DE3724317A1 - Speicherzugriffssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Speicherzugriffssystem für Computer sowie ein Verfahren zum raschen und wirksamen Zugrei­ fen auf Speicherdaten.

Bei vielen Datenverarbeitungssystemen ist es üblich, Hochge­ schwindigkeitspufferspeicher, die als Cache-Speicher bezeich­ net werden, mit einer zentralen Recheneinheit (CPU) zu kop­ peln, um die mittlere Speicherzugriffszeit für den Prozessor zu verbessern. Die Verwendung eines Cache-Speichers beruht auf der Prämisse, daß ein Datenverarbeitungssystem im Laufe der Zeit auf vorgegebene lokalisierte Zonen des Speichers mit hoher Frequenz zugreift. Der Cache-Speicher enthält typischer­ weise einen Teil des im Hauptspeicher verfügbaren vollständi­ gen Datensatzes und kann sehr rasch von der CPU zugegriffen werden, ohne die Datenplätze im Hauptspeicher zu lesen.

Die Verwendung eines Cache-Speichers trägt beträchtlich zur Kompliziertheit eines Datenverarbeitungssystems bei und erhöht die Systemkosten erheblich. Historisch waren die Speicherzu­ griffserfordernisse so, daß die erhöhten Aufwendungen und die erhöhte Komplexität von Cache-basierenden Architekturen ge­ rechtfertigt waren. Bei der neuen Generation von "Reduced Instruction Set Computers" (RISC) erfordern die Verarbeitungs­ geschwindigkeiten einen Einzelzyklus-Speicherzugriff. Die meisten modernen Speichersysteme verwenden dynamische Direkt­ zugriffsspeicher (DRAM′s), deren Zykluszeiten normalerweise 200 Nanosekunden sind ("Zyklus-"Zeit ist die Zeit ab Einlei­ tung des Speicherzugriffs bis zu dem Zeitpunkt, bei dem Daten von der Speichereinrichtung wieder verfügbar sind). Obwohl typische DRAM′s Zykluszeiten von 200 ns haben, beträgt die Spaltenzugriff/Zykluszeit für das besondere Gerät generell nur 45 ns (wobei "Zugriff"-Zeit die Zeit vom Anlegen eines Spal­ tenadreßsignals (CAS) bis zur Verfügbarkeit der Daten auf einem Datenbus ist). Demgemäß kann die Zykluszeit für einen kommerziell verfügbaren DRAM bis zu der 5fachen Zeit der Spal­ tenzugriff/Zykluszeit für dasselbe Gerät sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Speicherzu­ griffssystem und -verfahren zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe rasch und wirksam zum Hauptspeicher des Computers zugegriffen werden kann, ohne eine separaten Cache-Speicher zu benötigen.

Wie zu sehen sein wird, ermöglicht die Erfindung durch geei­ gnete Zuordnung der Datenspeicherung im DRAM-Speicher die wirksame Nutzung des Hauptspeichers des Computers als Cache­ -Speicher. Die Erfindung benutzt dabei statische Spalten­ -DRAM′s in einer Architektur, die einen äußerst raschen Zu­ griff zu einer lokalisierten Untergruppe des Hauptspeichers ermöglicht. Die Erfindung ist besonders geeignet in Systemen mit virtuellen Speichertechniken.

Zur Lösung der oben genannten Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Speicherzugriffssystem die Merkmale des Anspruchs 1 und bei einem Speicherzugriffsverfahren die Merkmale des Anspruchs 15 vor.

