专利名称：公平令牌仲裁系统和方法
技术领域：
本发明的实施例涉及光学设备和仲裁。
背景技术：
现代分布式计算机系统通常由多个独立的操作节点构成。节点可以是处理器、存储器、电路板、服务器、存储服务器、外部网络连接或任何其它数据处理、存储或传输设备。 通常情况下，这些独立的操作节点需要访问相同的资源。资源可以是用于传输信息的电磁辐射的频率信道(即信道)，或者资源可以是诸如广播总线的设备。例如，两个节点可能需要使用一个特定信道来传输信息。在没有协调的情况下，这两个节点可能同时尝试使用相同的信道，从而导致丢失由两个节点发送的信息。为了协调对共享资源的访问，计算机系统常常采用被称为“仲裁”的冲突解决方案，以防止两个或两个以上节点同时使用相同的资源。在若干个节点同时请求对资源访问时，使用仲裁选择和授予这些节点之一对资源访问。仲裁对于计算机系统的性能是关键的。 然而，许多仲裁器常常造成时延，所述时延会不利地影响系统性能、增加服务时间以及降低资源的利用率。另外，许多仲裁器造成不公平的资源共享，并且在节点和/或资源的数量增长时，可能无法充分地扩缩。工程师继续寻找能够提供具有很低的仲裁时延、很低的功耗以及降低的硬件成本的高利用率和公平的资源共享的仲裁系统和方法。
图1示出表示根据本发明的一个或多个实施例的注入器和探测器的“导通”和“截止”状态的表；图2示出根据本发明的一个或多个实施例的从波导提取的光脉冲的示例；图3示出根据本发明的一个或多个实施例所配置的令牌时隙仲裁系统的示例；图4A-图4B示出根据本发明的两个或更多实施例的令牌和对应的信道时隙的两个示例性表示；图5A-图5C示出根据本发明的一个或多个实施例在示例性操作期间令牌时隙仲裁系统的瞬态图；图6示出根据本发明的一个或多个实施例所配置的公平令牌时隙仲裁系统的示例；图7示出根据本发明的一个或多个实施例请求节点在仲裁期间经过的三个状态的示例性状态图；图8示出根据本发明的实施例资源在仲裁期间经过的两个状态的示例性状态图；图9A-图9D示出根据本发明的一个或多个实施例在示例性操作期间公平令牌时隙仲裁系统的瞬态图；图10示出根据本发明的一个或多个实施例总结了由请求节点和主节点所进行的步骤的示例性控制流程图；图11示出根据本发明的一个或多个实施例具有通过每个核心的光路的示例性16 核心芯片的示意性表示。
具体实施例方式本发明的各种实施例涉及仲裁系统和方法。实施例包括能够用于分配节点对共享资源独占式访问的连续的、全光学令牌环仲裁方案。系统实施例可以采用三个连续的环路波导来实施，每个波导跨越全部的节点，最大限度的减小时延开销。当两个或更多节点同时请求权利以使用资源时，仲裁选择这些请求节点之一，并授予该节点对资源的访问。在授予节点对资源的访问中，本发明的仲裁系统和方法的实施例满足以下要求。(1)仲裁是频繁的。例如在高速缓存一致性多核心系统中，消息可以是高速缓存线的大小或更小。面积高效纳米光子波导和密集波分复用使能很宽的信道，所述很宽的信道能够在一个或两个时钟周期传输高速缓存线。因此，在几乎每个时钟周期仲裁几乎每个信道。( 仲裁是快速的。仲裁实施例通过将仲裁时延与通信时延相匹配来不增加不必要或过度的消息传递时间。(3) 仲裁是有效的。仲裁实施例生成很高的资源利用率。端对端流量控制可以通过避免由于缓冲器溢出造成的故障传输来进一步提高带宽利用率。为了解决这个问题，本发明的实施例允许将流程控制信息(即，信用)包括在仲裁信号中。(4)仲裁是公平的。对于资源具有相等需要的节点接收对资源相等的访问，并且没有节点被剥夺或缺乏对资源的访问。仲裁中的偏置可能造成来自不公平对待的节点的更长的分组排队延迟。当该系统探测到提供给节点的服务中出现不平衡时，本发明的实施例通过动态调整仲裁的优先级来确保公平性。以下描述由四个分部组成。第一分部描述了光学组件，并引入光学仲裁。第二分部提供光学令牌时隙仲裁的一般描述。第三分部提供本发明的光学公平令牌时隙仲裁系统和方法的实施例的描述。第四分部提供该仲裁系统和方法的可扩缩性的描述。应注意，术语“光学”表示在电磁频谱的可视和非可视两部分中操作的设备。还应该注意，尽管用于描述本发明的各种系统和方法实施例的示例由四个节点构成，然而这仅是示例性的，并且本发明的各种实施例绝非限定于仅提供针对具有恰好四个节点的系统的仲裁。仲裁系统和方法实施例可以放大或缩小以提供针对具有多于或少于四个节点的系统的仲裁。