)寧互連卸網(wǎng)絡二.靜態(tài)劉網(wǎng)絡劉特性眉表6.度3動態(tài)逃互連囑網(wǎng)絡動態(tài)瞇互連刊網(wǎng)絡判使用撐開關肅或者稿裁決茄器提義供動詢態(tài)連惡接特免性，慚在運辮行過哭程中囑由程喝序來秩確定展具體原的連匪接方優(yōu)式。一.總線者互連休方式總線撒互連扁方式代是多鄭處理潤機實肉現(xiàn)互偽連的灘一種摘最簡圣單的貞方式盯。在總剪線互鋤連方續(xù)式中晴，多嘩個處春理機誘、存基儲模腳塊及I/仗O部件惜等通規(guī)過各勻自的戀接口獅部件浸連接猛在一矛條公宰共總枝線上供，或冠多個效計算痰機模怪塊通牲過各盒自的限接口促部件姿與一銜條總貨線連般接。6.憑3動態(tài)霧互連鞋網(wǎng)絡二.交叉伶開關照互連責方式交叉千開關狐互連餃方式霞通過頑開關原把多碗個處露理機齡、存倘儲器場模塊譽或其康他I/平O設備健連接且在一飾起，照形成括一種你網(wǎng)絡優(yōu)結構。P1P2P16M1M2M16網(wǎng)絡但中行獵線和泉列線洪交叉湯點有倉開關以控制歡其接公通與漲否。每個它開關兇只需坊兩種娘狀態(tài)訓：通睛與斷復。6.詢3動態(tài)嫂互連季網(wǎng)絡三.多級搖網(wǎng)絡秘互連憲方式是把滅多個似單級榨互連棄網(wǎng)絡舟通過鑄交換寶開關同或交脅叉開元關串鳴聯(lián)起曲來而躬構成飲的網(wǎng)須絡。a×b開關a×b開關a×b開關a×b開關a×b開關a×b開關a×b開關a×b開關a×b開關ISC1ISC2ISCn第1級第n-1級01b-1b2b-1b+1bm-bbm-1第0級01a-1aa+12a-1am-aam-1構成漁多級朋互連深網(wǎng)絡屢的三洲要素畜：1）交腳換開昂關2）拓想撲結題構3）控焦制方滲式6.美3動態(tài)婦互連仰網(wǎng)絡（１宅）交掀換開倘關簡單弟開關明邏輯C00116.旅3動態(tài)慨互連籮網(wǎng)絡2×緣瑞2開關夫的四犬種連綿接方辱式0011(a)直送0011(b)交叉0011(c)上播0011(d)下播圖中壓表示竟了直曾通、榆交叉耽、上聚播和婚下播揮四種名允許塊的狀炸態(tài)，瘡稱為滋合法麗狀態(tài)稅。如血果出術現(xiàn)兩鎮(zhèn)個輸欠入端猴連接化到同董一個廉輸出稼端的日狀態(tài)硬，就凱會造碎成信愧號的內沖突誰，此展狀態(tài)儲為非騾法。6.叢3動態(tài)泡互連陸網(wǎng)絡開關騾模塊困的合通法狀腔態(tài)輸入態(tài)與輸荷出之孫間只稿有一豬對一帳的關渠系,即排教除了共上播絨和下財播的園可能我性時錫的連票接.6.席3動態(tài)秒互連澆網(wǎng)絡（2）控奪制方贈式對開心關的抹控制陽方式兩有三靠種不踐同的系控制如方式港：1）乳級控絲式制即每雪一級慣中所君有的儉開關盯模塊鳳使用倦同一知個控笑制信秤號，扎所以落該級舌中的逐每一球個開甚關都盾處于哪同一錦種狀弱態(tài)。2）單元予控制系統(tǒng)艇中的胡每一棗個開筋關模避塊都賊有自猜己專諒用的娛控制炊信號表，實坡施個狠別控諷制，致各開辨關均熊可處橡于自險己特桌定的牧狀態(tài)紛。3）她部分辜級控艙制在一莊個n級的魔網(wǎng)絡齊中，段取0菌≤i≤n–設1，第i級的詢所有米開關其用i+察1個信華號進捎行控啄制。四.幾種嗎主要檢多級稈網(wǎng)絡1．Ω（Om仙eg蘆a）網(wǎng)絡汪（多敘級混象洗交碧換網(wǎng)秤絡）一個盆用若誦干級副全混信洗網(wǎng)享絡將沿開關令連接蔬起來霉組成芒的多粉級網(wǎng)持絡稱五為Ω網(wǎng)絡根。由于君采用疫全混撇洗網(wǎng)天絡是弦這個陣多級蹦網(wǎng)絡籠組織非的基所本特斗色，老所以Ω網(wǎng)絡備又稱磚為多級兵混洗洞交換鍵網(wǎng)絡假。1203456712034567輸入端輸出端C3C1C0C2K2K1K0Ω網(wǎng)絡到中，燃開關猴采用披的是單元柄控制方式繳。6.虜3動態(tài)謀互連渴網(wǎng)絡2．ST銀AR節(jié)AN網(wǎng)絡1203456712034567輸入端輸出端C0C2C3C1K0K1K2IABCDEGFHJKLST縣AR蹄AN網(wǎng)絡非的開突關可今以按膽級控弄制，恭也可觀以按榴組控張制。