Die Erfindung sieht eine verbesserte Speicherarchitektur vor, die sich in besonderem Maße für virtuelle Maschinen eignet. Ein Prozessor liefert Zeilen- und Spaltenadressen zum Zugriff auf in einem dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM) ge­ speicherte Daten. Die vom Prozessor gelieferte virtuelle Ad­ resse enthält Bits hoher und niedriger Ordnung. Bei dem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel stellen die virtuellen Bits hoher Ordnung die Zeilenadresse und die Bits niedriger Ordnung eine reale Spaltenadresse dar. Die virtuelle Zeilenadresse wird an eine Speichermanagementeinheit (MMU) zur Übersetzung in eine reale Zeilenadresse angelegt. Die reale Spaltenadresse braucht nicht übersetzt zu werden. Ein Vergleicher vergleicht die aktuelle virtuelle Zeilenadresse mit der in einem Signalspei­ cher (latch) gespeicherten vorhergehenden Zeilenadresse. Wenn die aktuelle Zeilenadresse mit der vorhergehenden Zeilenadres­ se übereinstimmt, so koppelt eine Zyklussteuerschaltung die reale Spaltenadresse zum DRAM und legt ein CAS-Signal derart an, daß auf die gewünschten Daten im Speicher zugegriffen wird, ohne die Zeilenadresse wiederum anlegen zu müssen. Wenn die Zeilenadressen nicht übereinstimmen, so löst die Zyklus­ steuerschaltung einen vollständigen Speicherabrufzyklus aus und legt sowohl die Zeilen- als auch die Spaltenadressen zu­ sammen mit den entsprechenden RAS- und CAS-Signalen an den DRAM an und aktualisiert den Inhalt des Signalspeichers (latch). Durch geeignete Organisierung von Daten im Speicher kann die Wahrscheinlichkeit, daß aufeinanderfolgende Speicher­ operationen zu derselben Zeile im DRAM zugreifen, wesentlich erhöht werden. Durch Verwendung einer solchen Organisation schafft die Erfindung eine Daten-Wiedergewinnung mit Geschwin­ digkeiten in der Größenordnung eines Speichersystems mit Cache-Speicher für eine Untergruppe von gespeicherten Daten. Entlang derselben Zeile im DRAM gespeicherte Daten können mit Geschwindigkeiten zugegriffen werden, die 4 bis 5 mal höher als die Zugriffsgeschwindigkeit zu einem vollständigen Spei­ cherabrufzyklus sind.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild, welches das Konzept der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 2 ein detaillierteres Blockdiagramm, welches ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt; und

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm, das die Folge von Opera­ tionen bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel angibt.

Angegeben wird eine verbesserte Speicherarchitektur, die zur Anwendung in Computersystemen mit virtuellen Speichertechniken besonders geeignet ist. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken spezielle Speicherkonfigurationen, Datengeschwindigkeiten, Architekturen und Komponenten angege­ ben, um die Erfindung besser verständlich zu machen. Es ist jedoch für den Fachmann klar, daß die Erfindung ohne diese speziellen Details realsierbar ist. In anderen Fällen sind bekannte Schaltungen in Blockform dargestellt, um die Erfin­ dung nicht mit unnötigen Einzelheiten zu belasten.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird das Erfindungsprinzip anhand eines Blockschaltbilds beschrieben. Ein dynamischer Direktzu­ griffsspeicher (DRAM) 10 enthält ein Speichergerät eines Da­ tenverarbeitungssystems. Bei dem beschriebenen Ausführungsbei­ speil weist der DRAM 10 eine Speichermatrix mit Zeilen- und Spaltenadresse auf, welche den Datenplatz innerhalb der Matrix identifiziert. DRAM 10 kann ein dynamischer Ein-Megabit CMOS -RAM mit statischem Spaltenzugriff sein. In solchen Speicher­ geräten ist die Zykluszeit von der Initiierung des Speicherzu­ griffs bis zur Ausgabe von gewünschten Daten in der Größenord­ nung von 200 ns. Daten werden vom DRAM 10 dadurch zugegriffen, daß zunächst eine Zeilenadresse gebildet wird, welche eine spezielle Zeile innerhalb der Speichermatrix identifiziert, in der die gewünschten Daten gespeichert sind, zusammen mit einem Zeilenadreß-Strobesignal (RAS). Danach wird eine Spaltenadres­ se, welche die besondere Spalte mit den gewünschten innerhalb der angesteuerten Zeile identifiziert, zusammen mit einem Spaltenadreß-Strobesignal (CAS) an den DRAM 10 angelegt. In statischen Spalten-DRAM′s ist typischerweise die Zeit vom Anlegen der Spaltenadresse und des CAS-Signals bis zur Ausgabe der Daten von dem Speichergerät angenähert 45 ns. Die Zeit­ spanne vom Anlegen der Spaltenadresse und des CAS-Signals bis zur Ausgabe von Daten wird im folgenden als "Spalten-Zu­ griffs-"Zeit des Speichergeräts bezeichnet. Demgemäß ist die Speicherzykluszeit angenähert 5 mal so lang wie die Spaltenzu­ griff/Zykluszeit des Geräts.

