DE2231146C3 - Datenverarbeitungsanlage mit virtueller Adressierung - Google Patents
Datenverarbeitungsanlage mit virtueller AdressierungInfo
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- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F12/00—Accessing, addressing or allocating within memory systems or architectures
- G06F12/02—Addressing or allocation; Relocation
- G06F12/08—Addressing or allocation; Relocation in hierarchically structured memory systems, e.g. virtual memory systems
- G06F12/12—Replacement control
- G06F12/121—Replacement control using replacement algorithms
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- G06F12/1027—Address translation using associative or pseudo-associative address translation means, e.g. translation look-aside buffer [TLB]
- G06F12/1045—Address translation using associative or pseudo-associative address translation means, e.g. translation look-aside buffer [TLB] associated with a data cache
- G06F12/1063—Address translation using associative or pseudo-associative address translation means, e.g. translation look-aside buffer [TLB] associated with a data cache the data cache being concurrently virtually addressed
Description
Die Erfindung betrifft eine Datenverarbeitungsanlage mit virtueller Adressierung mit einer Zentraleinheit,
einem Hauptspeicher hoher Speicherkapazität, einem schnellen Pufferspeicher kleinerer Kapazität, einem
E/A-Kanal und einem Adressenumsetzer, wobei die Zentraleinheit Adreßsignale als virtuelle Adressen
liefert, während in dem mit der Zentraleinheit verbundenen Hauptspeicher Daten blockweise unter
reellen Adressen abspeicherbar sind.
Stand der Technik
In Speicher-Steuersystemen gemäß dem Stand der Technik, wie sie beispielsweise in den US-Patentschriften
32 17 298, 32 18 611 und 32 48 703 beschrieben sind,
erfordert die Steuerung eines mit virtueller Adressierung arbeitenden gepufferten Speichersystems eine
gesonderte Unterroutine unter Steuerung eines Befehlsübertragungsspeichers, der beispielsweise ein Festwertspeicher
sein kann, um Adresseninformation und entsprechende Daten zwischen einem Hauptspeicher
(Hochgeschwindigkeits-Pufferspeicher) und einem sekundären Speicher (eine Speichereinheit mit hoher
Kapazität und relativ geringer Verarbeitungsgeschwindigkeit) zu übertragen. Die in den obengenannten
I)S-Patentschriften beschriebenen Systeme erfordern neben dem Hauptspeicher und dem Sekundärspeichcr
noch einen Arbeitsspeicher und einen Speicher für den Übertragungsbefehl sowie ein Blockregister für den
Hauptspeicher, ein Programmblockregister und ein weiteres Befehhlistenregister. Außerdem ist dort die
Verwendung eines mit virtueller Adressierung arbeitenden gepufferten Speichersystems nur in Verbindung mit
einer Zentraleinheit angegeben.
Die Hauptnachteile der dort beschriebenen Systeme sind die hohen Anforderungen an Speicherraum, die
oben im einzelnen aufgeführt sind. Außerdem ist in diesen Patentschriften nicht gezeigt, wie ein mit
virtueller Adressierung arbeitendes gepuffertes Speichersystem in einer Datenverarbeitungsanlage
dann benutzt werden könnte, wenn mehr als eine der damit zusammenarbeitenden Einheiten gleichzeitig
Zugriff zu dem Speichersystem zu erhalten versucht, wie z. B. in einem Multiprocessing-System, wo mehr als eine
Zentraleinheit mit dem gleichen Speicher zusammenarbeitet oder in einer modular aufgebauten Datenverarbeitungsanlage,
wo die Eingabe-/Ausgabe-Anforderung durch einen Eingabe-/Ausgabe-Kanal bedient wird, der
direkten Zugriff zum Speicher hat.
In Teilnehmer-Datenverarbeitungs-Systemen mit gleichzeitigem Ablauf mehrerer Programme werden
normalerweise Speicher mit extrem hoher Kapazität benötigt, eine Kapazität, die wesentlich höher ist als die
des tatsächlichen Hauptspeichers. Die gesamte Kapazitat, die dü.'ch ein System adressiert werden kann, wird
durch die virtuelle Speicherung innerhalb des Systems bestimmt So kann beispielsweise eine Adressierung mit
24 Bit 224 oder angenähert 16 Mill, adressierbare Bytes
liefern. Zum Adressieren kann der virtuelle Speicher in Segmente und jedes Segment wiederum in Seiten
unterteilt werden, wobei jede Seite aus einer vorbestimmten Anzahl von Bytes besteht. Indem man
Programme in Segmente mit Seiten unterteilt, kann der Hauptspeicher seitenweise zugeordnet werden. Somit
können die einzelnen Seiten im Hauptspeicher wahlfrei adressiert werden, in den Hauptspeicher überführt oder
aus diesem wieder ausgespeichert werden, je nachdem, welche Seiten benötigt werden. Eine beliebige Anordnung
der Seiten im Hauptspeicher erfordert natürlich die Einrichtung von Seitentabellen, die die tatsächliche
oder wirkliche Lage der Seite im Speicher anzeigt. Somit gibt eine einzelne Seitentabelle die wirklichen
Speicherplätze aller Seiten eines bestimmten Segments wieder. Andere Seitentabellen geben die wirklichen
Speicherplätze der anderen Segmenten zugeordneten Seietn des virtuellen Speichers wieder. Demgemäß
erfordert die beliebige Verteilung der Seitentabellen die Erstellung einer Segmenttabelle, die die tatsächliche
oder wirkliche Position der Seitentabellen wiedergibt. r> Die Segmenttabellen und Seitentabellen werden für
einen Benutzer im Hauptspeicher gehalten und werden dazu benutzt, die virtuelle Adresse eines Benutzers in
die echte Adresse umzuwandeln, d. h. in eine echte Speicherposition im Hauptspeicher der gewünschten
Seile. Die Adressenumsetzung ist also die Umwandlung der virtuellen Adresse in die tatsächlichen oder echten
Adressen im Hauptspeicher (vgl. Lexikon der Datenverarbeitung, 1969, S. 542 - 545).
Das Format einer aus 24 Bit bestehenden virtuellen v>
Adresse kam in drei Felder unterteilt werden, nämlich rias Segmentield (Bits 8-11). das Seitenfeld (Bits
12- 19) und das Bytefeld (Bits 20-31). In einem solchen
Format besieht der virtuelle Speicher aus 16 Segmenten, wobei jedes Segment 256 Seiten und jede Seite bis Γ>ο
zu 4096 Bytes enthält. Auf Wunsch kann das Segmentfeld noch erweitert werden (Bits 0 — 7), um ein
mit 32 Bit arbeilendes Adressiersystem zu schaffen, das
dann 4096 Segmente aufweisen würde. Das Segmentfeld dient dabei als Index für eine Eintragung in die v,
Segmenttabelle. Eine Eintragung in die Segmenttabelle enthält dabei einen Wen, der die Basisadresse der dem
durch das Segmentfeld bezeichneten Segment zugeordneten Seitentabelle entspricht. Das Seite.ifeld dient als
Index für eine Eintragung in die Seitentabelle. Die bo
Eintragung in der Seitentabe"" enthält einen Weil, der
die echte oder tatsächliche Adresse der Seite darstellt. Das Verschiebefeld erfährt während der Adressenumsetzung
eine Änderung und wird mit der umgesetzten Seitenadresse kombiniert, um die tatsächliche oder br>
echte Adresse des Hauptspeichers zu bilden. Um eine Wiederholung dieser Umsetzung für jede Speicherbeziehung
zu vermeiden, wird ein Assoziativspeicher vorgesehen, der aus einer Anzahl von Registern besteht
Der Assoziativspeicher wird mit den echten Seitenadressen und den zugehörigen virtuellen Seitenadressen
(Segment- und Seitenfeld der virtuellen Adresse) der erst kürzlich angesprochenen Stiten geladen. Demgemäß
wird beim Beginn einer Umsetzung die zu übersetzende virtuelle Seitenadresse mit allen virtuellen
Seitenadressen verglichen, die in dem Assoziativspeicher eingespeichert sind. Wird eine Übereinstimmung
festgestellt, dann liefert das Register, das die übereinstimmende virtuelle Adresse enthält, die echte Seitenadresse
und die umgesetzte Adresse. Die echte Seitenadresse ist dann mit dem Byte-Verschiebeabschnitt
der virtuellen Adresse zur Bildung der echten Hauptspeicheradresse kombiniert 1st die zu übersetzende
Adresse im Assoziativspeicher nicht aufzufinden, wird eine in zwei Ebenen durchzuführende Suche nach
einer Segmenttabelle, Seitentabelie durchgeführt, um die entsprechende echte Seitenadresse aufzufinden.
Nach Ansprechen der Tabellen wird die neu aufgefundene echte Seitenadresse und die ihr zugeordnete
virtuelle Seitenadresse in ein Register des Assoziativspeichers für zukünftige Verwendung geladen. Eine
genauere Beschreibung der virtuellen Adressierung und der dynamischen Adreßumsetzung, wie sie hier
verwendet werden soll, findet sich in der US-Patent schrift 35 33 075.
