JPH04305757A - マルチプロセッサーシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、マルチプロセッサーシステムに
関し、より詳細には、コンピュータ技術における相互接
続を可能とするスペクトル拡散（ＳＳ）通信方式を用い
たマルチプロセッサーシステムに関する。

【０００２】

【従来技術】図２は、従来のマルチプロセッサーシステ
ムにおけるバスを示す図で、相互プロセッサー・コミュ
ニケーションをサポートするシングル・バスのバス／バ
ック・プレーン相互接続を示している。また、図３は、
ＢＢＮバタフライスイッチ型の交換ネットワークを有す
るマルチプロセッサーシステムを示す図であり、図４は
クロスバースイッチを有するマルチプロセッサーシステ
ムを示す図である。

【０００３】マルチプロセッサーの主要な相互接続方法
として、スペクトラム拡散送受信器を使用すると、完全
に相互接続されたプロセッサーのポート（ｐｏｒｔ）を
実現できる。なお、ここで用いられている用語「ポート
」は、マルチプロセッサーシステムの中の別のコンポー
ネントとコミュニケートするコンポーネントのことであ
る。以下において、ポートは、マルチプロセッサーシス
テム中の入力／出力ポート、メモリ・ポート、又は他の
プロセッサーの総称として用いられている。

【０００４】また、完全な相互接続とは、システムの中
のあらゆるポートが、他のあらゆるポートへの専用のコ
ミュニケーション・リンクを作り出す能力を有している
ということを意味する。さらに、各々のポート間のコミ
ュニケーション・リンクは、他のコミュニケーション・
リンクの成立を防げることはない。完全な接続性は２つ
の利点を提供する。すなわち、第１に、複数のポート間
のコミュニケーションが同時に成立すること、また第２
に、各々のポート間の会話の待ち時間は相対的に一定不
変であることである。

【０００５】本発明において解決される第２の問題は、
複雑なスイッチの必要性をなくすことである。物理的な
相互接続方法では、ハードウェアで相互接続ネットワー
クのスイッチの状態を変えて、信号のルーチングを変え
るようにしなければならない。スペクトル拡散では、ソ
フトウェアでコミュニケーションネットワークのトポロ
ジーをダイナミックに、かつ任意に変更することにより
、信号ルーチングを変えることができる。

【０００６】まず、多重に物理的に相互接続されたマル
チプロセッサーシステムの問題点について以下に説明す
る。図５は、完全に相互接続された５つのポートの構成
図を示す。システム中のポートの数が増加すると、完全
な接続性を維持するために必要とされる相互接続の数も
２次関数的な割合で増加する。システム中のポート数を
ｎとすると、下記の式が成立する。

【０００７】

【数１】

【０００８】表１は、システム中のポート数と相互接続
の数との対応表である。

【０００９】

【表１】

【００１０】システムのコスト及び複雑性を軽減するた
めには、接続の数を、図６に示したように減らしてもよ
い。しかし完全に接続されていない相互接続方法には２
つの欠点が存在する。すなわち、第１の欠点は、２つの
ポート間のコミュニケーションのための待ち時間が増加
することである。例えば、ポート１とポート３は、経路
１−２−３又は経路１−０−４−３を経由してコミュニ
ケートされる。また第２の欠点は、同時に成立するコミ
ュニケーションの数が少ないことである。例えば、図５
においては、ポート２とポート４との間にコミュニケー
ションが生じている時に、同時に、ポート１とポート３
との間でコミュニケーションすることができる。しかし
ながら、図６においては、ポート２を介してポート１と
ポート３との間でコミュニケーションしている時は、ポ
ート２は他のいかなるポートともコミュニケーションす
ることができない。

【００１１】いくつかの最も高度な機能を有するシステ
ムでは交換ネットワークを使用している。しかしながら
、これらの交換ネットワークは、多くの専用の物理的接
続が必要であり、そのため、極端に大きく且つ費用がか
かるものとなる。信号を空間的に分離することで並列な
コミュニケーションが可能となる。交換ネットワークシ
ステムの欠点は下記のとおりである。■多数の物理的相
互接続が必要である。■ネットワークの構成を変えるた
めの多数の物理的スイッチが必要である。■ネットワー
クの接続性が低下するほど、長いコミュニケーションの
待ち時間が必要である。

