分时总线——多处理器系统中的互连结构

互连结构：
处理器必须能够在多处理器系统中共享一组主内存模块和 I/O 设备。这种共享能力可以通过互连结构来提供。常用的互连结构如下：

分时/公共总线
横杆开关
多端口内存
多级交换网络（第 2 部分介绍）
超立方体系统

在本文中，我们将详细介绍时间共享/公共总线。

1. 分时/公共总线（多处理器系统中的互连结构）：
在多处理器系统中，时间共享总线互连提供了一个公共通信路径，连接所有功能单元，如处理器、I/O 处理器、内存单元等。下图显示了具有公共通信路径的多个处理器（单总线）。

单总线多处理器组织

为了与任何功能单元进行通信，处理器需要总线来传输数据。为此，处理器首先需要通过检查总线的状态来查看总线是否可用。如果总线被其他功能单元使用，则状态为忙，否则为空闲。

只有当总线空闲时，处理器才能使用总线。发送方处理器将目标地址放在总线上，目标单元对其进行识别。为了与任何功能单元进行通信，发出一个命令来告诉该单元要完成什么工作。那时的其他处理器要么忙于内部操作，要么空闲等待总线。
如果有冲突，我们可以使用总线控制器来解决冲突。（总线控制器可以设置不同功能单元的优先级）
这种单总线多处理器组织最容易重新配置且简单。这种互连结构仅包含无源元件。发送器和接收器单元的总线接口控制这里的传输操作。
为了确定对公共总线的无冲突访问，可以使用静态和固定优先级、先进先出 (FIFO) 队列和菊花链等方法。

好处 -

价格便宜，因为不需要额外的硬件，例如开关。
由于功能单元直接连接到总线，因此配置简单易行。

缺点——

与这种配置的主要斗争是，如果任何一个总线接口电路发生故障，整个系统都会失败。
吞吐量降低—
一次，只有一个处理器可以与任何其他功能单元通信。
增加仲裁逻辑——
随着处理器和内存单元数量的增加，总线争用问题也会增加。

为了解决上述缺点，我们可以使用两条单向总线：

具有单向总线的多处理器系统

在一次传输操作中需要两条总线。在这里，系统复杂度增加，可靠性降低，解决方案是使用多条双向总线。

多条双向总线：
多条双向总线是指系统中有多条双向总线。它允许尽可能多的公共汽车同时转移。但是这里也增加了系统的复杂性。

多双向多处理器系统

除了组织之外，影响总线性能的因素还有很多。他们是 -

总线上活动设备的数量。
数据宽度
错误检测方法
数据传输同步等

好处 多条双向总线——

硬件成本最低，因为不需要额外的设备，例如交换机。
修改硬件系统配置很容易。
与其他互连方案相比不太复杂，因为只有 2 条总线并且所有组件都通过该总线连接。

多条双向总线的缺点——

系统扩展会降低性能，因为随着功能单元数量的增加，需要更多的通信，但一次只能通过 1 条总线进行 1 次传输。
整体系统容量限制了传输速率，如果总线发生故障，整个系统将发生故障。
仅适用于小型系统。

2.纵横开关：
如果公共总线系统中的总线数量增加，则达到一个点，在该点处，每个存储器模块都有可用的单独路径。 Crossbar Switch（用于多处理器）为每个模块提供单独的路径。

3.多端口内存：
在多端口内存系统中，控制、切换和优先级仲裁逻辑分布在整个交叉开关矩阵中，该矩阵分布在内存模块的接口处。

4.超立方体互联：
这是一个二进制 n 立方体架构。这里我们可以连接 2n 个处理器，这里的每个处理器构成立方体的一个节点。一个节点可以是内存模块，也可以是 I/O 接口，不一定是处理器。一个节点处的处理器具有直接通往其他 n 个节点（总共 2n 个节点）的通信路径。总共有 2n 个不同的 n 位二进制地址。

结论：
互连结构可以决定多处理器环境中整个系统的性能。虽然使用公共总线系统很容易和简单，但只有 1 条路径的可用性是它的主要缺点，如果总线发生故障，整个系统就会失败。为了克服这一点并提高整体性能，交叉开关、多端口、超立方体和多级交换机网络不断发展。