系统结构考点之立方体互连函数及拓朴结构图

本文深入探讨立方体互连网络,包括单级立方体的互连函数和多级互联网络的特性。重点讲解了多级立方体网络的交换开关、拓扑结构和控制方式,并通过实例解析了立方体网络的结构图画法及其控制开关状态。此外,对比了STARAN网络与立方体网络的区别,指出STARAN网络无法实现同时传送。


这部分的内容在 系统结构考点之ILLIAC原理部分已经做了说明了,但对具体的大题分析,还得需要深化一下。

如题:2021年4月

分析

注意看题,第二问用三级立方体实现该互连函数的拓扑,可见这部分是关于立方体网络相关内容的。

基本知识

立方体单级互连网络

三维立方体每一个顶点代表一个处理单元,用直角坐标系的zyx编号。每个处理单元只能连到其二进制编号的某一位取反的其他3个处理单元上。如100,只能连到000(第一位取反)、110、101上。

互连函数

Cube(英文:立方体)函数:表示相连的入端和出端的二进制编号只能在右起第i位上0、1互反,其余各位代码相同。
N个结点的立方体单级网络共有 n = l o g 2 N n=log_2N n=log2N种互连网络。
单级立方体网络的最大距离为n,即最多经n次传送就可以实现任意一对入、出端间的连接。
看到这里就可以解答第一问了,8个处理单元 n = l o g 2 N n=log_2N n=log2N求得n为3,也就是编号由3位组成,所以先把题目中给的配对翻译成二进制形式(0,3)就是(000,011)、(001,010)、(100,111)、(101,110)观察可知,除左起最高位没有变之外,其他两位都变了,所以互连函数为: C u b e ( b 2 b 1 b 0 ) = b 2 b ‾ 1 b ‾ 0 Cube(b_2b_1b_0)=b_2\overline b_1\overline b_0 Cube(b2b1b0)=b2b1b0,技巧:只分析一对即可,其他肯定是一样的.

多级互联网络

将前面几种单级互联网络重复连接,就形成了基本的多级互联网络。

多级互连网络的特性

主要因素有3个:交换开关、拓扑结构、控制方式

交换开关

具有两个入端和两个出端的交换单元。

具有前两种功能(直连和交换)称为二功能交换单元
4种功能都全的称为四功能交换单元

拓扑结构

各级间出端与入端互连的模式。单级互联网络的连接模式均可组合构成不同的多级互联网络。

控制方式

交换开关的控制方式,也就是常背的级控制、单元控制、部分级控制。

多级立方体网络

特点:采用二功能交换单元。控制方式是上面的全都有.

具有N个入端和N个出端的多级立方体网络结构图画法(考点)
  1. n = l o g 2 N n=log_2N n=log2N求得该多级立方体网络的级数n,如本题0~7共有8个处理单元,所以N=8,求得级数n=3.

  2. 竖着画,每级画出N/2个二功能交换单元,也就是8/2=4,也就是说每级由4个交换单元组成,每个交换单元从上到下顺序,从0号开始编号.如本题交换单元从上到下依次就是0~7.每一级交换单元都是按照此规则编的号.

  3. 让所有的第i级各交换单元的两个入端/出端按Cubei的关系配对编号.也就是说0级按照Cube0函数互联,1级是按照Cube1函数互联,编号也是按照Cube函数来编号.这里是问题的关键,也是有卡顿的地方,是上下,同级同端按Cube函数编号,而不是常规所理解的那样,不同端按Cube函数编号。

  4. 将各级交换单元同一编号的各端用线连起来.

    第二问的答案为:

    控制开关状态,还是拿其中一对即可,(0,3),先出端3开始分析,只能从L交换单元开始,3到3所以L所对应的级的控制开关是直连的.再从F,因为是到0,所以F是从3到1,需要交换,所以F对应的级是交换.最后到A,从1到0,对应的是交换.
    技巧:与第一问互连函数是一样,最低两级对应的是11,也就是交换
    注:
    这里要知道的知识点,如果交换单元控制开关取0,代表的是直连,取1,代表着是交换.

补充,若采用STARAN网络,上述的节点是否还能同时传送?

多级立方体网络中staran与间接二进制n方体网络区别在于,staran采用的是级控制实现的是交换函数(将一组元素首尾对称地进行交换,如果有2^n个元素,实现的是将k与2^n-(k+1)交换)

间接二进制n立方体,采用的单元控制。

如果采用STARAN网络肯定就不能同时传送了,因为采用的是级控制,同一级开关状态是一样的,而根据开关状态图,同一级有不一样的情形。

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