In einem mit virtueller Speicherung arbeitenden System, das eine Zentraleinheil und durch eine
Kanaleinheit gesteuerte Eingabe-ZAusgabe-Einheiten mit einem Hauptspeicher enthält, liefert die Zentraleinheit
bei einer Anforderung an den Hauptspeicher eine virtuelle Adresse, die in ''iner dynamischen Adressenumsetzereinheit
in eine echte Adresse umgesetzt werden muß, bevor sie dem Steuerteil des Hauptspeichers
zugeführt werden kann, während die Kanaleinheit wenn sie eine Anforderung an den Hauptspeicher
abgibt, eine echte Adresse liefert, die umittelbar dem Steuerieil des Hauptspeichers zugeführt werden kann.
Mit dem Aufkommen gepufferter Speichersysteme wird meist ein Hochgeschwindigkeits-Pufferspeicher zusätzlich
zum Hauptspeicher vorgesehen. Dieser Hochgeschwindigkeits-Pufferspeicher hat die alleinige Aufgabe,
den Datenabruf zu beschleunigen und hat dabei die Wirkung eines schnelleren Hauptspeichers durch
Speicherung ausgewählter Blocks aus dem Hauptspeicher, bei denen die Wahrscheinlichkeit groß ist, daß sie
demnächst benutzt werden. Wenn ein adressierter Datenblock im Pufferspeicher liegt, kann eine Speicheroder
Abrufinformation rasch durchgeführt werden. Die Gesamtwirkung des Einsatzes von Pufferspeichern und
die Art ihrer Verwendung besteht darin, daß der Hauptspeicher scheinbar eine vvesentlich verkürzte
Zykluszeit hat.
Im Betrieb werden daher alle von der Zentraleinheit kommenden Anforderungen daraufhin überprüft, ob der
adressierte Speicherplatz sich im Puffer befindet. Enthält der Pufferspeicher den adressierten Speicherplatz
und ist dies eine Anforderung zum Datenabruf, dann führt der Pufferspeicher einen Arbeitszyklus aus,
und die gewünschten Daten werden an die Zentraleinheit übertragen, während für eine Speicherung die zu
speichernden Daten sowohl dem Pufferspeicher als auch dem Hauptspeicher zugeführt werden. Enthält der
Pufferspeicher den adressierten Speicherplatz nicht, dann wird die Anforderung sofort an den Hauptspeicher
für eni^n vollen Arbeitszyklus dieses Speichers weitergeleitet
Bei einem Datenabruf werden die im
Hauptspeicher abgerufenen Daten nach der Zentraleinheit überführt und außerdem für kommende Anforderungen
im Pufferspeicher abgespeichert, während bei einer Speicheranforderung die Daten nur im Hauptspeicher
abgespeichert werden. Beim Betrieb von Datenkanälen ist der Pufferspeicher beim Abruf von Daten aus
dem Hauptspeicher nicht betroffen. Der Hauptspeicher wird adressiert und dieDaten werden dem anfordernden
Datenkanal zugeführt. Wenn jedoch aus einem Datenkanal eine Speicheranforderung ergeht, wird der
Pufferspeicher überprüft, um festzustellen, ob sich der adressierte Speicherplatz im Pufferspeicher befindet,
und wenn dies so ist, werden die aus dem Datenkanal kommenden Daten sowohl im Pufferspeicher als auch
im Hauptspeicher eingespeichert. Befindet sich der adressierte Speicherplatz nicht im Pufferspeicher, dann
werden die aus dem Datenkanal kommenden Daten nur im Hauptspeicher abgespeichert.
Eine Art von Pufferspeichern, die in einem solchen System Verwendung finden kann, besteht aus einem
Adressenspeicher und einem entsprechenden Datenspeicher. Der Datenspeicher kann so aufgebaut sein,
daß er Blocks mit je 32 Bytes oder 4 Doppelwörtern enthält, während der Adressenspeicher so aufgebaut ist,
daß er die Blockadressen in 1 zu 1 Übereinstimmung mit den Datenblocks im Datenspeicher enthält. Demgemäß
werden in einem nicht mit virtueller Speicherung arbeitenden System die Blockadreßabschnitte der von
der Zentraleinheit oder dem Datenkanal kommenden Adressen mit den Blockadressen im Adressenspeicher
des Pufferspeichers verglichen, um zu bestimmen, ob der adressierte Speicherplatz sich im Pufferspeicher
befindet In einem mit virtueller Speicherung arbeitenden System, bei dem die Zentraleinheit virtuelle
Adressen liefert und die Datenkanäle Echt-Adressen übertragen, ergibt sich das Problem, wie im Pufferspeicher
die verschieden formatierten Adressen behandelt werden sollen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Datenverarbeitungsanlage mit virtueller Adressierung
zu schaffen, welche eine oder mehrere Zentraleinheiten, einen Hauptspeicher hoher Speicherkapazität, einen
schnellen Pufferspeicher kleiner Kapazität und einen oder mehrere Eingabe-/Ausgabekanäle enthält und bei
welcher der schnelle Pufferspeicher in der Lage ist, unterschiedlich formatierte Adressen, d. h. reelle Adressen
und virtuelle Adressen zu verarbeiten. Dadurch könnte, wie bereits erwähnt, eine bessere Ausnutzung
der vorhandenen Speicherkapazität erreicht werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß der mit der Zentraleinheit und dem Hauptspeicher verbundene schnelle Pufferspeicher aus einem virtuellen
Adreßpuffer und einem Datenpuffer besteht,
daß ferner ein Assoziativspeicher für die Speicherung von virtuellen Adressen und die entsprechenden reellen Adressen für den Hauptspeicher an die Zentraleinheit und an den Hauptspeicher anschaltbar ist,
daß mit dem Assoziativspeicher ein erster Vergleicher verbunden ist, der die von der Zentraleinheit kommenden virtuellen Adressen mit denen im Assoziativspeieher gespeicherten virtuellen Adressen vergleicht und bei erfolgreichem Vergleich ein erstes Steuersignal erzeugt, worauf, gesteuert durch dieses erste Steuersignal, die mit den vorgegebenen virtuellen Adressen verbundenen echten Adressen an den Hauptspeicher weitergegeben werden und
daß ferner ein Assoziativspeicher für die Speicherung von virtuellen Adressen und die entsprechenden reellen Adressen für den Hauptspeicher an die Zentraleinheit und an den Hauptspeicher anschaltbar ist,
daß mit dem Assoziativspeicher ein erster Vergleicher verbunden ist, der die von der Zentraleinheit kommenden virtuellen Adressen mit denen im Assoziativspeieher gespeicherten virtuellen Adressen vergleicht und bei erfolgreichem Vergleich ein erstes Steuersignal erzeugt, worauf, gesteuert durch dieses erste Steuersignal, die mit den vorgegebenen virtuellen Adressen verbundenen echten Adressen an den Hauptspeicher weitergegeben werden und
daß weitere mit der Zentraleinheit und dem Pufferspeicher
verbundene Schaltmittel vorgesehen sind, die auf die virtuellen Adressensignale aus der Zentraleinheit
ansprechen und an den Pufferspeicher für einen Zugriff zu einer Speicherposition im Pufferspeicher ein zweites
Signal liefern, das den aus der Zentraleinheit kommenden virtuellen Adressensignalen entspricht, wobei die
Übertragung der echten Adressen an den Hauptspeicher dann gesperrt wird, wenn bei einer Abrufoperation
durch die Zentraleinheit ein Zugriff zum Pufferspeicher erfolgt.
Vorzugsweise ist die Anordnung dabei so getroffen, daß ein echtes Adressensignal liefernde Eingabe-/Ausgabeeinheiten
über den E/A-Kanal bei Datenabruf im Hauptspeicher unmittelbar nach diesen durchschaltbar
sind.
Insbesondere ist es dabei von Vorteil, daß der ein echtes Adressensignal liefernde Eingabe-/Ausgabekanal
für einen Datenspeichervorgang mit einer zweiten Vergleicherschaltung zum Vergleich dieser echten
Adressen mit im Assoziativspeicher gespeicherten echten Adressen verbunden ist, daß bei positivem
Vergleich die im Assoziativspeicher gespeicherten entsprechenden virtuellen Adressen mit den in den
Adressenschaltungen des Adreßpuffers des Pufferspeichers gespeicherten virtuellen Adressen vergleichbar
sind und daß bei positivem Vergleich die von den Eingabe-/Ausgabeeinheiten kommenden Daten zusätzlich
zum Hauptspeicher auch noch an den den aufgefundenen virtuellen Adressen entsprechenden
Speicherplätzen im Datenspeicher abspeicherbar sind, wobei weiterhin der Assoziativspeicher eine Adressenübersetzungsschaltung
enthält, die der Umsetzung der von der Zentraleinheit kommenden virtuellen Adressen
in echte Adressen dient.