光学仲裁本发明的系统实施例采用诸如波导和波长选择性元件(“WSE”)的光学通信结构。 在某些实施例中，WSE和波导可以是微环共振器和脊形波导。在其它实施例中，WSE和波导可以是光子晶体共振腔和光子晶体波导。波导将光限制于具有忽略不计损耗的单向行进， 并且多个波长可以无干扰的使用相同的波导。WSE可以配置有与光的特定波长基本相匹配的共振波长，以使得通过将WSE相邻于波导中行进的光的渐逝场并且在该光的渐逝场内放置，来将WSE渐逝地耦合来自波导的光的波长，并且俘获该光一段时间。可以电子切换WSE 的共振波长与由相邻波导携载的光的波长进入和退出共振，从而能够将WSE操作为相邻波导中行进的光的调制器或探测器，或者能够操作WSE，以将光从该波导转向至另一个波导。在以下描述中，将配置为探测由相邻波导携载的特定波长的光的WSE称为“探测器”，并且将配置为将特定波长的光转向相邻波导的WSE称为“注入器”。图1示出表示根
5据本发明的一个或多个实施例的注入器和探测器的“导通”和“截止”状态的表。如图1所示，注入器由实线环来表示，并且探测器由虚线环来表示。在WSE变为“导通”时，WSE与光的特定波长共振，并且将光从相邻波导耦合到WSE。在注入器的情况中，随后可以将光注入到另一个相邻的波导中；而在探测器的情况中，光在探测器内被俘获，并且产生可以用于指示已经从相邻的波导提取该光的电子信号。在另一方面，当WSE变为“截止”时，WSE并不与光的波长共振，并且该光未受干扰地通过WSE。应注意图1中的表示出注入器和探测器的标识为“亮”和“不亮”的两种不同的“导通”状态。加号102指示WSE变为“导通”并准备耦合来自相邻波导的光，但并没有光被转向。实线圈104表示WSE变为“导通”并且光正从相邻的波导转向到WSE。在某些实施例中，可以配置和操作WSE，以使得在将适当的电压施加到WSE时 WSE “导通”，并在电压不再施加时WSE “截止”。在其它实施例中，可以配置和操作WSE，以使得在将适当的电压施加到WSE时，WSE “截止”，并在电压不再施加时，WSE “导通”。图2示出根据本发明的一个或多个实施例的从波导202提取的光脉冲的示例。六个探测器配置为具有与光脉冲的波长的共振，在变为“导通”时，该光脉冲由方向箭头204 来表示。如图2的示例所示，六个探测器中的两个206和208变为“导通”。脉冲204沿着波导202在一个方向行进，并由探测器206耦合离开波导202，因为探测器206是脉冲204 沿着波导202遇到的第一个“导通”探测器。注意，因为探测器206从波导202中提取脉冲204，所以虽然探测器208保持“导通”，但无法探测到脉冲204。探测器配置为从相邻的波导提取基本上全部的对应光，并且产生可以用于确认光已从波导中提取的对应的电子信号。因此，探测器的输出是靠近脉冲源设置的所有探测器的状态的逻辑函数。这种有线或类似的组合操作被执行，而除了波导中光的飞行时间以外没有任何延迟。因为光在波导中的一个方向中流动，所以术语“上游”和“下游”可以用于描述沿着波导的探测器和节点的相对位置。例如，再次参照图2，因为脉冲204在它到达节点208之前到达探测器206，所以节点206可以称为节点208的“上游”，可替换地，节点208可以称为节点206的“下游”。图2还表示了根据本发明的一个或多个实施例的用于光学仲裁的简单方法。光脉冲204能够表示单个比特的信息，并且波导202可以表示仲裁波导的一部分。具体来说，光脉冲204的存在表示资源的可用性并且被称为“令牌”。当令牌存在时，资源是可用的，而当令牌不在时，资源是不可用的。六个探测器中的每一个均可以电子地耦合到不同的节点 (未图示)。期望使用资源的节点“导通”它们相应的探测器。不想使用资源的节点使其相应的探测器“截止”。因此，如图2的示例中所示，电子地耦合到探测器206的节点提取整个令牌，取得对相应资源的独占式访问，而电子地耦合到下游的探测器208的节点必须等待下一个可用的令牌。光学令牌时隙仲裁图3示出根据本发明的一个或多个实施例配置的仲裁系统300的示例。仲裁系统 300使得四个节点P0，P1，P2以及P3中的每一个均能够控制对于特定资源的访问。仲裁系统300包括通过四个节点中每一个的环路波导302。每个节点包括相邻设置并位于波导302 中行进的光的渐逝场内的注入器。