In den meisten neueren statischen Spalten-DRAM-Speichergeräten kann jedes innerhalb der angesteuerten Zeile angeordnete Da­ tenelement nach dem Anlegen der Zeilenadresse und des RAS -Strobesignals innerhalb der angesteuerten Zeile dadurch zuge­ griffen werden, daß man ein geeignetes Spaltenadreß- und CAS -Signal anlegt, und zwar ohne die Zeilenadresse und das RAS -Signal neu anlegen zu müssen. Wie oben bemerkt, kann der Zugriff auf Daten, die in einer zuvor aktivierten Zeile ge­ speichert sind, im Gegensatz zum Zugriff zu in einer anderen Zeile der Speichermatrix gespeicherten Daten sehr rasch (in­ nerhalb von angenähert von 45 Nanosekunden) stattfinden.

Es ist bei der Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung üblich, einen "Cache"-Speicher zu verwenden, der mit einer zentralen Recheneinheit gekoppelt ist, um die mittlere Zugriffszeit für den Prozessor zu verkürzen. Der Cache-Speicher enthält einen Teilsatz der im Hauptspeicher des Systems gespeicherten Daten und kann vom Prozessor sehr rasch zugriffen werden, ohne die Datenplätze im Hauptspeicher lesen zu müssen. Man war bisher generell der Meinung, daß in Hochgeschwindigkeits-Datenver­ arbeitungssystemen ein Cache-Speicher erforderlich ist, um einen Einzelzyklus-Speicherzugriff durch den Prozessor zu erzielen. Wie jedoch oben gesagt, erhöht die Verwendung eines Cache-Speichers sowohl die Komplexität als auch die Kosten des Datenverarbeitungssystems erheblich. Demgegenüber stellt die Erfindung ein Speichersystem zur Verfügung, das einen Cache -Speicher überflüssig macht und trotzdem einen Hochgeschwin­ digkeitszugriff auf lokalisierte Zonen innerhalb des Haupt­ speichers ermöglicht. Es ist für den Fachmann einzusehen, daß dann, wenn Daten innerhalb des DRAM 10 (Fig. 1) geeignet ange­ ordnet werden, jedes in einer zuvor aktivierten Zeile angeord­ nete Datenelement innerhalb eines einzigen Taktzyklus des Systems zugegriffen werden kann. Demgemäß kann durch geeignete Speicherung von Daten innerhalb der Speichermatrix bzw. des Speicherfeldes ein lokalisierter Teilsatz des Hauptspeichers vom Prozessor effektiv als Cache-Speicher genutzt werden.

Im folgenden wird erneut auf Fig. 1 Bezug genommen. Ein in dieser Figur nicht gezeigter Prozessor liefert eine Zeilen­ adresse 12 und eine Spaltenadresse 14 zum Zugriff auf bestimm­ te Daten, die im DRAM 10 gespeichert sind. Die Spaltenadresse 14 wird an einen Multiplexer 16 angelegt, der, wie beschrieben werden wird, selektiv entweder die Zeilen- oder Spaltenadresse an den DRAM 10 anlegt. Die Zeilenadresse 12 wird an einen Signalspeicher 18, im folgenden Latch genannt, und einen Kom­ parator 20 angelegt. Eine Zyklussteuerschaltung 22 ist mit dem Latch 18, dem Komparator 20 sowie dem Multiplexer 16 gekoppelt und gibt sowohl die RAS- als auch die CAS-Signale an den DRUM 10 zum Zugreifen auf Daten. Bei Anlegen einer anfänglichen Zeilenadresse und einer Spaltenadresse 14 an das in Fig. 1 gezeigte Speichersystem vergleicht der Komparator 20 die aktu­ elle Zeilenadresse 12 (RA(i)) mit der vorhergehenden Zeilen­ adresse (RA(i-1)), die bei dem vorhergehenden vollen RAS-, CAS-Speicherzyklus zum Datenzugriff verwendet worden ist. Wenn die innerhalb des Latch gespeicherte Zeilenadresse mit der vom Prozessor gelieferten aktuellen Zeilenadresse nicht überein­ stimmt, so taktet die Zyklussteuerung 22 Latch 18, wodurch die aktuelle Zeilenadresse im Latch gespeichert wird, und signa­ lisiert dem Multiplexer 16, die aktuelle Zeilenadresse 12 an den DRAM 10 anzulegen. Außerdem gibt die Zyklussteuerung 22 ein RAS-Signal an den DRAM, durch das die gewünschte in der Speichermatrix aktiviert bzw. angesteuert wird. Die Zyklus­ steuerschaltung 22 legt danach über den Multiplexer 16 die Spaltenadresse 14 an den DRAM 10 an und gibt ein geeignetes CAS-Signal an den DRAM, das das in der Matrix zuzugreifende spezielle Datenelement identifiziert. Sodann liefert der DRAM 10 die ausgewählten Daten an den Prozessor, und zwar ty­ pischerweise über einen in der Zeichnung nicht gezeigten Da­ tenbus.