Von besonderem Vorteil ist es hierbei, daß die Austauschanordnung vorgesehen ist, in der Listen mit
der Benutzungsreihenfolge der aus dem Datenpuffer abgerufenen Datensätze eingespeichert sind, wobei
jedesmal dann, wenn ein Datenblock im Pufferspeicher erfolgreich angesprochen ist, die Identität dieses Blocks
in der entsprechenden Austauschliste an erster Stelle eingespeichert wird und daß bei erfolgloser Adressierung
des Pufferspeichers bei Überführung von Daten in den Pufferspeicher die Identität dieses Datenblocks in
der Austauschliste an letzter Stelle eingespeichert wird, um die übrigen schon früher benutzten Datenspeicher
im Pufferspeicher zu halten.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen
näher beschrieben. Dabei zeigt
F i g. 1 in einem Blockdiagramm eine die Erfindung
enthaltene Datenverarbeitungsanlage,
F i g. 2 in einem Blockdiagramm in größeren Einzelheiten
die Steuerung der Adressen- und Dateninformation in einem die Erfindung enthaltendem gepufferten
Speichersystem,
F i g. 3 in Form eines Blockdiagrammes im einzelnen den erfindungsgemäßen Pufferspeicher und die zugehörigen
Steuerschaltungen,
F i g. 4 in einem AbI auf diagramm die beim Betrieb des
die Erfindung enthaltenden Speichersystems ausgeführten Funktionsschritte,
Fig.5 in einem Diagramm das Format einer virtuellen Adresse und einer entsprechenden echten
Adresse,
Fig.6 in einem Diagramm die Tätigkeit einer Austauschanordnung und
F i g. 7 in einem Diagramm den Austauschalgorithmus für die Austauscheinheit
Da die Erfindung hauptsächlich in der neuen strukturellen Kombination an sich bekannter Schaltungen
der Rechenmaschinentechnik und nicht in deren speziellen Aufbau besteht, sind Steuerung und Anordnung
dieser bekannten Schaltungen und Einheiten in den Zeichnungen durch Blockdarstellungen und Prinzipschaltbild
wiedergegeben, die nur dann spezielle Einzelheiten zeigen, wenn sie sich auf die neue
Anordnung und ihre Arbeitsweise beziehen, um die Beschreibung nicht mit strukturellen Einzelheiten zu
belasten, die dem Fachmann bekannt sind. Verschiedene Teile dieses Systems wurden ebenfalls entsprechend
zusammengefaßt und vereinfacht, um nur die Teile besonders herauszuheben, die sich auf die Erfindung
beziehen.
Gemäß Fig. 1 ist in einer mit Pufferspeichern arbeitenden Datenverarbeitungsanlage die Zentraleinheit
CPU 100 mit dem als dynamische Adreßübersetzungseinheit arbeitenden Assoziativspeicher 300 über
die Leitungen 103, mit dem schnellen Pufferspeicher 200 über die Leitungen 102 und mit dem Hauptspeicher 400
über die Leitungen 201 und 402 verbunden. Der Eingabe-/Ausgabekanal 500 ist mit dem Pufferspeicher
200 und dem Hauptspeicher 400 über die Leitungen 502 und 204 verbunden. Der Pufferspeicher 200 ist mit dem
der dynamischen Adreßübersetzung dienenden Assoziativspeicher 300 über die Leitungen 203 verbunden.
Der Hauptspeicher 400 ist mit dem Assoziativspeicher 300 über die Leitungen 403 verbunden.
Der Hauptspeicher 400 kann natürlich aus vielen Speichereinheiten bestehen, die aus unterschiedlichen
Bauelementen wie Magnetkernen, Halbleiterschaltungen usw. aufgebaut sein können. Auch an den
Eingabe-/Ausgabekanal 500 können mehrere Arten von Eingabe-/Ausgabeeinheiten angeschlossen sein, die alle
über einen oder mehrere gemeinsame Kanäle angeschlossen sein können.
Die Zentraleinheit 100 kann entweder eine Vielzahl von Verarbeitungseinheiten, jede mit ihrem eigenen
Programm, oder eine mit mehreren Programmen arbeitende Verarbeitungseinheit darstellen. Die Programme
arbeiten alle gemeinsam auf den Hauptspeicher 400 durch Anwendung der virtuellen Adressierung,
in welcher die CPU 100 eine virtuelle Adresse und der Eingabe-/Ausgabekanal 500 eine echte Adresse der in
F i g. 5 gezeigten Art liefern.
In den Fig.2a und 2b ist die logische gegenseitige
Verbindung der die vorliegende Erfindung bildenden Stufen im einzelnen gezeigt.
Um die die Erfindung enthaltende Anlage zu beschreiben, müssen im Zusammenhang mit der CPU
100 die CPU-Abrufleitung 101, die CPU-Speicherleitung 103, die CPU-Adreßsammelleitung 105 und die Dateneingangs-Sammelleitung
119 sowie die Datenausgangs-Sammelleitung 131 betrachtet werden.
Um die Operationen im Eingabe-/Ausgabekanal 500 zu beschreiben, müssen die Kanalabrufleitung 501, die
Kanalspeicherleitung 507, die Kanaladreßsammelleitung 509 und die E/A-Dateneingangs-Sammelleitung
519 sowie die E/A-Datenausgangs-Sammelleitung 511 betrachtet werden.
Im Zusammenhang mit dem Hauptspeicher 400 sind die Dateneingangs-Sammelleitung 129, die Datenausgangs-Sammelleitung
401, die E/A-Dateneingangs-Sammelleitung 513 und die E/A-Datenausgangs-Sammelleitung
405 relevant Außerdem ist für eine Beschreibung der vorliegenden Erfindung die Speicheradreß-Sammelleitung
421 von Bedeutung.
CPU-Abruf
Bei einer CPU-Abrufoperation wird die CPU-Abrufleitung 101 erregt und entsperrt das Tor 102 zum
Weiterleiten der auf der Adreßsammelleitung 105 liegenden virtuellen Adreßinformation, Bits 8 bis 31, auf
die Ausgangsleitungen 109. Die Ausgangsleitungen 109 übertragen die virtuelle Adreßinformation der CPU
über die ODER-Glieder 106 an die Ausgangsleitungen 111. Die virtuelle Adresse (Bits 8 bis 31) wird über die
Leitungen 112 an die Eingänge der UND-Glieder 156 gegeben, die im entsperrten Zustand die virtuelle
Adresse der CPU an den als Adreßübersetzungseinheit arbeitenden Assoziativspeicher 300 übertragen, wo eine
Adreßübersetzung durchgeführt wird, um die virtuelle Seitenadresse der CPU in die echte Seitenadresse zu
übersetzen. Die Bits 8 bis 28 der virtuellen CPU-Adresse werden über die Leitungen 113 und 114 an den
Pufferspeicher 200 weitergeleitet, wo die Bits 8 bis 19, die virtuelle Seitenadresse, mit den dort befindlichen
virtuellen Seitenadressen verglichen werden, um festzustellen, ob die adressierte Stelle im Pufferspeicher 200
enthalten ist. Wenn das der Fall ist, wird mit den Bits 21 bis 28 eine Stelle im Pufferspeicher 200 adressiert. Die
Bits 20 bis 31 der virtuellen CPU-Adresse stellen das Bytefeld dar und werden über die Leitung 113 und 115
an die Eingänge der UND-Glieder 148 angelegt und dienen zur Adressierung des Hauptspeichers, wenn die
adressierte Stelle nicht im Pufferspeicher 200 gefunden wird. Die virtuelle Seitenadresse wird ebenfalls über die
Leitungen 116 an den Vergleicher 150 geleitet. Eine zweite Gruppe von Eingängen des Vergleichers 150 ist
mit den Ausgangsleitungen 301 der virtuellen Seitenadressen im Assoziativspeicher 320 verbunden. Die
Ausgangsleitungen 301 sind auch mit den UND-Gliedern 174 verbunden. Der Ausgang 151 des Vergleichers
150 ist an einen Entsperreingang der UND-Glieder 152, 158, 160, 126 und 128 sowie an den Inverter 154
angeschlossen.
Wenn in dem Vergleicher 150 ein positiver Vergleich erzielt wird, sperrt der Inverter 154 die UND-Glieder
156 über die Leitung 155. Dadurch kann die CPU-Adreßinformation nicht über die Leitungen 157 an
den als Adreßübersetzer arbeitenden Assoziativspeicher 310 übertragen werden. Wenn ein positiver
Vergleich in dem Vergleicher erzielt wird, werden außerdem die UND-Glieder 152 über die Leitung 151
entsperrt, zur Übertragung der auf den Leitungen 303 liegenden echten Seitenadreßinformation über die
Leitungen 153 an die UND-Glieder 146.
Somit verursacht ein erfolgreicher Vergleich zwischen der virtuellen Seitenadreßinformation der CPU
und der virtuellen Seitenadresse vom Assoziativspeicher 320 das Durchschalten der entsprechenden echten
Seitenadreßinformation an die UND-Glieder 146, die zusammen mit der Byte-Adreßinformation an den
Eingängen der UND-Glieder 148 die echte Hauptspeicheradresse liefert. Dementsprechend übertragen
die UND-Glieder 146 und 148 im entsperrten Zustand die echte Hauptspeicheradresse über die Leitungen 147
und 149 und über die ODER-Glieder 420 auf die Speicheradreßsammelleitung 421. Während einer CPU-Abrufoperation
sind die UND-Glieder 146 und 148 durch ein vom UND-Glied 158 über das ODER-Glied
162 an die Leitung 159 angelegtes Signal entsperrt.