例如，节点PO包括标记为IO的注入器，节点Pl包括注入器II，等等。每个节点还包括标记为D0，D1，D2以及D3的一组四个的探测器。这些探测器也相邻波导302设置，并且位于波导302中行进的光的渐逝场内。每个注入器和每个探测器配置为在“导通”时具有与光的特定波长的共振。例如， 注入器10，II，12以及13在“导通”时，分别与波长Xci, X1, λ 2以及λ 3共振，并且探测器 D0，D1，D2以及D3在导通时也分别与波长λ。，A1, λ 2以及λ3共振。操作注入器以将令牌(即光脉冲)放置到波导302上，该令牌向其它节点指示由该节点控制的资源是可获得来使用的。例如，在由节点PO控制的资源可以由节点Pl，Ρ2以及Ρ3使用时，节点PO将注入器10变为“导通”一段时间，并且将具有波长λ ^的令牌放置在波导302上。在某些实施例中，可以由来自相邻于注入器IO设置的功率波导(未图示)的渐逝耦合光将令牌注入到波导中。功率波导可以配置为环绕仲裁波导的外部，并且光耦合至诸如激光器或发光二极管(“LED”)的光源，该光源提供了具有波长Xci, λ” λ 2以及λ 3的连续光源。在其它实施例中，光源可以相邻于注入器IO设置，并且经由注入器IO将光从光源渐逝地耦合到仲裁波导。期望使用资源的节点“导通”与资源相关联的令牌相对应的探测器，并且等待提取和探测波导302上的令牌。资源可以位于诸如输出端口的特定节点，或者资源可以是能够由多于一个的节点使用的共同或共享的资源，诸如总线波导或用于传输在光学信号中编码的信息的被称为 “信道”的特定频率的光。具有可用资源的节点被称为“主节点”，并且将任何需要使用资源的节点称为“请求节点”。术语“主节点，，和“请求节点，，是相对的术语，并且用于区分具有可用资源的节点与需要使用资源的其它节点。例如，在一个时刻，第一节点可以是第二节点的主节点，并且在随后的时刻，第一节点可以是对于第三节点的请求节点。在令牌时隙仲裁中，令牌的持续时间可以与其中请求节点得到对于可用资源的访问的时隙或时长相对应，或者令牌的物理长度可以与固定长度或物理时隙或部分信道相对应。在仲裁波导上循环的令牌与这些时隙一一对应。例如，一个信息分组可以表示一个时隙。图4Α示出根据本发明的一个或多个实施例的令牌和相应的信道时隙的第一示例。图 4Α包括请求节点的本地时钟信号402。线段404表示令牌。在图4Α的示例中，令牌404具有4个时钟周期的持续时间，但是因为令牌是在仲裁波导中行进的光脉冲，所以令牌也具有物理长度。在某些实施例中，令牌404的长度可以对应于信道中由请求节点用来将信息传输给主节点的时隙的物理长度。矩形406表示信道中与相应的令牌404具有大致相同的物理长度的时隙。请求节点等待令牌404的到达，移除令牌404，并且在相应时隙406中调制信道的光。在本实施例中，令牌能够相距约四个时钟周期间隔。时隙406可以表示一个信息分组。注意，令牌404的到达先于时隙406 —些固定数量的时钟周期，诸如两个或两个以上的时钟周期，该时钟周期用来设置用于传输的数据。还应注意令牌404与时隙406的两个时钟周期相重叠。这允许提供还尚未与信息编码的令牌。可以经由单独的波导将信道携载至主节点。时隙406由调制光(S卩，数据)占用，直到时隙到达主节点，该主节点移除数据，释放时隙。同时，主节点继续注入令牌。本发明的实施例并不限于持续时间或长度与信道的时隙相同或者具有与资源可以使用的持续时间相同的持续时间的令牌。在实践中，由主节点产生的令牌可以具有任意适当的长度。图4Β示出根据本发明的一个或多个实施例的令牌和相应的信道时隙的第二示例。在该实例中，与时隙406相对应的令牌408大约是一个时钟周期。请求节点等待令牌408的到达，移除令牌408并在相应的时隙406中调制光。