Wenn die aktuelle Zeilenadresse RA(i) die gleiche wie die im Latch 18 gespeicherte vorhergehende Zeilenadresse RA(i-1) ist, legt die Zyklussteuerschaltung 22 die aktuelle Spaltenadresse 14 an den DRAM 10 und gibt ein CAS-Signal aus. Wie oben ge­ sagt, kann der Zugriff zu einem Datenelement innerhalb einer im DRAM 10 zuvor aktivierten bzw. angesteuerte Zeile sehr rasch erfolgen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbei­ spiel ist zu erkennen, daß die nur die Spaltenadresse 14 an den DRAM 10 angelegt werden muß, um auf die innerhalb einer in einem vorhergehenden Datenzyklus aktivierten Zeile gespeicher­ ten Daten zuzugreifen. Wenn daher die aktuelle Zeilenadresse die gleiche wie die unmittelbar vorhergehende Zeilenadresse ist, ist es nicht notwendig, die aktuelle Zeilenadresse erneut an dem DRAM anzulegen und ein zusätzliches RAS-Signal zu ent­ wickeln; stattdessen brauchen nur die aktuelle Spaltenadresse und das CAS-Signal angelegt zu werden, um zum Speicher zuzu­ greifen. Bei einer typischen Anwendung ermöglicht die Erfin­ dung den Zugriff auf im DRAM 10 gespeicherte Daten in unge­ fähr 45 Nanosekunden statt der 200 Nanosekunden bei herkömm­ lichen Speicherkonfigurationen.

Es ist für den Fachmann klar, daß bei einem Arbeitsspeichersy­ stem mehrere Speicherbänke anstelle eines einzigen dynamischen RAM verwendet werden müssen. Um das in Fig. 1 dargestellte System praktikabel zu machen, ist es erforderlich, Daten in­ nerhalb mehrerer Speicherbänke so anzuordnen, daß die Wahr­ scheinlichkeit einer Vielzahl von sequentiellen Zugriffen zu derselben Zeile innerhalb einer Speicherbank beträchtlich erhöht wird. Wenn häufig benutzte Daten innerhalb des Spei­ chers auf diese lokalisiert werden können, kann der Hauptspei­ cher anstelle eines wesentlich kostspieligeren und komplexeren Cache-Systems verwendet werden.

Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen und die Erfindung für ein Ausführungsbeispiel erläutert und beschrieben, daß zwei Speicherbänke, DRAM-Bank "A" und DRAM- Bank "B" in einem Datenverarbeitungssystem unter Verwendung virtueller Speicher­ techniken aufweist. Für die Zwecke der vorliegenden Beschrei­ bung und zur Vermeidung komplizierenden Beiwerks sind nur die zur Erläuterung der Erfindung erforderlichen Adreß-, Steuer­ und Datenleitungen in den Figuren gezeigt. Es ist für den Fachmann jedoch klar, daß andere Leitungen, Bauteile und Hilfsschaltungen entsprechend der jeweiligen besonderen Anwen­ dung notwendig sind.