Das UND-Glied 158 wird beim gleichzeitigen Auftreten eines positiven Vergleiches von dem Vergleicher
150 und eines negativen Vergleiches auf der
Leitung 213 wirksam, welcher anzeigt, daß die adressierte Stelle gegenwärtig nicht im Pufferspeicher
200 steht.
Wenn im Pufferspeicher 200 ein positiver Vergleich erzielt wird, wird die Vergleicherleitung 211 erregt, die
zu einem Eingang der UND-Glieder 122 führt, deren andere Eingänge durch die CPU-Abrufleitung 101 und
die Pufferdatensammelleitung 211 gebildet werden.
Bei einer CPU-Abrufoperation, in welcher die Vergleicherleitung 211 erregt und Daten auf der
Pufferdatensammelleitung 221 verfügbar sind, übertragen die UND-Glieder 122 daher die Daten über die
Leitungen 123 und über die ODER-Glieder 130 an die CPU-Datensammelleitung 131.
Wenn im Pufferspeicher 200 kein positiver Vergleich is
zustande kommt, wird die Leitung 213 erregt, die das UND-Glied 158 einschaltet, so daß der Hauptspeicher
400 adressiert und ein Ausgangssignal auf die Leitung 125 gegeben werden kann, die einen Entsperreingang
für die UND-Glieder 126 bildet. Wenn während einer CPU-Abrufoperation ein virtueller Seitenadreßvergleich'
in dem Vergleicher 150 erzielt wird, liefern die Leitungen 101 und 151 die anderen Entsperrimpulse an
die UND-Glieder 126 und leiten die auf der vom Hauptspeicher kommenden Datenausgangs-Sammelleitung
401 liegenden Daten über die Ausgangslehungen
127 nach den ODER-Gliedern 130 und 140 durch,
welche einmal die Daten über die Leitungen 131 an die CPU und über die Leitungen 141 zur Speicherung an
den Datenpuffer 220 abgeben. jo
CPU-Speicherung
Für die CPU-Speicheroperation ist die Leitung 103 erregt und liefert ein Entsperrsignal an die UND-Glieder
104, 160, 120 und 128. Die virtuelle CPU-Adreßin- j<5
formation auf der Adreßsammelleitung 105 wird über die UND-Glieder 104 auf die Leitungen 107 und über
die ODER-Glieder 106 auf die Ausgangsleitung 111 übertragen. Die virtuelle CPU-Adreßinformation wird
über die UND-Glieder 156, Vergleicher 150, die UND-Glieder 148 und den Pufferspeicher 200 genauso
benutzt, wie es oben für die CPU-Abrufinformation beschrieben wurde.
Wenn ein virtueller Seitenadreßvergleich in dem Assoziativspeicher erzielt wird, gibt dementsprechend 4r>
die Leitung 151 ein Entsperrsignal an die UND-Glieder
128 ab. Wenn im Pufferspeicher 200 kein Adreßvergleich
erzielt wird, gelangt ein zweites Entsperrsignal von der Leitung 213 über die Leitung 125 an die
UND-Glieder 128. Die CPU-Datensammelleitung 119 w wird dann nach der Ausgangsleitung 129 durchgeschaltet,
wodurch die Daten von der CPU an den Hauptspeicher 400 weitergegeben werden. Das UND-Glied
148 wird wieder wirksam gemacht, wenn ein Vergleich von dem Vergleicher 150 und kein Vergleich
auf der Leitung 213 zusammenfallen, um das Entsperren der UND-Glieder 146 über das ODER-Glied 162 und
die Leitung 159 zu gestatten und um die echte Hauptspeicheradresse an die Hauptspeichereinheit 400
weiterzuleiten. Wenn ein Pufferadreßvergleich erzielt wi
wird und die Leitung 211 erregt ist, werden die UND-Glieder 120 entsperrt, so daß die CPU auf den
Leitungen 119 liegende Daten über die Leitungen 121 an
die ODER-Glieder 140 übertragen kann, die die Daten über die Leitungen 141 an den Datenpuffer 220 und über vi
die Dateneingangs-Sammi 'leitung 129 an den Hauptspeicher
400 abgeben. Das UND-Glied 162 spricht auf von der Vergleicherleitung 151, der CPU-Speicherleitung
103 und der Puffervergleichsleitung 211 kommende aktive Signale an und leitet ein Signal über das
ODER-Glied 162 und die Leitung 159 zum Entsperren der UND-Glieder 146 und 148 weiter, damit diese die
echte Hauptspeicheradresse an den Hauptspeicher 400 abgeben können.
Sowohl bei der Abruf- als auch bei Speicheroperation der CPU ist eine Adreßübersetzungsfolge erforderlich,
um eine echte Seitenadresse zu erhalten, die mit der entsprechenden virtuellen Seitenadresse im Assoziativspeicher
320 gespeichert wird, wenn kein virtueller Seitenadreßvergleich in dem Vergleicher 150 erzielt
wurde. Die Ausgangsleitung 151 des Vergleichers 150 gibt im abgeschalteten Zustand ein Signal über den
Inverter 154 auf die Leitungen 155. Dieses Signal schaltet die UND-Glieder 156 ein, die die virtuelle
Seitenadreßinformation der CPU über die Leitungen 157 an den Adreßübersetzer 310 übertragen. Der
Adreßübersetzer 310 leitet dann eine Übersetzungsfolge zum Hauptspeicher ein, die über die Leitungen 311
und über das ODER-Glied 420 an die Speicheradreß-Sammelleitung
421 laufen. Wenn die übersetzte Adresse, d. h. die echte Seitenadresse, auf der Datenausgangssammelleitung
401 zur Verfugung steht, wird sie über die Leitungen 313 an den Adreßübersetzer 310
abgegeben. Der Adreßübersetzer 310 gibt dann die echte Seitenadresse und ihre entsprechende virtuelle
Seitenadresse über die Leitungen 315 an den Assoziativspeicher 320 ab. Die Arbeitsweise des Adreßübersetzers
ist in der US-Patentschrift 35 33 075 genauer beschrieben.
Anschließend wird eine Kanaldatenanforderung betrachtet, und zwar zuerst die Adreß- und Datensteuerungen,
die sich auf den Kanalabruf und die Kanalsteueroperationen
beziehen.
Kanalabruf
Wenn ein Kanalabruf eingeleitet wird, wird die Leitung 501 erregt, und die UND-Glieder 502 und 510
werden entsperrt. Das UND-Glied 502 überträgt die auf den Leitungen 509 liegende echte Kanaladreßinformation
über die Leitungen 503 an die ODER-Glieder 420 und somit an den Hauptspeicher 400. Wenn die
angeforderte Information auf den E/A-Datenausgangs-Sammelleitungen
405 zur Verfügung steht, übertragen die UND-Glieder 510 die Daten über die Leitungen 511
an den E/A-Kanal 500 und die Kanalabrufoperation ist abgeschlossen. Bei der Kanalabrufoperation ist weder
der Pufferspeicher 200 noch die Adreßübersetzung in irgendeiner Weise betroffen, sondern es erfolgt nur eine
unmittelbare Verbindung mit dem Hauptspeicher 400.
Kanalspeicherung
Bei einer Kanalspeicheroperation wird die Kanalspeicherleitung
507 betätigt und entsperrt die UND-Glieder 504, 512 und 514. Die UND-Glieder 504
übertragen die echte Kanaladreßinformation über die Leitungen 505 an die Eingänge der ODER-Glieder 420.
die mit der Speicheradreß-Sammelleitung 421 verbunden sind. Die Bits 8 bis 19 der echten Kanaladresse
werden auf eine erste Gruppe von Eingängen des Vergleichers 170 geleitel. Die Bits 21 bis 28 der echten
Kanaladresse werden ebenfalls über Leitungen 506 an den Pufferspeicher 200 geleitet und zur Adressierung
einer Steile in diesem Pufferspeicher 200 benutzt. Der Vergleicher 170 vergleicht eine echte Kanalseitenadresse
mit den echten Seitenadressen, die im Assoziativspeicher 320 gespeichert sind und über die Leitungen 303
auf eine zweite Gruppe von Eingängen des Vergleichers 170 geleitet werden. Wenn durch den Vergleicher 170
eine Übereinstimmung festgestellt wird, wird die Vergleicherleitung 171 betätigt und entsperrt die
UND-Glieder 174 zur Übertragung einer entsprechenden virtuellen Seitenadresse über die Leitungen 175 an
den Adreßpuffer 210 des Pufferspeichers 200.