图5A-图5C示出根据本发明的一个或多个实施例在示例性操作期间仲裁系统300 的瞬态图。在图5A-图5C中示出的示例中，节点PO是控制对资源访问的主节点，由节点P1， P2以及P3使用这样的信道发送信息至节点P0。为了简洁和简单，仅示出了 PO的用于放置与资源相对应的令牌的注入器，并且仅示出了节点Pl，P2以及P3的用于提取由节点PO产生的令牌的探测器。如图5A的瞬态图中所示，节点PO将由方向箭头501-505表示的令牌放置到仲裁波导302上。令牌501-505在时间和距离上大致有规律地间隔，并且具有大致相同的长度。令牌可以与资源的时隙一一对应。假设过了一段时间后，节点P2需要使用由节点PO控制的资源。如图5B的瞬态图中所示，节点P2 “导通”探测器508，并且开始从波导302提取令牌510。节点P2如上文参照图4所述的那样开始使用资源。如图5C的瞬态图中所示，由节点P2提取的令牌不通过节点P3。因此，节点P3并未具有对与由节点P2提取的令牌510相关联的资源的访问。例如，在资源是用于将信息传输给节点PO的信道的情况下，因为令牌510已经由节点P2提取，所以在该信道中的相应时隙不能由节点P3用来将信息发送给节点P0。如果节点P3想要将信息发送给节点P0，则节点P3必须等待下一个可用的令牌，从波导302中提取令牌，并且调制信道中相应的时隙以编码信息。仅当资源可用时，令牌时隙仲裁才通过简单地发出令牌来编码流程控制信息。因此，每一个令牌表示单个信用，并且如果请求节点移除了令牌，则它也已经保留了对主节点的资源的访问。当放弃访问时，主节点发出令牌。例如假设对于信道带宽的总需求小于其固有的最大带宽和主节点释放缓冲时隙的速率两者。上述令牌时隙仲裁可以公平地满足该需求。然而，在请求节点的总需求超过该最大可实现的服务速率时，会产生公平问题。在实践中，满输入缓冲器将抑制请求节点， 以使得它们的总分组插入速率接近但从不超过该速率。光学公平令牌时隙仲裁在上述令牌时隙仲裁中，上游节点(即，沿着波导靠近主节点的节点)在获取令牌时优先于位于更远的下游的节点。由上游节点取得令牌阻止了下游节点获取对主节点所提供的所需资源或服务的访问。被上游节点剥夺了资源的下游请求节点被称为“饥饿” (hungry)节点。例如，回到图5A-图5C所示的示例，如果节点Pl和P2获得由主节点 PO注入到波导中的令牌，则会拒绝请求节点P3对于由节点PO所提供的资源和服务的访问， 并且节点P3成为“饥饿”节点。因此，上述令牌时隙仲裁固有地不公平，因为它给了上游节点更高的优先级。在另一方面，本发明的公平令牌时隙仲裁实施例确保了公平性，因为通过在返回到令牌时隙仲裁之前探测饥饿节点并且随后以某个次序为这些节点中的每个服务一次，来几乎同等地对待每个请求节点。基本思想是在上述令牌时隙仲裁和以循环的方式将信用分配给发送者的替代之间进行切换。换句话说，在对于资源的需求很少的时段期间，使用上述令牌时隙仲裁。然而，当出现了对于资源的较高需求时，请求节点可能接收小于它们所需的服务。在返回到令牌时隙仲裁之前，公平令牌时隙仲裁每个周期一次地将固定量的信用提供给服务下的请求节点。图6示出根据本发明的一个或多个实施例配置的公平令牌时隙仲裁系统600的示例。系统600包括仲裁波导602，饥饿波导603以及广播波导604。如图6所示，仲裁、饥饿以及广播波导是通过每一个节点的环形波导。系统600使得主节点PO能够控制对提供给节点P1，P2以及P3的资源的访问。系统600包括由主节点PO操作并电子耦合到主节点PO 的注入器608-610以及探测器612-614。如图6的示例中所示，注入器608-610分别渐逝地耦合到仲裁、饥饿以及广播波导602-604，并且探测器612-614也分别渐逝地耦合到仲裁、 饥饿以及广播波导602-604。系统600还包括电子耦合到节点Pl以及分别渐逝地耦合到波导602-604的探测器616-618 ；电子耦合到节点P2以及分别渐逝地耦合到波导602-604 的探测器622-624 ；以及电子耦合到节点P3以及分别渐逝地耦合到波导602-604的探测器626-628。主节点PO将令牌注入到仲裁波导602，并将光注入到饥饿和广播波导603和 604，所述令牌和光在由方向箭头630标识的同一方向行进。注意，广播波导604包括分别将由广播波导604携载的部分光转向到探测器620，624以及628的分离分配器(fractional splitter)632-634。在某些实施例中，可以通过渐逝地耦合来自相邻于注入器608-610设置的单独功率波导(未图示)的光，将令牌和光注入到波导602、603以及604中。功率波导可以配置为环绕在相应的波导602-604的外部，并且光耦合至诸如激光器或LED的光源。在其它实施例中，可以将光源相邻于注入器608-610布置，并且经由注入器608-610分别将光从光源渐逝地耦合进波导602-604。WSE和波导可以由诸如(“Si”)和锗(“Ge”)的元素半导体或III-V化合物半导体来构成，其中罗马数字III和V表示元素周期表的第三栏和第五栏中的元素。