【００１２】次に、システム（単一相互接続システム）
におけるバス／バックプレーンの問題点について以下に
説明する。図２に示されるバス・システムは比較的単純
であり、また、導入するのに費用がかからないものであ
る。しかしながら、バス／バックプレーンを共有するこ
とができるプロセッシング・ユニットの数は非常に少な
い。専用の接続は、同時に１つのポートと１つのプロセ
ッシング・ユニットとの間にのみ存在しうるものである
。このタイプのシステムにおけるマルチプル・アクセス
は、時分割マルチプル・アクセス（ＴＤＭＡ）として分
類される。そして、あらゆるポート間接続は異なった時
間に起こる。

【００１３】このシステムにおけるバスの欠点は、一般
に、ポートがバスに付け足されると、それに従ってシス
テムのスループット（処理量・効率）を失うことである
。理想的なシステムにおいては、より多くのポートがバ
スに付け足されるとそれに従ってシステム全体のスルー
プットが、直線的に増大する。そしてバスの能力がある
レベルに到達した時に、システム・スループットは飽和
状態となる。システム・スループットを以下の式で表す
。 システム・スループット＝（ポートの数）×（１ポート
当りのスループットの平均値）

【００１４】この動作は、図７（ａ），（ｂ）（ただし
、（ａ）はシステム全体のスループット、（ｂ）は１プ
ロセッサー当りのスループット）の曲線Ａによって示さ
れている。しかしながら、もしこのシステムに、あるペ
アのポートから別のペアのポートへコミュニケーション
・リンクの構成を変えるために必要なオーバーヘッドに
よる“ロス”が生じた時は、システムのスループットは
、最適のポート数のところまで増加し、さらにポート数
が増えると減少するような曲線Ｂで表わされる。ほとん
どのバス・ベース・マルチプロセッサーシステムは、曲
線Ｂで表わされるスループット特性を示す。

【００１５】バス・ベース・マルチプロセッサーシステ
ムの欠点は下記に示す如くである。■バス・オーナーシ
ップを転送するために必要なオーバーヘッドによるロス
がある。■同時に、ただ１つのトランスミッターしか動
作できない。■１つのバスに設置するポート数に物理的
な制限がある。

【００１６】

【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされた
もので、マルチプロセッサーコンピュータにおけるポー
ト間のマルチプルコミュニケーションを可能とするマル
チプロセッサーシステムを提供することを目的としてな
されたものである。

【００１７】

【構成】本発明は、上記目的を達成するために、（１）
１つ又は複数の、中央処理装置と、メモリ装置と、入出
力装置と、その他の周辺装置を有し、前記各装置は、ス
ペクトル拡散送受信器を備え、該スペクトル拡散送受信
器により前記各装置間で相互接続ネットワークを形成す
るようにしたこと、或いは、（２）１つ又は複数の、中
央処理装置と、メモリ装置と、入出力装置と、その他の
周辺装置と、１つのシステム・アービターとから成り、
該システム・アービターが、前記各装置の任意の２つの
装置間を接続するように指令すること、或いは、（３）
１つ又は複数の、中央処理装置と、メモリ装置と、入出
力装置と、その他の周辺装置とを有し、前記各装置が無
線周波数の電波の放射を遮蔽するように囲まれていると
ともに、スペクトル拡散送受信器がコミュニケーション
媒体にアクセス可能に囲まれていること、或いは、（４
）１つ又は複数の、中央処理装置と、メモリ装置と、入
出力装置と、その他の周辺装置と、システム・アービタ
ーと、該システム・アービターのコミュニケーションラ
インとから成り、該コミュニケーションラインが前記各
装置と前記システム・アービターとの間の情報交換のた
めに用いられること、更には、（５）前記（１），（２
）又は（３）において、前記システム・アービターがス
ペクトル拡散送受信器を用いた他のシステムに接続され
ていることを特徴としたものである。以下、本発明の実
施例に基づいて説明する。