Die entsprechende virtuelle Seitenadresse, die im Assoziativspeicher 320 gefunden wurde, wird mit der in
dem Adreßpuffer 210 liegendem virtuellen Seitenadresse verglichen. Wenn ein Pufferndressenvergleich erzielt
wurde und die Leitung 211 erregt ist, werden die UND-Glieder 514 entsperrt, so daß die auf den
Leitungen 519 liegende E/A-Dateneingangs-Sammelleitungsinformation
über die Leitungen 515 und die ODER-Glieder 140 übertragen werden kann, die Eingangssignale über die Leitungen 141 an den
Datenpuffer 220 liefern. Die auf den E/A-Datensammeleingangsleitungen
519 liegenden Signale werden ebenfalls über die UND-Glieder 512 auf die Leitungen 513
geleitet, die die Kanaldaten an den Hauptspeicher 400 abgeben. Die UND-Glieder 512 werden bei einer
Kanalspeicheroperation unabhängig davon entsperrt, ob auf der Leitung 211 ein einen positiven Pufferadreßvergleich
anzeigendes Signal vorhanden ist oder nicht. Das zeigt an, daß Kanaldaten unter allen Umständen bei
einer Kanalspeicheroperation im Hauptspeicher gespeichert werden, im Pufferspeicher 220 dagegen nur dann,
wenn ein positiver Pufferadreßvergleich auf der Leitung 211 erzielt wurde.
!n Verbindung mit den Fig. 3a und 3b werden jetzt der Pufferspeicher 200 und die zugehörige Steuerlogik
genauer beschrieben.
Der Adreßpuffer 2iO enthält einen Adressenspeicher
2 100, den Adreßdecodierer 2 110. die Adreß-UND-Glieder2
112,2 114,2 116,2 118 sowie die Pufferadreß-Vergleicher
2122, 2 124, 2 126 und 2 128. Der Adressenspeicher 2 100 ist in Form einer Matrix von 64
Spalten mit den Bezeichnungen 0 bis 63 und vier Blocks mit den Bezeichnungen 0,1,2 und 3 angeordnet.
In einer Ausführungsform werden Teile der CPlJ-Adreßsammelleitung
114 oder der Kanaladreß-Sammelleitung 506 dazu benutzt, das Speichersteuersystem
zu adressieren. Somit werden während einer CPU-Anforderung die Bits 21 bis 26 von der CPU-Adreß-Sammelleitung
114 oder während einer Kanalspeicheranforderung die Bits 21 bis 26 der Kanaladreß-Sammelleitung
506 nach den ODER-Gliedern 2 320 durchgeschaltet, deren Ausgänge über die Leitungen 2 321 an die
Eingänge des Spaltendecodierers 2 110 des Adreßpuffers 210, mit den Bits 2 bis 7 des Pufferadreßregisters
2 150, mit den Bits 2 bis 7 des Dupükaipüffefädreßregisters
2 180 und mit dem Spaltendecodierer 2 166 der Austauschanordnung 2 164 verbunden sind. Die sechs
auf den Leitungen 2 321 liegender. Adreßbits werden zu einer von 64 Spalten decodiert und adressieren über die
Leitungen 2 111 eine Gruppe von vier Blocks in dem Adressenspeicher 2 100 und eine entsprechende Eintragung
in der Austauschanordnung 2 164; z. B. kann eine Spalte des Adressenspeichen, 2 100 adressiert werden,
wodurch die Blocks 2 101. 2 102, 2 103 und 2 104 durch die Adreßinformation erreich» werden.
Die auf der CPU-Adreßsammelleitung 114 liegenden,
die virtuelle Adreßinformation darstellenden Bits 8 bis 19 werden an die ODER-Glieder 180 und an die
UND-Glieder 2 112, 2 114, 2 116 und 2 118 übertragen, die bei Entsperren eines UND-Gliedes aufgrund eines
nicht zustande gekommenen Vergleiches die gegebene
virtuelle Adresse zur Speicherung in einem angegebenen Block der adressierten Spalte des Adressenspeichers
2 100 übertragen. Die Ausgänge der ODER-Glieder 180 sind mit ersten Eingängen der Vergleicher 2 122,
2 124, 2 126 und 2 128 verbunden. Zweite Eingänge dieser Vergleicher sind mit den vier Blocks der jeweils
adressierten Spalte des Adreßspeichers 2 100 verbunden. Diese Adreßinformation ist über die Leitung 2 131,
2 133, 2 135 bzw. 2 137 mit den Vergleichern 2 122, 2 124, 2 126 und 2 128 verbunden. Wenn die vorgegebene
virtuelle Adresse eine Übereinstimmung mit der Adreßinformation in einem der vier Adreßblocks ergibt,
wird auf einer der vier Leitungen 2 141 ein Vergleichersignal erscheinen. Die Vergleicherleitungen 2 141 sind
mit dem Codierer 2 152 verbunden, so daß bei einer Übereinstimmung zwischen der vorgegebenen virtuellen
Adresse und einer in der adressierten Spalte des Adressenspeichers 2100 gespeicherten virtuellen
Adresse die erregte der vier Vergleicherleitungen zu einem 2-Bit-Code codiert wird, der über die Leitungen
2 153 auf die Bits 0 und 1 des Pufferadreßregisters 2 150 und auf einen Fortschreibungscodierer 2 162 geleitet
wird. Die Vergleicherleitungen 2 141 sind ebenfalls über das ODER-Glied 2142 mit der Pufferadreß-Vergleicherleitung
211 verbunden. Die Pufferadreß-Vergleicherleitung211
ist an die UND-Glieder 2 190, 2 192, 2 194. den Fortschreibungsdecodierer 2 162 und den
Inverter 2 144 angeschlossen, der dann ein Ausgangssignal auf die Nicht-Vergleichleitung 213 gibt, wenn die
Puffcrvergleichsleitung 211 abgeschaltet ist. Die Leitung
213 ist als ein Eingang an die UND-Glieder 2 146, 2 184, 2 186, 2 188 und den Fortschreibungscodierer
2 162 angeschlossen. Die Vergleichsleitung 211 und die Nicht-Vergleichlcitung 213 sind die primären Entsperrleitungen
für den Pufferspeicher 200 zur Steuerung der Datenübertragung /wischen der CPU 100, dem
Pufferspeicher 200 und dem Hauptspeicher 400.
Virtuelle Adreßinformation. Bits 27 und 28 auf der CPU-Adreß-Sammelleitung 114 oder die Bits 27 und 28
auf der Kapaladreß-Sammelleitung 506 werden über die Leitungen 2 15 bzw. 2 302 an das ODER-Glied 2 310
übertragen, dessen auf den Leitungen 2 311 liegende Ausgangssignale nach den Bits 8 und 9 des Pufferadreßregisters
2 150 und des Duplikatpuffer-Adreßregisters 2 180 durchgeschaltet sind. Die Adreßbits 8 und 9 des
Puffer-Adreßregisters (BAR) 2 150 oder des DBAR 2180 kennzeichnen eines von vier Doppelwortern
(innerhalb eints von vier Blocks, die durch die Adreßbits •0 und 1 des BAR 2 150 oder des DBAR 2 180 bezeichnet
sind, während die Adreßbits 2 bis 7 des BAR 2 150 oder des DBAR 2 180 eine der 64 Spalten des Datenspeichers
2 200 bezeichnen, der das angegebene Doppelwort in
dem angegebenen Block enthält.
Die Blockinformationsbits 0 und ! des BAR 2 150 werden über die Leitungen 2 155 an die UND-Glieder
2 190. die Spalteninformationsbits 2 bis 7 über die Leitungen 2 157 an die UND-Glieder 2 192 und die
Doppelwortinformationsbits 8 und 9 über die Leitungen
2 159 an die UND-Glieder 2 194 übertragen.
Wenn zwischen einer gegebenen virtuellen Adresse und einer virtuellen Adresse in dem Adressenspeicher
2 100 bei Vergleich Übereinstimmung festgestellt wird, entsperrt ein Signal auf der Vergleichsleitung 211 die
UND-Glieder 2190, 2 192 und 2 194 und läßt die Adreßbits über die ODER-Glieder 2 198, 2 1% bzw.
2 178 nach dem Blockdecodierer 2 220, dem Spaltende codieifr 2 210 und dem Doppelwortdecodierer 2 230
des Datenpuffers 220 durch. Der Spaltendecodierer
2 210 überträgt die Spaltenadresse über die Leitungen 2 2t i zur AuswaH einer von 64 Spalten. Der
Blockdecodierer 2 220 überträgt die Blockadresse über
die Leitungen 2 211 zur Auswahl eines von vier Blocks,
z. B. des Blocks 2 202. Der Doppehvortdecodierer 2 230
überträgt die Doppelwortadresse über die Leitungen 2 231 zur Auswahl eines von vier Doppelwörtern, z. B.
der Doppelwortstelle 2 204, 2 206, 2 208 oder 2 212. Wenn also mit der gegebenen virtuellen Adresse ein
positiver Vergleich erzielt wurde, wird daher der Inhalt des BAR 2 150 zur Adressierung einer bestimmten
Doppelwortstelle innerhalb eines ausgewählten Blocks einer ausgewählten Spalte in dem Datenspeicher 2 200
benutzt Wenn in einer CPU-Abrufoperation ein erfolgreicher Datenpufferzugriff stattfindet, steht das in
der gewählten Doppelwortstelle, z. B. 2 204 eines ausgewählten Blocks einer ausgewählten Spalte der
Datengruppe 2 200 vorhandene Doppelwort auf den Leitungen 221 zur Übertragung an die CPU 100 zur
Verfügung. Wenn in einer CPU- oder Kanal-Speicheroperation der Datenpuffer 220 erfolgreich adressiert
wird, werden die von der CPU oder dem E/A-Kanal auf den Leitungen 141 liegenden Daten dem Datenpuffer
220 für ein ausgewähltes Doppelwort, einen Block und eine Spalte des Datenspeichers 2 200 als Eingangssignale
zugeführt. Das Doppehvort wird somit in dem Datenspeicher 2 200 so gespeichert, daß nachfolgend
der schnelle Zugriff zu den Daten stattfinden kann.