Ein Prozessor 30 steht mit dem erfindungsgemäßen Speichersy­ stem über einen virtuellen Adreßbus 32 in Nachrichtenverbin­ dung. Der virtuelle Adreßbus 32 enthält eine Vielzahl indivi­ dueller Leitungen, welche Adressen in Form von Multi-Bit-Wör­ tern führen. Typischerweise können Prozessoren Adreßbusse zwischen 16 und 32 Bits verwenden, wobei die Bits über den Adreßbus bildende Einzelleitungen oder Drähte parallel über­ tragen werden. Bei der Erfindung sind über den virtuellen Adreßbus 32 übertragene Adressen so strukturiert, daß die Bits niedriger Ordnung ein direktes (reales) Adreßsegment für den DRAM-Speicher bilden, wobei die Bits niedriger Ordnung vom virtuellen Adreßbus 32 über die Leitung 34 abgetrennt werden. Wie weiter unten genauer beschrieben werden wird, enthalten die Adreßbits niedriger Ordnung (reale Adreßbits) die Spal­ tenadresse für die in DRAM-Bank A und DRAM-Bank B gespeicher­ ten gewünschten Daten. Adreßbits hoher Ordnung bilden ein virtuelles Adreßsegment entsprechend der Zeilenadresse für in Hauptspeicher DRAM-Banken A und B gespeicherte Daten. (Siehe beispielsweise US-PS′n 45 27 232 und 45 50 338).

Die das virtuelle Adreßsegment enthaltenden Bits hoher Ordnung werden auf dem virtuellen Adreßbus 32 gehalten. Wie darge­ stellt, werden die virtuellen Bits hoher Ordnung an eine Spei­ chermanagementeinheit (MMU) 38 zum Übersetzen in eine physika­ lische Adresse hoher Ordnung angelegt. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die MMU 38 eine relativ sehr schnelle Direktzugriffsspeichereinheit, beispielsweise ein schneller statischer RAM. Die MMU 38 erhält als Eingang die vom Prozes­ sor 30 angelegte virtuelle Adresse hoher Ordnung und liefert als Ausgang auf der Leitung 40 eine übersetzte physikalische (reale) Adresse, welche die aktuelle physikalische Zeilen­ adresse der gewünschten Daten in den DRAM-Banken A und B spe­ zifiziert. Die MMU 38 kann die Form der in der US-PS 45 27 232 beschriebenen Speichermanagementeinheit annehmen.

Ein Signalspeicher (Latch) 42 ist mit dem virtuellen Adreßbus 32 und ein Komparator 43 ist sowohl mit dem virtuellen Adreß­ bus 32 als auch dem Latch 42 gekoppelt. In ähnlicher Weise ist ein Latch 44 mit dem virtuellen Adreßbus 32 und mit einem Komparator 48 derart gekoppelt, daß der Komparator 48 den Inhalt des Latch 44 mit der über den virtuellen Adreßbus 32 vom Prozessor 30 gelieferten aktuellen virtuellen Adresse vergleicht. Wie dargestellt, durchlaufen die Ausgangssignale der Komparatoren 43 und 48 ein ODER-Gatter 50 und werden an eine Zyklussteuerschaltung 55 angelegt. Das Ergebnis der ODER -Operation zwischen den Ausgangssignalen der Komparatoren 43 und 48 wird in ähnliche Weise an die Zyklussteuerschaltung 55 angelegt. Wie weiter unten genauer beschrieben werden wird, steuert die Zyklussteuerschaltung 55 die Taktgabe an die Si­ gnalspeicher 42 und 44, die Auswahl eines Multiplexers 60 und liefert geeignete RAS- und CAS-Signale an die DRAM-Banken A und B.

Die MMU gibt die niedrigsten übersetzten physikalischen Bits der vom Prozessor 30 zugeführten virtuellen Adresse an den Chip-Aktivierungsport (CE) der Signalspeicher bzw. Latches 42 und 44, und zwar über eine Leitung 62. Der Zustand der nied­ rigsten übersetzten physikalischen Bits (bei dem beschriebenen Beispiel ist für die beiden Speicherbänke nur das niedrigste übersetzte physikalische Bit erforderlich) kann zur Auswahl entweder von Latch 42 oder von Latch 44 verwendet werden. Wenn beispielsweise das niedrigste übersetzte physikalische Bit eine logische Null ist, so wird dieses Bit an Latch 44 ange­ legt (da es jedoch eine Null ist, würde es Latch 44 nicht aktivieren), wird von einem Inverter 63 in eine logische Eins invertiert, die an Latch 42 angelegt eine Aktivierung dieses Latch bewirkt. Umgekehrt wird Latch 44 aktiviert, wenn das niedrigste übersetzte physikalische Bit der virtuellen Adresse eine logische Eins ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird das nie­ drigste übersetzte physikalische Bit auch an die Zyklussteuer­ schaltung 55 angelegt und dieses Bit (oder Bits im Falle von mehr als zwei Speicherbänken) identifiziert für die Zyklus­ steuerschaltung 55, welche DRAM-Bank-Daten zugegriffen werden sollen.