【００１８】図１は、本発明によるマルチプロセッサー
システムの一実施例を説明するための構成図で、図中、
１０〜１ｋはメモリ、２０〜２ｋはスペクトル拡散（Ｓ
Ｓ）送信器、３０〜３ｋはスペクトル拡散（ＳＳ）受信
器、４０〜４ｎはその他周辺装置（Ｍｉｓｃ）、５０〜
５ｎはスペクトル拡散（ＳＳ）送信器、６０〜６ｎはス
ペクトル拡散（ＳＳ）受信器、７０〜７ｉはＣＰＵ（中
央処理装置）、８０〜８ｉはスペクトル拡散（ＳＳ）送
信器、９０〜９ｉはスペクトル拡散（ＳＳ）受信器、１
００〜１０ｊはＩ／Ｏ（入出力装置）、１１０〜１１ｊ
はスペクトル拡散（ＳＳ）送信器、１２０〜１２ｊはス
ペクトル拡散（ＳＳ）受信器、１３はシステム・アービ
ター、１４はシステム・アービターコミュニケーション
ライン、１５はコミュニケーション媒体、１６はＲＦシ
ールドである。

【００１９】スペクトル拡散（ＳＳ；Ｓｐｒｅａｄ　Ｓ
ｐｅｃｔｒｕｍ）は、メッセージ信号をエンコードする
擬似ランダム雑音信号（ＰＮ）シーケンスを使用する技
術である。このエンコーディングの効果は広い周波数帯
域に亘ってオリジナル信号を広げることができる。エン
コードされた時ノイズとして動作するので、それはもう
１つのチャンネル・ノイズ源として取扱うことができる
。そのため、同じ周波数帯域内で伝送されている他の信
号に対しては、あたかも独立したノイズ源の如く振る舞
う。上述の事項は、受信器が所望の信号をチャンネル・
ノイズから分離できる条件のもとで、複数の送信器及び
受信器が同じ周波数帯域を使用することを可能にする。 このチャンネル・ノイズは、これらの信号をエンコード
するために他の送信器によって用いられるＰＮシーケン
スとの相互相関によってひき起こされる。

【００２０】エンコードされた信号はランダム擬似信号
（ノイズ）であるために、受信器が、エンコードされた
信号を逆拡散することによって、オリジナルのメッセー
ジ信号を抽出することが可能である。これを達成するた
めに、受信器は第１に送信器のそれと同じ擬似雑音（Ｐ
Ｎ）シーケンスを発生しなければならない。次に、受信
器は２つのシーケンスをフェーズロックしなければなら
ない。最後に受信器はエンコードされた信号からＰＮシ
ーケンスを取り除くことによってオリジナルのメッセー
ジ信号を得ることができる。

【００２１】本発明は、マルチプロセッサー技術におけ
る主要な相互接続方法として、スペクトラム拡散送受信
器を使用することを提案している。このシステムは、図
１に示すように、プロセッシング・ユニット（７０〜７
ｉ，８０〜８ｉ，９０〜９ｉ）入出力ユニット（１００
〜１０ｊ，１１０〜１１ｊ，１２０〜１２ｊ）、メモリ
・ユニット（１０〜１ｋ，２０〜２ｋ，３０〜３ｋ）、
及びその他の種々雑多なポート（４０〜４ｎ，５０〜５
ｎ，６０〜６ｎ）から成っている。相互接続媒体には、
各ユニット間の媒体となるフリースペースＲＦメディア
及び各ユニットとシステム・アービターを接続する光フ
ァイバーや同軸ケーブルなどが用いられる。

【００２２】従来のスペクトル拡散技術に対する主要な
欠点は、電波法施行規則にともないスペクトル拡散送受
信器に広い周波数帯域を割り当てることが困難であると
いう事実である。本発明に述べられているシステムは全
てマルチプロセッシング・コンピュータの中に収まるも
のであるから、ＲＦシールドをシステムに施すことで、
周波数帯を自由に使用することが可能となる。システム
における各々のコンポーネントは、ＩＤコードが割り当
てられる。このコードは、コンポーネントのスペクトル
拡散送受信器によって用いられる擬似ランダム信号（Ｐ
Ｎ）のシーケンスである。例えば、図１において、プロ
セッサーＣ０（７０，８０，９０）がメモリ・ポートＭ
１（１１，２１，３１）とコミュニケーションする場合
、次の様な処理がなされる。

