基于机群系统的交叉开关的硬件设计与实现

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1、原创性声明本人声明:所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:-}z日期:汉夕习年子月/s日关于论文使用授权的说明本人同意学校有权保留并向国家有关部门送交学位论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。同意学校及国家有关机构可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制丰段保存论文。论文作者签名:头务仁指导教师签名:计讨“日期e

2、}3年6月庄日日期，dQQ3年6月，‘日提要本论文总结了系统域网和交换式网络的概念，系统域网(SAN)是连接一个机群系统内部所有结点并提供高性能、高可靠性的通讯服务的网络软硬件的总和。交换式网络是所有的一竹点都与网络)!一关相连，山网络)JP关为其提供独占的网络带宽的网络结构。这些是设计网络交叉开关的理论基础。本论文首先从机群系统的组成和当前研究的状况出发，阐述了通信系统在机群中的重要意义，以及系统域网和交换式网络的基本概念和工作原理。然后分别讨论了交换机的内部结构和调度算法，在分析了交换机的设计思想和实现方法之后，提出了一种快速交叉开关crossbar的设计方法及其硬件实

3、现。在其设计实现上采用了模块化的设计思想，在交叉开关的硬件实现部分详细讨论了各模块的组成结构和功能，这样设计的好处是方便整个系统的改动和升级。最后采用了可编程逻辑电路来实现交叉开关的硬件结构，以及采用印制电路板的方法最终实现样板的制作和调试。在论文的撰写过程中，完成了用于机群系统中的高速交换的交叉开关的设计、开发和样板的调试组装，并通过调试和实验测量数据得到交叉开关的性能参数，该交叉开关。rossbar的小消息延迟可以达到3.5微秒左右，另外单向链路带宽约125Mbytes/seconds吉林大学硕士学位论文第一章绪论随着计算机网络技术的迅速发展，充分利用网络资源、把网络上

4、的计算机组织成廉价而有效的并行计算环境成已经越来越引起人们的重视，机群计算作为网络计算的重要组成部分是目前计算机领域研究的热点，而决定机群系统性能的关键很大一部分在于其通讯系统性能的高低。连接机群系统中各组成部分的系统域网不同于一般网络，只有通过优选技术路线、优化技术方案，才能实现其高性能、高可靠性以及高扩展性等比较全面的功能，从而使整个通讯系统获得可靠的高性能。本课题的研究就是在机群系统交换网络的研究的基础上，设计了机群交换的交叉开关，并在硬件上得以实现，将互连的工作站组织成一个实用的机群并行计算平台。在一定的可伸缩性范围内，使得机群系统在性能、界面、可用性以及安全性方面

5、都得到增强。在这一章中，首先主要介绍本课题的研究背景，然后介绍了机群系统的组成，统经过十几年的发展，机群系统已经到了推向实用的阶段，然后，本章介绍了机群系统研究的主要问题和当前的研究状况。最后介绍了本文的组织结构。愧,1课越背景最近几年。伴随着MPP的发展，一种新的并行及分布式计算技术，计算机机群技术(Cluster-technology).引起了人们的极大关注，已成为十分活跃的研究领域.机群技术旨在把一群计算机(如工作站、徽型机、大型机等)用网络以某种结构互连起来，充分利用各计算机资源，统一调度、协调处理，实现高效率并行计算。在各类机群并行计算系统申，土作站机群尤为引人注

6、目。机群并行计算系统的U0并行性高、可扩展性好等特点使得它能够比MPP更有效地支持并行数据库系统。机群并行计算系统十分符合我国的国情，目前我国根多单位己经具有大量各种类型的计算机系统(如工作站、微型机等)。只妻花费很小的投资就可使用高速网络建立起各种类型的机群并行计算系统。我们的大课题就是组建一个支持共享存储的机群奈统，本文就是在这样一个大环境下，设计机群系统中的交换结构，以及交叉开关的硬件设计与实现。吉林大学硕士学位论文1.2机群系统的组成机群系统是利用高速通用网络将一组高性能工_作站或高档PC机，按某种结构连接起来，在并行程序设计以及可视化人机交互集成开发环境支持下，统

7、一调度，协调处理，实现高效并行处理的系统。从结构和结点间的通信方式来看，它属于分布存储系统，主要利用消息传递或共享存储的方式实现各主机之间的通信，由建立在一般操作系统之上的并行编程环境完成系统的资源管理及相互协作，同时也屏蔽工作站及网络的异构性。对程序员和用户来说，机群系统是一个整体的并行系统。机群系统中的主机和网络可以是同构的，也可以是异构的。目前己实现和正在研究中的机群系统大多采用现有商用工作站和通用LAN网络，这样既可以缩短开发周期，又可以利用最新的微处理器技术。大多数机群系统的并行编程环境也是建立在一般的U