化合物半导体可以由诸如铝(“Al”)、镓("Ga")以及铟("In")的第三栏元素与诸如氮(“N”)、 磷(“P”)、砷(“As”)以及锑(“Sb”)的第五栏元素组合来构成。化合物半导体也可以根据III和V元素的相对量来进一步地分类。例如，二元半导体化合物包括具有经验式GaAs， InP, InAs,以及GaP的半导体；三元化合物半导体包括具有经验式GaAsyPh的半导体，其中 y的范围从大于0到小于1 ；以及四元化合物半导体包括具有经验式MxGahAsyPh的半导体，其中两者独立的χ和y的范围从大于ο到小于1。适合的化合物半导体的其它类型包括 II-VI材料，其中II和VI表示在周期表的第II栏和第VI栏中的元素。例如，CdSe，a^e， ZnS,以及ZnO是示例性的二元II-VI化合物半导体的经验式。可以将WSE配置为p-i-n结，并且电子地操作WSE，以控制与在相邻波导602-604 中行进的光的特定波长的共振。在某些实施例中，可以通过使用合适的P型和η型杂质掺杂围绕WSE的基底的内部和外部区域，来电子地操作本征(intrinSiC)WSE。P型杂质可以是将被称为“空穴”的空的电子能级引入WSE的电子带隙的原子。这些杂质也称为“电子受主”。N型杂质可以是将填充电子能级引入WSE的电子带隙的原子。这些杂质也可以称为 “电子施主”。例如，硼(“B”)、A1和( 是将空的电子能级引入Si的价带附近的ρ型杂质； 而P，As，以及Sb是将填充电子能级引入Si的导带附近的η型杂质。在III-V化合物半导体中，第VI栏杂质代替III-V格中第V栏的位置，并且用作η型杂质，并且第II栏杂质代替III-V格中第III栏的原子，以形成ρ型杂质。WSE的适度掺杂可以具有超过大约IO15杂质/cm3的杂质浓度，而核心404的更重掺杂可以具有超过大约IO19杂质/cm3的杂质浓度。可以使用用于形成纳米级光学设备的纳米印刷技术、反应离子刻蚀、聚焦波束铣削(milling)或任何其它众所周知的方法来形成系统600的波导和WSE。图7示出根据本发明的一个或多个实施例的请求节点在仲裁期间经过的三个状态的示例性状态图。如图7的示例中所示，每个请求节点处于三个可能状态之一满意701、饥饿702以及暂停703。如由方向箭头706-708所指示，请求节点从满意701到饥饿702到暂停703周期性的遍历状态图。当节点能够从仲裁波导提取令牌并由此使用资源时，请求节点处于满意状态701。在节点必须访问由主节点提供的资源或其它服务但又无法访问时， 请求节点进入饥饿状态702。例如，满意节点可以根据局部准则进入饥饿状态702，所述局部准则例如节点正在存储至少一个已在该节点存储长于某个时间阈值W的老分组，或者满意节点可以当其输入队列长度超过某个队列长度阈值时进入饥饿状态702，这是因为在进入饥饿状态的请求节点的队列中的分组数上可能存在上限。一旦饥饿请求节点已能够访问由主节点提供的资源或服务，请求节点进入其中该节点传递所有令牌的暂停状态703。饥饿节点并非无限期地保持在饥饿状态中，并且它们处于饥饿状态的时间可以受约束。暂停状态使得其它饥饿下游节点轮流访问令牌。下文参照图9A-图9D中的具体示例来更加详细地描述在公平令牌时隙仲裁中的经过状态701-703。图8示出根据本发明的实施例资源在仲裁期间经过的两个状态的示例性状态图。 资源由主节点来控制，并且交替地通过由主节点分配的充裕和饥荒状态802和804。当主节点经由饥饿波导来接收至少一个请求节点处于饥饿状态702的通知时，出现饥荒状态802。 使用广播波导来将饥荒状态804通报给节点，其中除了饥饿请求节点以外的所有节点均停止试图从仲裁波导提取令牌。在饥荒状态期间注入仲裁波导的令牌称为“饥荒令牌”。在饥荒状态804期间，仅饥饿请求节点可以提取饥荒令牌，而其它节点让饥饿令牌不受干扰地通过。在饥荒状态期间，每个饥饿节点按从最近的上游饥饿节点至最远的下游饥饿节点的顺序获得对资源的访问。当饥饿节点完成使用资源时，饥饿节点进入暂停状态。一旦所有饥饿节点已完成使用资源，并且进入暂停状态703，主节点通过饥饿波导接收通知，并且资源进入充裕状态802。在充裕状态期间注入仲裁波导中的令牌称为“充裕令牌”。重新开始令牌时隙仲裁，并且任何节点均能够取得可用的充裕令牌。