fi00116.個3動態(tài)俊互連墊網(wǎng)絡按級纏控制制方式以級脖為單帖位，病即一箏個控匹制信池號可踐對一絕級中耀的全縱部開脊關作閉同樣稀的控蕩制。詳按級糧控制榴方式襲可以鞠實現(xiàn)擱輸入普輸出章端的緣瑞交換貍置換鋪，這攜時的部網(wǎng)絡還又可押以稱的作交孩換網(wǎng)惱絡。按組垂控制泳方式則是叮將第i級的東開關喉分成i+肥1組，等給每罵組施店以控策制信看號，羨使組輕內各皮開關勺產生厭同樣顏的動劇作。壩按組究控制錢方式進可以老實現(xiàn)告移數(shù)累置換麗，這齒時可除以稱嫩作移驅數(shù)網(wǎng)廳絡。6.皺3動態(tài)體互連餐網(wǎng)絡⑴榜按級悔控制惕和交雄換置咱換在右姑上圖闖有一緩個開報關控框制示貸意圖濁，假稅定開作關的月兩個滋輸入億端分路別標曉注以尚“0”和“1”，同艇樣也滿給輸鐵出端育標上鎮(zhèn)“0”和“1”的標疊注。青在直頃送方疤式下紀，0→扣0，1→踐1；而部在交掉叉方哈式下情，則歷有0→成1，1→狡0。如蹄果將秘這種病傳輸角情況聰看作煎二進真制運務算，夫那末觀控制秧信號fi就是遵參與融邏輯鍬運算妹的一愿個變插量，已其邏衣輯關易系可旨以表杰示為聲：fi0011iiifxxE?=)(fi=0時，灣表示祖直送否；fi=１時爽，表封示交貓叉。除了F=（00召0）時掀，實屠現(xiàn)的微是恒貢等置蘆換外安，其赴余7種F值所湖實現(xiàn)引的是桶交換薯式的悉置換攝。比禁如，F(xiàn)=（01軟0）時蘆，輸砌入與獲輸出鄉(xiāng)豐都分五成從0~贈3和4~跡7兩組花，在風對應鬼組中祖進行糕前兩唯位與酬后兩足位之或間的胞位置廈交換俘。F=(101)01234567012345670123456701234567F=(010)0123456701234567F=(011)0123456701234567F=(100)0123456701234567F=(110)0123456701234567F=(111)0123456701234567F=(001)0123456701234567F=(000)也就份是說舌，ST柴AR久AN網(wǎng)絡蕉所實關現(xiàn)的喚正是師輸入敲與輸穴出端萌之間啞的三黑種方映體置浮換，傅而且食他們耕分別拘實現(xiàn)聾的是C0、C1和C2置換嫂。非稀常有冶意思遮的是假，C0是f0芬=擦1時得群到的跨置換傾，C1是f1云=破1時得秤到的險置換臟，同鞏樣，C2是f2傲=低1時得貨到的析置換必。因疏此，ST忽AR拋AN網(wǎng)絡又稱滑為多章立方恩體網(wǎng)孟絡。由此這推出宋的結謎論是霧：當fi=嘆1時，檢就有Ci置換用。于是剖，如顛果F=（01贏1），跑就有C0置換丹，再壩有C1置換貪，簡臣寫成暮：C1（C0），舟或者Cu遍be剛0枯+公Cu不be古1。6.梢3動態(tài)醒互連示網(wǎng)絡⑵來按組給控制赤及移陶數(shù)置諒換在N×口N的ST冤AR躬AN網(wǎng)絡減中，睡第i級的嬸開關嶺分成i+駱1組，午每組板一個迫控制以信號飽。對碗于N爸=塑8時，喘共3級開罵關K0，K1，K2，共判包含逝有6個控迫制信狀號：F=（f23f22f21f12f11f0）。一個N×溪N的ST棉AR肌AN網(wǎng)絡賽，在限采用濁按組蠶控制損后，蓄可以軍實現(xiàn)(串n2+很n蜂+間2靠)四/擋2種移癥數(shù)置雄換。N挽=斤8時，腳可實辭現(xiàn)的襖移數(shù)謙置換副為7種。第七蘇章模多處問理機19悲86威-2嶺00遷2年間訓，隨希著微曾處理養(yǎng)器的鄉(xiāng)豐發(fā)展截，單堅處理塘機的說性能乖增長四達到糕了頂境峰。20類02年以呀后，瓜單處狀理機名的性梁能增盞長明枝顯放帖緩。訊主要鈔原因喬有：（1）功漠耗問鉆題（轟已經(jīng)軌很大暖）。（2）可穴以進離一步柳有效芒開發(fā)弄的指令硬級并濟行性已經(jīng)覆很少雪。近兩就年來繭，我測們已字經(jīng)開物始進然入多處浙理機將起首主要歉作用米的新未時期靈。第七忠章妻多處焦理機一、賓并行組計算部機系層統(tǒng)結族構的稍分類1.躍F翼ly富nn分類堅法：SI畢SD、SI托MD、MI逐SD、MI最MD2.劣S壩IS役