【００２３】１．プロセッサーＣ０はメモリ・ポートＭ
１とのコミュニケーション・リンクをシステム・アービ
ター１３に要求する。 ２．一度システム・アービター１３がメモリ・ポートＭ
１の空きポートであると判断すると、システム・アービ
ターは、メモリ・ポートＭ１にプロセッサーＣ０の擬似
雑音（ＰＮ）符号シーケンスを用いて受信動作をスター
トするように指示する。さらに、プロセッサーＣ０に対
し、メモリ・ポートＭ１への情報のブロードキャストを
スタートするように指示する。メモリ・ポートＭ１とプ
ロセッサーＣ０との間のコミュニケーションは双方向又
は一方向とすることが可能である。双方向コミュニケー
ション・リンクのためには、プロセッサーＣ０は受信器
にメモリ・ポートＭ１の擬似雑音（ＰＮ）符号を使用す
るようにセットする。 ３．メモリ・ポートＭ１はプロセッサーＣ０の信号との
相関をとり、その信号を獲得する。そしてデータ伝送が
スタートする。メモリ・ポートＭ１におけるプロセッサ
ーＣ０の信号との相関およびその信号の獲得の過程を経
て、２つの擬似雑音（ＰＮ）シーケンスが同期する。チ
ャンネルの中に存在しているノイズ（自然のノイズ、も
しくは他のＳＳ送信器によるノイズ）のために、所望の
信号の部分はなまってしまう。したがって、統計的な相
関計算は、２つのシーケンスが最も類似したものとなる
点、つまり、おおよその同期点を見つける様に働く。 ４．処理が終了した後に、プロセッサーＣ０はシステム
・アービター１３にプロセッサーＣ０及びメモリ・ポー
トＭ１が双方とも空ポートであることを通知する。

【００２４】伝送された各々の信号に対して、他の信号
は独立したノイズ源として作用するため、他の通信処理
も同時に実行される。同時に実行される処理の数は、所
望の信号を受信しながら、どれだけ多くのノイズが許容
されうるかということの関数である。以下の説明におい
ては、同時実行可能な処理数を決定する関係式として、
スペクトル拡散システムネットワークが同時に許容でき
るユーザーの数を示す式を与える。

【００２５】ここで、各々の送信器は同じ信号パワーで
送信するものと仮定している。式（１）は、１つのシス
テムを同時に使用することができるユーザー数を示して
いる。

【００２６】

【数２】

【００２７】（ＳＮＲ）ｏｕｔが受信された信号のノイ
ズ比に対する所望の出力信号である場合には、Ｎｏはシ
ステム・ノイズ項、Ｅｂはビット当りのエネルギー、そ
してｔｍはメッセージ・ビット期間である。Ｂｅｆｆは
信号の拡散周波数帯域に関係している。コミュニケーシ
ョン・システムに適用されるＲＦ帯域は、通常はＲＦス
ペクトラムの電波法施行規則か、もしくはＳＳ送受信器
の技術的な制約のいずれかによって制限される。ここに
述べられたシステムは数メートルの距離に亘って使用さ
れるものであるために、このシステムは電波法施行規則
を妨げないようにシールド（遮蔽）することができる。 このシステムは技術的考慮によってのみ制限される。

【００２８】次の条件に基づいていくつのポートがサポ
ートされうるかを検討する。各々のポートは秒当り１０
０キロバイトの転送レートを必要とする。受信器のＳＮ
比（信号対ノイズ比）は１５ｄＢでなければならない。 Ｂｅｆｆは１ＧＨｚであり、また１つのユーザーのＳＮ
比は２５ｄＢである。表２及び式（１）におけるパラメ
ータを使用すると、１つの理想的なシステムはおよそ６
７のポートをサポートすることができるということがわ
かる。