下文参照图9A-图9D中的具体示例来更加详细地描述在公平令牌时隙仲裁中的经过状态802和804以及使用饥饿和广播波导。现在参照图7、图8以及图9A-图9D来描述使用上文参照图6描述的示例性仲裁系统600进行的公平令牌时隙仲裁的示例。图9A-图9D示出根据本发明的一个或多个实施例在示例性操作期间仲裁系统600的瞬态图。在以下描述中，假定资源是由节点PI、P2 以及P3用来发送信息至节点PO的信道。换句话说，节点PO是主节点，并且节点PI、P2以及P3可以是请求节点。信道可以在单独的波导(未图示)上携载，该单独的波导通过节点 PU P2以及P3的每一个并且在节点PO终止。应当注意，以下描述的仲裁系统和方法并不限于提供信道的仲裁，还可以用于控制对诸如总线、输入和输出端口以及其它共享设备和由主节点提供的服务的其它资源的访问。假设初始时节点P1、P2以及P3处于图7中所示的满意状态701，并且信道处于图8 中所示的充裕状态。如图9A的瞬态图中所示，因为主节点PO控制对信道的访问，所以节点 PO “导通”注入器609，以便将持续的光流902注入饥饿波导603，并且“导通”探测器613， 以便提取饥饿波导603上的光902并确认光902的存在。当在探测器613处探测到光时， 如上文参照图4-图5所述那样在仲裁波导602上执行令牌时隙仲裁。节点PO “导通”探测器612，以便从仲裁波导提取任何未提取的令牌。如图9A的瞬态图中所示，节点Pl处于以下过程中提取令牌904，获得对于在信道中用于将信息发送至节点PO的相应时隙的独占式访问。注意，节点P1、P2以及P3已经分别“导通”探测器620、624以及628，并且等待广播波导604上来自节点PO的广播。现在假设当节点Pl已从仲裁波导提取令牌，则节点P2已进入饥饿状态，这是因为在节点P2能够从仲裁波导提取令牌之前，无法发送去往节点PO的分组。换句话说，分组已经在节点P2存储长于W，或节点P2的队列长度大于L。返回图7，节点P2从满意状态701 转变到饥饿状态702，并且标记存储在用于信道的输入队列中的分组。如图9B所示，节点 P2导通探测器622-624，并且开始从饥饿波导603提取光902。返回图8，当节点PO在探测器613处不再探测到光时，节点PO将信道设置在饥荒状态804，并且开始在广播波导上将饥荒状态广播至节点P1、P2以及P3。如图9C所示，当节点PO使信道进入饥荒状态时，节点PO “导通”注入器610以及探测器614，并且将光906 注入广播波导604。由探测器620、624以及拟8来转向光906的一部分，从而向节点Pl、P2 以及P3变更信道是饥荒状态。因为节点Pl并没处于饥饿状态，所以节点Pl “截止”探测器618，并且节点P3使得探测器626 “截止”。在另一方面，节点P2使得探测器622和623 导通，并且从仲裁波导提取令牌908，并且继续从饥饿波导提取光902。节点P2连续地提取令牌直到刷新标记的分组为止。尽管有在已经宣布饥饿状态之后到达节点P2的任何分组加入队列，但这些分组不会在饥荒状态期间被标记和发送。一旦节点P2发送最后的标记分组，节点P2进入图7中所示的暂停状态703，其中节点P2 “截止”探测器623和622，允许光902在饥饿波导603上通过，并且节点P2传递所有的饥荒令牌，或在饥荒状态期间发送的令牌。返回至图8，当节点PO在饥饿波导上探测到光时，节点PO重新进入充裕状态802。如图9D的瞬态图中所示，节点P2已“截止”探测器 622和623，恢复饥饿波导603上的光902。当节点PO在探测器613处探测到光时，节点PO 截止注入器610，随后节点PI、P2以及P3不再探测到广播波导604上的广播，并且节点P2 会进入满意状态，并且令牌时隙仲裁再次恢复。在下一个时钟周期，如果节点P2需要，节点 P2能够转变为饥饿状态。一般而言，没有节点能够无限期地保持在饥饿状态。例如，假设节点h变为饥饿。 其如上所述那样断言它的饥饿，该饥饿到达主节点并且转变为饥荒状态。在以下讨论中，术语“当前饥荒”表示连续时钟周期的时期，其包括节点h的饥饿信号到达主节点的时钟周期，主节点发出饥荒令牌的时钟周期。在节点h处于饥饿状态的同时，随后进入饥饿状态的其它上游饥饿节点可以取得当前饥荒的饥荒令牌。这些节点中没有任何一个在当前饥荒期间将取得多于L的令牌，因为取得L的任何节点必须已经刷新其缓冲器，并且进入暂停状态，在队列中保持新到达的分组。