Mit der Austauschanordnung 2 164 wird während der CPU-Abrufoperationen die Aktivität der Datenblocks
innerhalb einer jeden der Pufferspalten überwacht. Die Austauschanordnung 2 164 besteht aus 64 Aktivitätslisten,
mit je einer Liste für jede Spalte im Puffer. Jede der Listen in Fig. 6 kann als aus vier Eintragungen
bestehend betrachtet werden, eine für jeden Pufferblock in der Spalte. Die Eintragung eines Blocks wird an die
Spitze der Liste für die zugehörige Spalte gesetzt, wenn der Pufferblock angesteuert wird. Diese Lösung stellt
sicher, daß die am längsten innerhalb einer Spalte nicht benutzten Blocks unten in der Liste stehen. Wenn ein
Block innerhalb einer Pufferspalte zugeordnet und geladen werden soll, weil die angeforderten Daten nicht
im Puffer stehen, wird der Puffcrblock unten in einer Spalte der Aktivitätsliste angeordnet. Somit werden die
aktiveren Daten im Pufferspeicher 200 gehalten. In dem in F i g. 6 gezeigten Beispiel zeigt die Spalte A einen
Zustand an, bei dem Block 0 den zuletzt benutzten Block und Block 3 den am längsten ungenutzten Block in ein-τ
Spalte darstellen. Wenn eine Anforderung an den Pufferspeicher gestellt und kein positiver Vergleich
erzielt wird, dann wird Block 3 als der auszutauschende Block gekennzeichnet und an die Spitze der Aktivitätsliste
gesetzt, während die anderen Blockzahlen nach der Darstellung in Spalte B nach unten geschoben werden.
In den nachfolgenden Spalten C und D fuhren nicht erzielte positive Vergleiche bei Abgabe von Anforderungen
dazu, daß die Blocks 2, 1 und 0 der Reihe nach ersetzt und jeder an die Spitze der Liste gesetzt und die
anderen Blockzahlen heruntergeschoben werden. In der Spalte E führt eine Anforderung an den Datenpuffer 2
bei Vergleich zu einer Obereinstimmung mit Block 2. Infolgedessen wird Block 2 an die Spitze der Liste und
die Blocks 0 und 1 mit dem Block 3 nach unten geschoben, der immer noch als der älteste angeforderte
Block gekennzeichnet ist. Auf ähnliche Weise zeigen die Spalten F, G, H und I die Bewegung der Aktivitätsliste,
wenn nachfolgend, bei Vergleich Übereinstummungen festgestellt werden im Block 2 und 3 und keine
Obereinstimmung, die den Austausch von Block 1 erfordert.
Jede Eintragung in der Austauschanordnung enthält codierte Daten, die den im Bedarfsfall als nächsten
auszutauschenden Block im Pufferspeicher 200 kennzeichnen. Um ein laufendes Bild des auszutauschenden
Blocks aufrechtzuerhalten, überwacht ein Austauschalgorithmus die Blockbenutzung der Daten im Pufferspeicher
200. Dementsprechend wird die Austauschgruppeninformation für jede CPU-Abrufoperation fortgeschrieben.
Jede Eintragung in der Austauschanordnung enthält einen 6-Bit-Code, der die Austauschblockzahl nach
folgender Tabelle angibt:
Austauschen | Austauschgruppeninhalt | 02 | 03 | 12 | 13 | 23 |
Block | X | 1 | X | 1 | 1 | |
No. | 01 | 1 | X | 1 | X | 0 |
20 3(11) |
X | X | X | 0 | 0 | X |
2(10) | X | 0 | 0 | X | X | X |
KOl) | i | |||||
2, 9(00) | 0 | |||||
In Fig.7 ist ein graphisches Beispiel für den Austauschalgorithmus gezeigt. Jede Ecke des Rechtecks
stellt einen der vier auszutauschenden Blocks dar und die sechs Verbindungslinien den den auszutauschenden
Block bezeichnenden 6-Bit-Code. Wenn ein Bit des Codes eingeschaltet ist, zeigt die Linie zwischen den
Ecken zur nächsten höheren Zahl, wogegen sie auf die nächst niedere Zahl zeigt, wenn das Bit ausgeschaltet ist,
wenn z. B. die die Blockzahlen 0 und 1 verbindende Linie eingeschaltet ist, zeigt der Pfeil auf die Blockzahl 1. Die
Blockzahl 1, auf welche die meisten Linien weisen, wird jedoch erst ausgetauscht, wenn eine Anforderung keine
Übereinstimmung innerhalb der angegebenen Spalte findet, und der Zustand der auf diese Blockzahl
weisenden Bits wird dann umgekehrt. Wenn andererseits eine Anforderung eine Übereinstimmung innerhalb
der angegebenen Spalte findet, dann wird der Zustand derjenigen Bits umgekehrt, die ayf die Blockzahl
hinweisen, in welcher die Übereinstimmung festgestellt wurde. Somit bezeichnet im Beispiel der Fig.7 der
Rückstellzustand den Block Nr. 3 als den Austauschblock, da drei Bits 0-3, 1-3 und 2-3 auf diese
Blockzahl zeigen. Der Block 2 ist der nächst älteste, da zwei Bits 0 — 2 und 1 -2 auf diese Blockzahl zeigen und
der Block 1 ist der nächst älteste nach Block 2, da ein Bit 0-1 auf diese Blockzahl zeigt. Der Block Nr. 0 wurde
zuletzt gebraucht, da kein Bit auf diese Blockzahl hinweist. Nachdem Block 3 ausgetauscht ist, schreibt der
Austauschalgorithmus den 6-Bit-Code durch Rückstellung der auf die Blockzahl 3 deutenden Bits fort. Nach
der Fortschreibung ist dementsprechend der Block Nr. 2 der zuerst auszutauschende, da dieser jetzt 3 auf die
Blockzahl 2 hinweisende Bits vorzuweisen hat. Der Rest der F i g. 7 zeigt den Wechsel der Austauschgruppenbits
für eine Spalte der Austauschgruppe 2 164 für das in F i g. 6 gezeigte Beispiel.
Aus den F i g. 3a und 3b ist zu ersehen, daß die durch eine adressierte Spalte der Austauschanordnung 2 153
bestimmte Information über die Leitungen 2 165 an den Decodierer 2 168 geleitet wird, der die sechs Leitungen
zu einer aus 2 Bits bestehenden Nachricht auf den
Leitungen 2 169 decodiert, die mit den ersten Eingängen der UND-Glieder 2 146 verbunden sind. Die anderen
Eingänge der UND-Glieder 2 146 sind an die Nicht-Vergleichleitung 213 angesc'-Jossen. Die Leitungen 2 171
werden betätigt, wenn im Pufferadreßvergleicher 2 122,
2 124,2 126 oder 2 128 kein Vergleich erzielt wurde. Die Leitungen 2 171 sind mit den Bits 0 und 1 des DBAR
2 180 verbunden. Die Bits 0 und 1 von DBAR 2 180 werden dem Decodierer 2 159 zugeleitet, der eingeschaltet
ist, wenn ein Signal »Kein Vergleich« auf der Leitung 213 erscheint Der Decodierer 2 159 schaltet
eines der UND-Glieder 2 112, 2 114, 2 116 oder 2 118
ein, um die virtuelle Adreßinformation auf den Leitungen 2 106 nach einem der vier Blocks in einer
bestimmten Spalte des Adressenspeichers 2100 zu leiten.
Die Information darüber, welcher der vier Blocks eingeschaltet ist, wird ebenfalls an den Fortschreibungscodierer
2 162 gegeben, der dann die 6-Bit-Information in der Austauschanordnung 2 164 in der entsprechenden
Spalte fortschreibt
Wenn also die gegebene virtuelle Adresse bei einer CPU-Abrufoperation nicht mit den in dem Adressenspeicher
2100 gespeicherten virtuellen Adressen übereinstimmt, wird in einem dann stattfindendem
Austauschzyklus die gegebene virtuelle Adresse in einem entsprechenden Block der adressierten Spalte in
dem Adressenspeicher 2100 abgespeichert und die Austauschanordnung 2 164 fortgeschrieben.