【００２９】

【表２】

【００３０】

【効果】以上の説明から明らかなように、本発明による
と、以下のような効果がある。 （１）マルチプロセッサー・コンピュータにおいて、各
ポート間での独立した通信が複数のポート間で同時に可
能となる。 （２）全ての通信リンク（ポート間の会話）は、ソフト
ウェアによりダイナミックに変更可能である。 （３）ポイント間の物理的な接続を除去することで、コ
スト及び消費電力を減少でき、またシステムの中に含ま
れうるポートの数が増加する。 （４）フォールト・トレランスが簡単になる。物理的な
システムにおいて、もし装置が故障すると、２つのオプ
ションが存在する。すなわち、 （ａ）オペレーターは、故障中の装置に関してその故障
装置の一部を物理的に交換しなければならない。 （ｂ）複雑なスイッチング・システムにおいて、故障中
の装置に関するソフトウェアの交換を必要とする。 スペクトル拡散を用いる利点は、新しいコンポーネント
への交換が故障中のコンポーネントのコードを新しいコ
ンポーネントへ割り当て直すという簡単な処理でなされ
る。 （５）スペクトル拡散において、どれだけ多くのユーザ
ーがサポートされうるかということについての明らかな
制限は何ら存在していない。ユーザーの許容数は所望す
る信号を抽出する上で受信器が許容することができるＳ
Ｎ比（信号対ノイズ比）の関数である。 （６）本発明は、プロセッサー間の、又はプロセッサー
と入出力装置又はメモリ・ポート間の同時に行なわれる
マルチプル処理を許容している。本発明はスペクトル拡
散技術を用いて多数のプロセッサーを論理的に相互接続
することによってこれらのプロセッサーを物理的に相互
接続するのに要する高いコストを軽減することができる
。これらの技術は、スペクトル拡散マルチプルアクセス
（ＳＳＭＡ）として分類される。 （７）スペクトル拡散技術はまた、余分なポートをシス
テムの中へつけ足すために付加の物理的なワイヤリング
が何も必要としないので、相互接続ネットワークの発展
を提供する。これはシステム中のポート送受信器へより
長い擬似雑音（ＰＮ）符号を割り当てることによってな
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明によるマルチプロセッサーシステム
の一実施例を説明するための構成図である。

【図２】　　バス結合によるマルチプロセッサーシステ
ムを示す図である。

【図３】　　交換ネットワークマルチプロセッサーシス
テムを示す図である。

【図４】　　クロスバースイッチマルチプロセッサーシ
ステムを示す図である。

【図５】　　完全に相互接続された５つのポートを示す
図である。

【図６】　　部分的に相互接続された５つのポートを示
す図である。

【図７】　　ポート数に対するスループットを示す図で
ある。

【符号の説明】

１０〜１ｋ…メモリ、２０〜２ｋ…Ｓ．Ｓ．送信器、３
０〜３ｋ…Ｓ．Ｓ．受信器、４０〜４ｎ…その他周辺装
置（Ｍｉｓｃ）、５０〜５ｎ…Ｓ．Ｓ．送信器、６０〜
６ｎ…Ｓ．Ｓ．受信器、７０〜７ｉ…ｃｐｕ（中央処理
装置）、８０〜８ｉ…Ｓ．Ｓ．送信器、９０〜９ｉ…Ｓ
．Ｓ．受信器、１００〜１０ｊ…Ｉ／Ｏ（入出力装置）
、１１０〜１１ｊ…Ｓ．Ｓ．送信器、１２０〜１２ｊ…
Ｓ．Ｓ．受信器、１３…システム・アービター、１４…
システム・アービターコミュニケーションライン、１５
…コミュニケーション媒体、１６…ＲＦシールド。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　１つ又は複数の、中央処理装置と、メ
   モリ装置と、入出力装置と、その他の周辺装置を有し、
   前記各装置は、スペクトル拡散送受信器を備え、該スペ
   クトル拡散送受信器により前記各装置間で相互接続ネッ
   トワークを形成することを特徴とするマルチプロセッサ
   ーシステム。
2. 【請求項２】　　１つ又は複数の、中央処理装置と、メ
   モリ装置と入出力装置と、その他の周辺装置と、１つの
   システム・アービターとから成り、該システム・アービ
   ターが、前記各装置の任意の２つの装置間を接続するよ
   う指令することを特徴とするマルチプロセッサーシステ
   ム。
3. 【請求項３】　　１つ又は複数の、中央処理装置と、メ
   モリ装置と、入出力装置と、その他の周辺装置とを有し
   、前記各装置が無線周波数の電波の放射を遮蔽するよう
   に囲まれているとともに、スペクトル拡散送受信器がコ
   ミュニケーション媒体にアクセス可能に囲まれているこ
   とを特徴とするマルチプロセッサーシステム。
4. 【請求項４】　　１つ又は複数の、中央処理装置と、メ
   モリ装置と、入出力装置と、その他の周辺装置と、シス
   テム・アービターと、システム・アービターコミュニケ
   ーションラインとから成り、該コミュニケーションライ
   ンが前記各装置と前記システム・アービターとの間の情
   報交換のために用いられることを特徴とするマルチプロ
   セッサーシステム。
5. 【請求項５】　　前記システム・アービターがスペクト
   ル拡散送受信器を用いた他のシステムに接続されている
   ことを特徴とする請求項１，２又は３に記載のマルチプ
   ロセッサーシステム。