在先前的饥饿上游节点已进入暂停状态之后，节点h将最终接收足够的分组以刷新来自其输入队列的标记分组，进入暂停状态，并对饥饿取消断言 (de-assert)。在节点变为饥饿时进入了饥饿状态的所有节点进入暂停状态之前，没有节点返回到饥饿状态。图10示出根据本发明的一个或多个实施例总结了在通过图7和图8中所示的状态图的转变中由请求节点和主节点所进行的步骤的示例性控制流程图。在步骤1001中，主节点将令牌注入到仲裁波导。在步骤1002中，主节点将光注入到饥饿波导。在步骤1003 中，请求节点识别用于进入饥饿状态的准则。例如，请求节点可能实现分组等待时间大于W 或者输入队列长度大于L。在步骤1004中，如上文参照图9B所述的那样，请求节点“导通”将光从饥饿波导转向的探测器。在步骤1005中，主节点在饥饿波导上没有探测到光，并进入饥荒状态。在步骤1006中，如上文参照图9C所述的那样，主节点在广播波导上进行广播，以使得其它非饥饿节点停止从仲裁波导取得令牌。在步骤1007中，饥饿请求节点从仲裁波导提取令牌。在步骤1008中，请求节点使用资源。在步骤1009中，请求节点进入暂停状态，并且停止将光从饥饿波导和从仲裁波导偏向。在步骤1010中，主节点探测到饥饿波导上的光，并进入充裕状态。在步骤1011中，主节点停止在广播波导上广播。在步骤1012 中，请求节点不再探测到广播波导上的光，这指示饥荒状态已经结束，并且进入其中节点能够从仲裁波导提取令牌的满意状态。在步骤1013中，当令牌可用时，请求节点能够使用资源。可扩缩性本发明的仲裁系统和方法实施例并不限于具有恰好四个节点的系统。仲裁系统和方法可以放到或缩小，以便容纳任意数量的节点。例如，可以将系统和方法实施例应用到多核心处理器。因为当核心数随着摩尔定律增长时芯片面积基本固定，所以在N核心芯片中的每个核心具有与1/N成比例的面积，并且具有与成比例的长度和宽度。仲裁、饥饿、 广播以及功率波导可以配置为沿着拜访所有N个核心的路径。图11示出根据本发明的一个或多个实施例具有由虚线1102标识的通过每个核心的路径的示例性16核心芯片的示意性表示。路径1102表示通过每个核心的仲裁、饥饿、广播以及功率波导。波导在长度上按
照一个核心的NX宽度(即，= 0(、/ \Γ|)而扩缩。例如，在具有5GHz时钟的576mm2芯片上
N等于64时，飞行时间是8个时钟周期。电子令牌仲裁器延迟在每个节点的令牌，并因而具有较高的时延。为了解释，前述描述使用特定的术语，以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，为了实施本发明，这些特定细节并非必需的。为了说明和描述的目的，给出了本发明的特定实施例的前述描述。它们并不旨在是本发明的详尽描述，或者将本发明限制于所公开的精确形式。显而易见的是，根据上面的教导能够进行许多修改和变型。示出和描述这些实施例，以便最好地解释本发明的原理以及其实际应用，从而使得本领域其他技术人员能够最好地利用本发明，以及具有适于所设想的具体使用的各种修改的各种实施例。旨在由所附权利要求及其等价体来限定本发明的范围。
权利要求
1.一种仲裁系统，包括环形仲裁波导(602)；环形饥饿波导(603)；以及环形广播波导(604)，其中将所述仲裁波导、所述饥饿波导以及所述广播波导光耦合至主节点以及多个请求节点，所述仲裁波导传输由所述主节点注入的令牌，由请求节点提取的每个令牌获得在所述令牌的持续时间或长度内对于资源的访问，所述饥饿波导传输由所述主节点注入的光，并且该光被在饥饿状态中的请求节点提取，以及所述广播波导传输由所述主节点注入的光，用于指示未处于饥饿状态的请求节点停止从所述仲裁波导提取令牌。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括光耦合至所述仲裁波导的第一注入器(608)；光耦合至所述饥饿波导的第二注入器(609)；光耦合至所述广播波导的第三注入器(610)，其中所述第一注入器、所述第二注入器以及所述第三注入器电子耦合至所述主节点并由所述主节点操作，以使得操作所述第一注入器以将令牌注入到所述仲裁波导，操作所述第二注入器以将光注入到所述饥饿波导，以及操作所述第三注入器以将光注入到所述广播波导。