Es sei beispielsweise angenommen, daß der Prozessor 30 über den virtuellen Adreßbus 32 eine virtuelle Adresse liefert, die in der DRAM-Bank A abgelegten Daten entspricht. Wie oben ge­ sagt, enthalten die der Spaltenadresse innerhalb der Bank entsprechenden Bits niedriger Ordnung ein reales Adreßsegment, werden getrennt und über die Leitung 34 an den Multiplexer 60 angelegt. Das virtuelle Segment der Adresse entsprechend der Zeilenadresse innerhalb der DRAM-Bank A wird an den virtuellen Adreßbus 32 angelegt und unmittelbar von MMU 38 übersetzt, so daß die übersetzten Bits hoher Ordnung über die Leitung 40 an den Multiplexer 60 angelegt werden. Zusätzlich wird das nie­ drigste übersetzte physikalische Bit über die Leitung 62 an die Signalspeicher 42 und 44 angelegt. Als Beispiel sei ange­ nommen, daß dann, wenn das niedrigste übersetzte physikalische Bit eine logische Null ist, Signalspeicher bzw. Latch 42 akti­ viert wird, da die logische Null vom Inverter 63 in eine lo­ gische Eins invertiert wird. Die virtuelle Adresse wird glei­ chzeitig an das aktivierte Latch 42 und den Komparator 43 angelegt. Es ist zu erkennen, daß trotz Anstehens der aktuel­ len virtuellen Zeilenadresse am Latch 42 letzteres die vorher­ gehende virtuelle Zeilenadresse enthält und weiterhin die vorhergehende virtuelle Zeilenadresse beibehält, bis das Latch getaktet wird.

Der Vergleicher 43 vergleicht die aktuelle virtuelle Zeilen­ adresse mit der vorhergehenden virtuellen Zeilenadresse, die im Latch 42 gespeichert ist. Die Ausgänge der Komparatoren 43 und 48 werden über das ODER-Gatter 50 an die Zyklussteuer­ schaltung 55 angelegt. Wenn entweder Komparator 43 oder Kompa­ rator 48 eine Übereinstimmung zwischen der aktuellen virtuel­ len Zeilenadresse und dem Inhalt der Signalspeicher bzw. Latches feststellt, so zeigt das ODER-Gatter 50 an, daß eine Übereinstimmung existiert, und liefert über die Leitung 65 ein Signal an die Zyklussteuerschaltung 55. Das Ausgangssignal jedes Komparators wird auch direkt an die Zyklussteuerung 55 angekoppelt, um diejenige Latch/Komparator-Schaltung zu iden­ tifzieren, welche die Übereinstimmung festgestellt hat. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem eine Überein­ stimmung zwischen der aktuellen virtuellen Zeilenadresse und dem Inhalt von Latch 42 besteht, signalisiert die Zyklus­ steuerschaltung 55 dem Multiplexer 60, daß das die Spalten­ adresse enthaltende reale Adreßsegment auf den physikalischen Adreßbus 70 und die DRAM-Bank A zu koppeln ist. Die Zyklus­ steuerschaltung 55 liefert auch das notwendige Spaltenadreßsi­ gnal (CAS A). Die DRAM-Bank A gibt dann die gewünschten Daten auf einen in der Zeichnung nicht dargestellten Datenbus, und zwar innerhalb der Zugriffszeit des statischen Spalten-RAM (angenähert 45 Nanosekunden). Wenn eine Übereinstimmung be­ steht, wird bei der Erfindung die virtuelle Zeilenadresse also nicht neu angelegt, noch ist ein zusätzliches RAS-Signal zum Zugriff auf gewünschte Daten erforderlich. Es ist für den Fachmann klar, daß typischerweise CAS-Signalleitungen in einem hohen Zustand bleiben und in einen niedrigen Zustand gesetzt werden und RAS-Leitungen typischerweise in einem niedrigen Zustand zum Zwecke des Datenzugriffs sind. Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen, in der die Folge von Operationen bei der Erfindung angegeben ist.

