计算机机群系统高速光互连路由结点及网络设计

论文摘要

光互连技术是以光的波粒二相性的各种现象实现信号传输和数据交换的理论。光互连具有高带宽、低损耗、抗电磁干扰(EMI)等特性,使其在高速专用数据链路中取得了广泛应用。光互连技术是实现高效互连网络的一个有效方法。本文利用高性能数字交叉开关设计了8×8光互连路由结点,吞吐量为10Gbit/s,通信延迟仅为235 ns。利用该节点组建星形高速光互连网络以及二级光互连网络,采用电路级联技术对结点进行扩展,网络吞吐量可达1.5T bit/s。本文完成的工作: Ⅰ将光互连技术应用于机群系统,结合时分复用技术,采用星型拓扑结构设计了高速光互连网络。Ⅱ利用高性能数字交叉开关设计了高速路由结点。完成了路由结点原理设计以及功能模块划分。根据设计原理完成了原理图及PCB的制作。Ⅲ完成路由结点逻辑控制模块——FPGA的内部逻辑功能设计,利用FPGA实现了数字交叉开关的逻辑控制。Ⅳ完成了设计中采用主要器件和路由结点PCB的测试工作。设计制作了器件的测试板,利用信号发生器和高频示波器并完成了测试板的调试工作,验证了设计原理的可行性。在此基础上完成了路由结点PCB的调试工作。Ⅴ在星型光互连网络基础上,采用混合型网络拓扑结构设计了二级光互连网络。根据目前大规模数据交换需要,利用电路级联技术对网络进行了扩展,分析了扩展后的网络性能。工作中的创新点: 1.利用高性能数字交叉开关设计了路由结点,结合光互连技术设计了高速光互连网络,实现了数据的高带宽、低延迟传输。2.将FPGA高度灵活的逻辑控制功能应用于路由结点的配置控制中,通过路由表完成路由结点的动态配置。3.设计了星型和环形结构相结合二级光互连网络。利用电路级联技术,对二级光互连网络进行了扩展,可实现大规模数据交换。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本论文的研究目的
• 1.2 光互连技术概述
• 1.2.1 光互连与电互连
• 1.2.2 光互连技术的分类及实现方案
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 高速光互连网络总体设计
• 2.1 光网络接口卡设计
• 2.2 高速路由结点原理设计
• 2.3 高速光互连网络设计
• 2.3.1 互连网络拓扑结构
• 2.3.2 高速光互连网络设计
• 本章小结
• 第三章 高速路由结点设计与实现
• 3.1 路由结点设计及功能模块划分
• 3.2 路由结点功能模块的实现
• 3.2.1 光电、电光转换模块
• 3.2.2 1:2 驱动模块
• 3.2.3 解复用模块
• 3.2.4 仲裁逻辑模块
• 3.2.5 交叉开关模块
• 3.2.6 时钟模块
• 3.2.7 其它辅助器件
• 3.3 路由结点PCB 板设计
• 3.3.1 电路设计基础和传输线理论
• 3.3.2 路由结点PCB 板设计
• 本章小结
• 第四章 FPGA 的内部逻辑实现
• 4.1 EDA 和FPGA 的开发环境
• 4.1.1 1.1 EDA 概述
• 4.1.2 EDA 工程设计流程和FPGA 的软件开发环境
• 4.2 光互连网络通信协议设计
• 4.2.1 机群网络软件系统概述
• 4.2.2 光互连网络通信协议
• 4.3 逻辑控制模块FPGA 的整体设计
• 4.3.1 FPGA 在路由结点上的功能
• 4.3.2 FPGA 的信号分类及连线
• 4.3.3 FPGA 的内部模块划分
• 4.4 路由结点功能模块的实现
• 4.4.1 计数器模块
• 4.4.2 只读寄存器模块
• 4.4.3 信号发生模块
• 4.4.4 输出模块
• 4.5 核心控制模块
• 4.5.1 控制模块整体设计
• 4.5.2 控制状态机
• 4.6 FPGA 内部模块整体仿真
• 本章小结
• 第五章 关键器件的测试与路由结点 PCB 板调试
• 5.1 差分信号概述及主要器件的测试
• 5.1.1 差分信号概述
• 5.1.2 1:2 驱动器件的测试
• 5.1.3 交叉开关的测试
• 5.1.4 电压转换器件的测试
• 5.2 路由结点板卡测试
• 5.2.1 时钟测试
• 5.2.2 FPGA 配置测试
• 本章小结
• 第六章 路由结点在光互连网络中的应用
• 6.1 二级光互连网络的构成
• 6.2 二级光互连网络的扩展
• 6.3 逻辑控制模块FPGA 的整体设计
• 6.3.1 级联路由结点性能分析
• 6.3.2 二级网络性能分析
• 6.3.3 光互连传输距离的分析
• 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加科研课题
• 附录1 路由结点 PCB 设计图
• 附录2 只读寄存器地址表
• 附录3 CLC018MC 配置真值表
• 附录4 FPGA 功耗估算
• 致谢