3.根据权利要求1所述的系统，其中对于每个节点，所述仲裁系统还包括光耦合至所述仲裁波导的第一探测器(612，618)；光耦合至所述饥饿波导的第二探测器(613，619)；光耦合至所述广播波导的第三探测器(614，620)，其中所述第一探测器、所述第二探测器以及所述第三探测器电子耦合至所述节点并由所述节点操作，以使得操作所述第一探测器以从所述仲裁波导提取令牌，操作所述第二探测器以从所述饥饿波导提取光，以及操作所述第三探测器以从所述广播波导提取光。
4.根据权利要求1所述的系统，其中令牌是具有有限持续时间和长度的光脉冲004)。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述广播波导还包括所述请求节点处的分离分配器(632-634)，每个分配器配置为将由所述广播波导携载的光的一部分转向到所述请求节点ο
6.一种主节点控制对于资源的访问的方法，该资源被提供给多个请求节点使用，所述方法包括将令牌注入到环形仲裁波导(1001)；将光注入到环形饥饿波导(1002)；当注入到所述饥饿波导的所述光没有沿着所述饥饿波导返回到所述主节点时，仅授予饥饿状态中的请求节点对于所述令牌的独占式访问(1005，1006)；以及当注入到所述饥饿波导的所述光沿着所述饥饿波导返回到所述主节点时，授予所述请求节点对于所述令牌的访问(1010，1011)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中将令牌注入到所述仲裁波导还包括将具有有限持续时间和长度的光脉冲(404)注入到所述仲裁波导。
8.根据权利要求6所述的方法，其中授予请求节点对于所述令牌的访问还包括执行令牌时隙仲裁。
9.根据权利要求6所述的方法，其中当注入到所述饥饿波导的所述光没有沿着所述饥饿波导返回到所述主节点时还包括由饥饿状态中的所述请求节点提取所述饥饿波导上的所述光。
10.根据权利要求6所述的方法，其中仅授予饥饿请求节点对于所述令牌的独占式访问还包括将光注入到广播波导，用于指示未处于所述饥饿状态的请求节点停止从所述仲裁波导提取令牌。
11.一种用于授予请求节点访问由主节点控制的资源的方法，所述方法包括 识别用于使所述请求节点进入饥饿状态的准则(1003)；向所述主节点通知所述请求节点处于所述饥饿状态(1004)，其中所述主节点授予所述请求节点对于在环形仲裁波导中传输的一个或多个令牌的独占式访问；以及从所述仲裁波导提取一个或多个令牌(1007)，每个令牌授予所述请求节点在所述令牌的持续时间或长度内对所述资源的独占式访问。
12.根据权利要求11所述的方法，其中识别用于使所述请求节点进入饥饿状态的准则还包括至少以下之一确定分组何时已经在所述请求节点处存储得长于时间阈值；以及确定所述请求节点的输入队列长度何时超过队列长度阈值。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括周期性转变所述请求节点通过所述饥饿状态 (702)、暂停状态(703)以及满意状态(701)。
14.根据权利要求11所述的方法，其中向所述主节点通知所述请求节点处于所述饥饿状态(1009)还包括在所述请求节点处从饥饿波导提取光，其中由所述主节点注入所述光。
15.根据权利要求11所述的方法，其中从所述仲裁波导提取令牌还包括导通相邻于所述仲裁波导设置的探测器，所述探测器配置为从所述仲裁波导提取所述令牌。
全文摘要
本发明的各种实施例涉及仲裁系统和方法。在一个实施例中，仲裁系统包括环形仲裁波导(602)、环形饥饿波导(603)以及环形广播波导(604)。将所述仲裁、饥饿以及广播波导光耦合至主节点以及多个请求节点。所述仲裁波导传输由所述主节点注入的令牌。由请求节点提取的令牌授予该节点在所述令牌的持续时间和长度内对于资源的访问。所述饥饿波导传输由所述主节点注入的光。在饥饿状态中的请求节点从所述饥饿波导提取所述光。所述广播波导传输由所述主节点注入的光，以使得所述光指示未处于饥饿状态的请求节点停止从所述仲裁波导提取令牌。
文档编号G06F13/364GK102483727SQ200980161282
公开日2012年5月30日 申请日期2009年12月10日 优先权日2009年12月10日
发明者N·L·宾格特, R·S·施雷博 申请人:惠普开发有限公司