Die Blockinformationsbits 0 und 1 des DBAR werden über die Leitungen 2 187 an die UND-Glieder 2 184
übertragen, die Spalteninformationsbits 2 bis 7 über die Leitungen 2 185 an die UND-Glieder 2 186 und die
Doppelwortinformationsbits 8 und 9 über die Leitungen 2 181 an die UND-Glieder 2 188. Mit einem zum DBAR
2 180 gehörenden Zähler 2 182 werden die Doppelwort-Auswahlbits für Pufferspeicheroperationen erhöht. Die
Doppelwort-Auswahlbits 8 und 9 werden in den Zähler 2 182 eingegeben und jedesmal um den Wert 1 erhöht,
wenn eine Pufferspeicheroperation stattfindet. Der erhöhte Wert wird über die Leitungen 2 183 nach den
Bits 8 und 9 des DBAR 2 180 zurückgeführt. Der Zähler 2 182 ist deswegen erforderlich, weil bei Informationsübertragung
vom Hauptspeicher in den Pufferspeicher 200 die Information blockweise übertragen wird, d. h.
jeweils vier Doppelwörter DlVl, DW2, DW3 und DW 4. Wenn das DWi gefragt ist, werden die einzelnen
Doppelwörter DWt, DW2, DW3 und DW4 in dieser Reihenfolge geliefert. Wenn jedoch z. B. das DW3
gefragt ist, wird dieses zuerst geliefert, gefolgt von DW4, DWX und DW2. Demzufolge müssen die
Wörter in dieser Reihenfolge im Pufferspeicher 200 gespeichert werden, und der Zähler 2 182 muß die
Reihenfolge, beginnend an irgendeinem Punkt in der Reihenfolge dieser Doppelwörter DWl bis DWA
aufrechterhalten. Die folgende Tabelle 2 zeigt die binäre Einstellung des Zählers 2 183 für jedes Doppelwort in
einem Block.
Doppelwort | Binärer Wert |
1 | 00 |
2 | 01 |
3 | 10 |
4 | 11 |
Wenn also im Pufferspeicher 200 eine Speicheroperat'on,
beginnend mit dem Doppelwort DW3, stattfinden soll, dann wird der Zähler auf den binären Wert 10
eingestellt, für die nächste Speicheroperation wird der Inhalt des Zählers 2 182 zur Speicherung des Doppeiwortes
DW4 um den Wert 1 erhöht, und dieser Wert
wird an die Bits 8 und 9 des DBAR 2 180 übertragen. Wenn der Inhalt des Zählers 2 182 wieder erhöht wird,
läuft der Zähler über und kehrt auf den Wert 00 zurück und speichert das Doppelwort DWl. Dieser Wert wird
dann an die Bits 8 und 9 des DBAR 2 180 übertragen. Der Zähler 2 182 wird als nächstes zur Speicherung des
Doppelwortes DW2 auf den Wert 01 erhöht Mit dem Zähler 2 182 kann also mit jedem der Doppelwörter
DWl bis DW4 begonnen und jedes dieser Doppelwörter kann an der richtigen Pufferspeicheradresse
gespeichert werden.
Die UND-Glieder 2 184, 2 186, 2 188 werden durch ein Signal auf der Leitung 213 entsperrt Wenn also
keine Übereinstimmung der Pufferadresse festgestellt wird, werden die UND-Glieder 2184, 2186, 2 188
entsperrt, so daß die Adreßinformation im DBAR 2 180 über die Leitungen 2 173 an die ODER-Glieder 2 198,
die Leitungen 2 175 an die ODER-Glieder 2 196 und die Leitungen 2 177 an die ODER-Glieder 2 178 übertragen
werden kann. Die Adreßbits laufen über die ODER-Glieder 2 198, 2 1% und 2 178 zum Blockdecodierer
2 220, Spaltendecodierer 2 210 und Doppelwortdecodierer 2 230 des Datenpuffers 220. Wenn also mit der
gegebenen virtuellen Adresse keine Übereinstimmung festgestellt wird, wird mit dem Inhalt des DBAR 2 180
eine bestimmte Doppelwortstelle innerhalb eines ausgewählten Blocks einer ausgewählten Spalte im
Datenpuffer 2 200 adressiert.
Wenn zwischen einer gegebenen virtuellen Adresse und einer Adresse von dem Adressenspeicher 2 100 eine
Übereinstimmung festgestellt wird, wird mit dem Inhalt des Pufferadreßregisters 2 150 ein bestimmtes Doppelwort
in dem Datenspeicher 2 200 adressiert, und wenn
keine Übereinstimmung festgestellt wird, wird mit dem Inhalt des DBAR 2 180 ein bestimmtes Doppelwort, in
dem Datenspeicher 2 200 adressiert. Wenn also bei einer CPU-Abrufoperation eine Übereinstimmung
erzielt wird, schreibt der Fortschreibungscodierer 2 162 die adressierte Eintragung in der Austauschanordnung
2 164 entsprechend der Blockzahl fort, in welcher die Übereinstimmung festgestellt wurde, wogegen er die
adressierte Eintragung in der Austauschanordnung 2 164 nach der durch das DBAR 2 180 angegebenen
Blockzahl fortschreibt, wenn keine Übereinstimmung festgestellt wurde.
Aus der obigen Beschreibung ist daher zu ersehen, daß die den Erfindungsgedanken ausführende Anlage
den Zugriff zum Hauptspeicher 400 und zum Pufferspeieher 200 steuert und Daten in einem virtuell
adressierten Pufferspeichersystem überträgt.
Arbeitsweise
Anschließend wird die Arbeitsweise der bisher beschriebenen Anlage im Zusammenhang mit Fig.4,
2a, 2b, 3a und 3b genauer beschrieben.
Wenn eine Speicheranforderung eingeleitet wird, muß zuerst festgestellt werden, ob die Anforderung von
der CPU oder vom E/A-Kanal stammt. Diese Entscheidung wird automatisch getroffen, je nachdem
welche der Leitungen 101, 103 oder 301 bzw. 507 betätigt ist. Wenn eine der Leitungen 101 oder 103
erregt ist, wird dadurch die Speicheranforderung als
CPU-Anforderung gekennzeichnet Wenn eine der Leitungen 501 oder 507 erregt ist, wird die Speicheranforderung
als E/A-Kanalspeicheranforderung bezeichnet
CPU-Anforderung
Für eine CPU-Anforderung werden die Bits 8 bis 19 der virtuellen CPU-Adresse (die virtuelle Seitenadresse)
an den virtuellen Adreßvergleicher 150 geleitet, uer
durch den Entscheidungsblock »Virtueller Adreßvergleich« in F i g. 4 dargestellt ist Wenn eine Übereinstimmung
der virtuellen Adresse festgestellt wird, werden die Bits 8 bis 19 der virtuellen CPU-Adresse dann mit
einer im Adreßpuffer 210 enthaltenen Adresse verglichen (Fig.3a). Wenn dort eine Übereinstimmung
festgestellt und die Pufferadreßvergleichsleitung 2.11
demzufolge erregi wird, ist daraus zu ersehen, daß für
eine CPU-Abnjfoperation, die durch die CPU 100 angeforderten Daten, die im Datenpuffer 220 an der
durch das BAR 2 150 bezeichneten Block-, Spalten- und Doppelwortstelle stehen, über die Leitungen 221 und die
UND-Giieder 122 nach der CPU-Datensammelleitung 131 geleitet werden. Wie bereits beschrieben, reagiert
der Fortschreibungscodierer 2 162 auf den CPU-Abruf, den Puffervergleich und die Bits 0 und 1 am Ausgang des
Codierers 2 152 durch Fortschreiben des Inhaltes der entsprechenden Spalte der Austauschanordnung 2 164.
Wenn die CPU-Speicherlekung 103 erregt ist, werden Daten auf der CPU-Sammelleitung 119 über die
UND-Glieder 120 und über die ODER-Glieder 140 an den Datenpuffer 220 geleitet. In diesem Fall werden von
der CPU kommende Daten in dem Datenspeicher 2 200 an der durch die Decodierer 2 210, 2 220 und 2 230
entsprechend dem Inhalt des BAR 2 150 gekennzeichneten Spalten-, Block- und Doppelwortstelle gespeichert.
Aus F i g. 4 ist zu ersehen, daß die angeforderten Adressen und Daten über einen AdreGübersetzungszyklus
vom Hauptspeicher erhalten werden müssen, wenn in dem Vergleicher 150 keine Übereinstimmung mit der
virtuellen Adresse erzielt wird. Der Inverter 154 erregt daher das UND-Glied 156, welches dann die virtuelle
Adresse von der CPU 10 an den Adreßübersetzer 310 weiterleitet. Dieser führt die Adreßübersetzung aus und
erhält die echte Seitenadresse vom Hauptspeicher 400. Wenn die umgesetzte Adresse in dem Assoziativspeicher
320 verfügbar ist, wird im virtuellen Adreßvergleicher 150 eine Übereinstimmung erzielt, und die
entsprechende echte Seitenadresse wird auf der Leitung 303 über die UND-Glieder 152 an die UND-Glieder 146
abgegeben.
Da unter diesen Umständen in dem Vergleicher 150 eine Übereinstimmung der virtuellen Adresse erzielt
wird, die angeforderte Adresse jedoch nicht im Adreßpuffer 210 enthalten ist, wird die Leitung 213
erregt und die Einschaltbedingungen für das UND-Glied 158 erfüllt, zur Übertragung einer Übertragungsadresse über das ODER-Glied 162 als ein Hauptspeichersignal
auf der Leitung 159. Daher wird die echte Hauptspeicheradresse über die UND-Glieder 146 und bo
148 nach der Speicheradreß-Sammelleitung 421 und somit an den Hauptspeicher 400 übertragen.