Wenn keine Übereinstimmung zwischen der aktuellen virtuellen Zeilenadresse und der vorhergehenden, im Latch 42 gespeicher­ ten Zeilenadresse existiert, signalisiert die Zyklussteuer­ schaltung 55 dem Multiplexer 60, daß die übersetzte (jetzt reale) Zeilenadresse auf der Leitung 40 über den physika­ lischen Adreßbus 70 an die Speicherbank A zu koppeln ist. Gleichzeitig gibt die Zyklussteuerschaltung 55 ein hohes RAS -Signal an die Bank A und liefert ein Taktsignal über die Taktleitung 72, welches das aktivierte Latch, nämlich Latch 42, derart taktet, daß die aktuelle virtuelle Zeilenadresse im Latch gespeichert wird. Die RAS-Leitung wird dann auf einen niedrigen Zustand gebracht, und der Multiplexer 60 legt das reale Adreßsegment, welches die Spaltenadresse definiert, an die Bank A an und legt außerdem ein niedriges CAS-Signal an. Nach Beendigung dieses vollen Speicherzykluszugriffs ein­ schließlich der Aktualisierung von Latch 42 werden die Zeilen­ und Spaltenadressen zusammen mit ihren zugehörigen Strobe-Si­ gnalen angelegt und Daten von der Speicherbank A über den in der Zeichnung nicht dargestellten Datenbus an den Prozessor geliefert. Es ist für den Fachmann klar, daß dann, wenn ein voller Speicherzugriffszyklus erforderlich ist, die bei der Erfindung erforderliche Zeit zur Gewinnung der gewünschten Daten generell gleich derjenigen bei anderen Computersystemen ist, welche herkömmliche Speicherzugriffstechniken zur Gewin­ nung von Daten aus einem Computer-Hauptspeicher verwenden. In den Fällen jedoch, wo eine Übereinstimmung zwischen der ak­ tuellen virtuellen Zeilenadresse und der zuvor gespeicherten virtuellen Zeilenadresse besteht, werden beträchtliche Vortei­ le in der Geschwindigkeit des Speicherzugriffs durch die Er­ findung erreicht.

Es ist außerdem verständlich, daß die Verwendung der Erfindung in der schematisch in Fig. 2 dargestellten Art dem Computer­ system die Möglichkeit gibt, Speicherbänke für gewisse Arten von Daten auf der Basis der übersetzten virtuellen Zeilen­ adresse und insbesondere der niedrigsten übersetzten physika­ lischen Zeilenadresse Bits zuzuordnen. Generell wurde gefun­ den, daß bei den meisten Computersystemen angenähert 50% der Prozessor-Speicherabrufe Befehlen gelten und angenähert 50% der Speicherabrufe auf Daten bezogen sind. Bei der derzeitigen Generation von RISC-Prozessoren dienen angenähert 20% der Speicherabrufsoperationen der Gewinnung von Daten und ange­ nähert 80% der Abrufoperationen dienen der Gewinnung von Befehlen. Demgemäß ermöglicht die Benutzung der Erfindung die effektive Defintion eines "Cache"in einer oder mehreren Spei­ cherbänken derart, daß lokalisierte Teilsätze des Speichers sehr rasch zugegriffen werden können. Mit anderen Worten, das Computer-Betriebssystem kann die im Speicher gespeicherten Daten und Befehle verfolgen und Daten beispielsweise in grad­ zahlige Speicherbänke und Befehle in ungradzahlige Speicher­ bänke oder umgekehrt ablegen. Daher kann die Wahrscheinlich­ keit eines sequentiellen Speicherzugriffs durch den Prozessor für jede DRAM-Bank mit identischen virtuellen Zeilenadressen beträchtlich erhöht werden. Die Verwendung einer solchen Spei­ chersystemarchitektur in Verbindung mit der erfindungsgemäß angegebenen Hardware nach Fig. 2 macht in vielen Fällen ein separates System auf Cache-Grundlage überflüssig. Es ist na­ türlich für den Fachmann klar, daß trotz der Darstellung von zwei Bänken von dynamischen RAM-Speichern gemäß Fig. 2 das beschriebene Ausführungsbeispiel auf eine Vielzahl von Bänken erweitert werden kann, wobei jeder Bank ein entsprechendes Latch und eine Komparatorschaltung zugeordnet ist und die Anzahl von niedrigsten übersetzten physikalischen Bits zur Aktivierung spezieller Latches als Funktion der Anzahl der verwendeten dynamischen RAM-Bänke benutzt wird.