Wenn die CPU-Anforderung eine Abrufoperation ist und dabei die Leitung 101 erregt ist, werden Daten aus
dem Hauptspeicher 400 auf der Datensammelausgangsleitung
401 über die UND-Glieder 126 abgerufen und im Datenpuffer 220 an der durch das DBAR 2 180
bezeichneten Block-, Spalten- und Doppelwortstelle gespeichert sowie an die CPU 100 übertragen. Wie.
bereits beschrieben, spricht der Fortschreibungscodierer 2 162 auf den CPU-Abruf, die Nicht-Übereinstimmung
im Pufferspeicher und die Biis 0 und 1 des DBAR 2 180 an und schreibt den Inhalt der entsprechenden
Spalte der Austauschanordnung 2 164 fort
Wenn die CPU-Anforderung eine Speicheroperation ist und demnach die Leitung 103 erregt ist, werden die
UND-Glieder 128 für die Datenübertragung von der CPU 100 über die Leitung 119 nach der Hauptspeicherdateneingangs-Sammelleitung
129 zur Speicherung im Hauptspeicher 400 entsperrt
Kanalanforderung
Aus den Fig.4 und 2a ist zu ersehen, daß bei
Erregung entweder der Kanalanforderungsleirung 501 für den Kanalabruf oder der Leitung 507 für die
Kanalspeicherung die Anforderung als Kanalanforderung bezeichnet ist Ist die Kanalanforderungsleitung
501 erregt, dann werden die UND-Glieder 510 entsperrt und gestatten die Übertragung von Daten auf der
E/A-Datenausgangs-Sammelleitung 405 des Hauptspeichers
400, der durch die Kanaladresse über das UND-Glied 502 und die ODER-Glieder 420 adressiert
wird, über die Leitungen 511 zum E/A-Kanal 500 zur Durchführung einer Kanalabrufoperation.
Wenn die E/A-Kanalanforderung als Kanalspeicheroperation gekennzeichnet ist, werden über die Kanalspeicherleitung
507 die UND-Glieder 504, 512 und 514 entsperrt. Die Kanaladreßinformation wird auf den
Leitungen 505 direkt an die ODER-Glieder 420 übertragen, zur Weiterleitung über die Speicheradreß-Sammelleitung
421 an den Hauptspeicher 400, während Kanaldaten auf den Leitungen 419 über die UND-Glieder
512 an die E/A-Dateneingangs-Sammelleitungen 513 geleitet werden, wodurch eine direkte Speicherung
der Kanalinformation an der Zugriffsstelle im Hauptspeicher 400 erreicht wird.
Gleichzeitig werden die Bits 8 bis 19 der Kanaladreßinformation einer Gruppe von Eingängen des Echt-Adreßvergleichers
170 zugeleitet, wo die Kanaladresse mit dem echten Teil aller im Assoziativspeicher 320
gespeicherten Adressen verglichen wird. Wenn keine Übereinstimmung zwischen der gegebenen Kanaladresse
und den echten Adressen in dem Adressenspeicher erzielt wird, wird keine weitere Pufferoperation
ausgeführt. Wird jedoch eine Übereinstimmung erzielt, wird die zugehörige virtuelle Adresse über die
UND Glieder 174, die Leitungen 175 und die ODER-Glieder 180 an die Pufferadreßvergleicher 2 122, 2 124,
2 126 und 2 128 (dargestellt in Fig. 3a) geleitet, wo die
entsprechende virtuelle Adresse mit den in dem Adressenspeicher 2 100 gespeicherten Blockadressen
an einer Spaltenstelle verglichen wird, die durch die Bits 21 bis 26 der auf die Leitungen 506 gegebenen
Kanaladresse bestimmt wird.
Wenn eine Übereinstimmung der Pufferadresse erzielt wird, werden die UND-Glieder 514 entsperrt und
gestatten eine Übertragung der auf den Leitungen 515 liegenden E/A-Datensammelleitungsinformation über
die ODER-Glieder 140 und die Leitungen 141 an den Datenpuffer 220, wo sie an der durch das BAR 2 150
angegebenen Block-, Spalten- und Doppelwortstelle gespeichert werden.
Wenn also eine Übereinstimmung der echten Adresse und der Pufferadresse in einer Kanalspeicheroperation
erzielt wird, werden Kanaldaten sowohl im Datenpuffer als aucli im Hauptspeicher gespeichert.
Hierzu 7 BUiU Zeichnungen
Claims (5)
1. Datenverarbeitungsanlage mit virtueller Adressierung mit einer Zentraleinheit, einem Hauptspeieher
hoher Speicherkapazität, einem schnellen Pufferspeicher kleinerer Kapazität, einem E/A-Kanal
und einem Adressenumsetzer, wobei die Zentraleinheit Adreßsignale als virtuelle Adressen
liefert, während in dem mit der Zentraleinheit verbundenen Hauptspeicher Daten blockweise unter
reellen Adressen abspeicherbar sind, dadurch
gekennzeichnet,
daß der mit der Zentraleinheit (100) und dem Hauptspeicher (400) verbundene schnelle Pufferspeicher
(200) aus einem virtuellen Adreßpuffer (210) und einem Datenpuffer (220) besteht,
dsß ferner ein Assoziativspeicher (300, 320) für die Speicherung von virtuellen Adressen und die entsprechenden reellen Adressen für den Hauptspeieher an die Zentraleinheit und an den Hauptspeicher (400) anschaltbar ist,
dsß ferner ein Assoziativspeicher (300, 320) für die Speicherung von virtuellen Adressen und die entsprechenden reellen Adressen für den Hauptspeieher an die Zentraleinheit und an den Hauptspeicher (400) anschaltbar ist,
daß mit dem Assoziativspeicher ein erster Vergleicher (150) verbunden ist, der die von der
Zentraleinheit kommenden virtuellen Adressen mit 2r>
denen im Assoziativspeicher gespeicherten virtuellen Adressen vergleicht und bei erfolgreichem
Vergleich ein erstes Steuersignal erzeugt, worauf, gesteuert durch dieses erste Steuersignal, die mit den
vorgegebenen virtuellen Adressen verbundenen i<> echten Adressen an den Hauptspeicher (400)
weitergegeben werden und
daß weitere mit der Zentraleinheit und dem Pufferspeicher verbundene Schaltmittel vorgesehen
sind, die auf die virtuellen Adressensignale aus der jri
Zentraleinheit ansprechen und an den Pufferspeicher für einen Zugriff zu einer Speicherposition im
Pufferspeicher ein zweites Signal liefern, das den aus der Zentraleinheit kommenden virtuellen Adressensignalen
entspricht, wobei die Übertragung der echten Adressen an den Hauptspeicher dann
gesperrt wird, wenn bei einer Abrufoperation durch die Zentraleinheit ein Zugriff zum Pufferspeicher
erfolgt.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein echtes Adressensignal liefernde
Eingabe-/Ausgabeeinheiten über den E/A-Kanal (500) bei Datenabruf im Hauptspeicher (400)
unmittelbar nach diesen durchschaltbar sind.
3. Anlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch rjii
gekennzeichnet,
daß der ein echtes Adressensignal liefernde Eingabe-/Ausgabekanal
(500) für einen Datenspeichervorgang mit einer zweiten Vergleichsschaltung (170)
zum Vergleich dieser echten Adressen mit im η Assoziativspeicher (320) gespeicherten echten
Adressen verbunden ist,
daß bei positivem Vergleich die im Assoziativspeicher gespeicherten entsprechenden virtuellen
Adressen mit den in den Adreßs-haliungen des wi
Adreßpuffers (210) des Pufferspeichers (200) gespei cherten virtuellen Adressen vergleichbar sind, und
daß bei positivem Vergleich die von den Eingabe-/ Ausgabeeinheiten kommenden Daten zusätzlich
zum Hauptspeicher (400) auch noch an den den hr,
aufgefundenen virtuellen Adressen entsprechenden Speicherplätzen im Dalenpuffer(220) abspeicherbar
sind.
4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Assoziativspeicher (300) eine Adressen-Übersetzungsschaltung
(310) enthält, die der Umsetzung der von der Zentraleinheit kommenden
virtuellen Adressen in echte Adressen dient
5. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 4, daduich gekennzeichnet, daß eine Austauschanordnung
(2164) vorgesehen ist, in der Listen mit der
Be.nutzungsreihenfolge der aus dem Datenpuffer (220) abgerufenen Datensätze eingespeichert sind,
wobei jedesmal dann, wenn ein Datenblock (2202, 2204) im Pufferspeicher erfolgreich angesprochen
ist, die Identität dieses Blocks in der entsprechenden Austauschliste an die erste Stelle eingespeichert
rückt, und daß bei erfolgloser Adressierung des Pufferspeichers bei Überführung von Daten in den
Pufferspeicher die Identität dieses Datenblocks in der Austauschliste an letzter Stelle eingespeichert
wird, um die übrigen schon früher benutzten Daten im Pufferspeicher zu halten.
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