Claims (22)

1. Speicherzugriffssystem mit einem Speicher, der eine Speichermatrix enthält, und einer Adressiereinrichtung zum Erzeugen von die Lage der Daten in der Matrix identifizieren­ den Zeilen- und Spaltenadressen entsprechend den gewünschten Daten in der Matrix, wobei Daten in der Matrix dadurch zu­ greifbar sind, daß an die Matrix Zeilen- und Spaltenadressen und danach Zeilenadreß-Strobe-(RAS) und Spaltenadreß-Strobe -(CAS) Signale angelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Adressiereinrichtung (30) Signalspeichermittel (Latch 18; 42, 44) gekoppelt sind, welche eine Zeilenadresse aufnehmen und diese bei Empfang eines Taktsignals speichern, daß eine von der Adressiereinrichtung gelieferte aktuelle Zeilenadresse (12) mit einer in den Signalspeichermitteln gerade gespeicherten vorhergehenden Zeilenadresse vergleichen­ de Komparatormittel (20; 23, 48) mit den Signalspeichermitteln und der Adressiereinrichtung gekoppelt sind, daß eine Zyklus­ steuerschaltung (20; 55) mit den Komparatormitteln (20, 43, 48), den Signalspeichermitteln (18; 42, 44) und dem Speicher (10) gekoppelt ist, wobei die Zyklussteuerschaltung eine aktu­ elle Speicheradresse an die Matrix anlegt, das RAS-Signal erzeugt und ferner Speicheradresse und CAS-Signal an die Ma­ trix anlegt, um auf die gewünschten Daten zuzugreifen, und wobei die Zyklussteuerschaltung die Signalspeichermittel zum Speichern der aktuellen Zeilenadresse taktet, wenn die aktuel­ le Speicheradresse von der vorhergehenden Speicheradresse abweicht, und daß die Zyklussteuereinrichtung (22; 55) die Spaltenadresse und das CAS-Signal an die Matrix anlegt, wenn die aktuelle Zeilenadresse gleich der vorhergehenden Zeilen­ adresse ist, wobei nur die Spaltenadresse und das CAS-Signal zur Beschaffung des Zugriffs auf die gewünschten Daten erfor­ derlich sind.

2. Speicherzugriffssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Speicher (10) N Bänke von Speicherfeldern bzw. Matrizen enthält.

3. Speicherzugriffssystem nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Signalspeichermittel (18) N Signalspeicher (42, 44) und die Komparatormittel (20) N Komparatoren (43, 48) in Zuordnung zu jeder der Bänke der Speicherfelder aufweisen.

4. Speicherzugriffssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Speicherfelder einen dynamischen Direktzugriffsspeicher mit statischem Spaltenzugriff auf­ weist.

5. Speicherzugriffssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilenadresse eine virtuelle Adresse ist und daß die virtuelle Adresse vor dem Anlegen an die Matrix oder das Speicherfeld durch eine Speichermanagem­ enteinheit (MMU 38) in eine reale Zeilenadresse übersetzbar ist.

6. Speicherzugriffssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Adressiereinrichtung ein Pro­ zessor (30) ist.

7. Speicherzugriffssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der N Komparatoren (43, 48) mit einem ODER-Gatter 50 gekoppelt sind und daß dem ODER-Gatter die Zyklussteuerschaltung (55) nachgeschaltet ist.

8. Speicherzugriffssystem nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausgänge der N Komparatoren (43, 48) auch direkt mit der Zyklussteuerschaltung (55) gekoppelt sind.

9. Speicherzugriffssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Y niedrigsten übersetzten physikalischen Bits von der MMU (38) an die Signalspeicher (42, 44) derart angelegt sind, daß der Wert der Y Bits wenig­ stens einem der Signalspeicher und einer der Speicherbänke entspricht, wodurch der entsprechende Signalspeicher aktivier­ bar ist.

10. Speicherzugriffssystem nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die in den N Bänken von Speichermatrizen oder -feldern abgelegten Daten so organisiert sind, daß bestimmte Bänke einen höheren Prozentsatz an Befehlen als Daten im Ver­ gleich zu anderen Bänken speichern.

11. Speicherzugriffssystem nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Datenorganisation so vorgesehen ist, daß die Wahrscheinlichkeit von aufeinanderfolgenden Speicherzugriffen zu derselben Zeilenadresse wie bei vorhergehenden Zugriffen beträchtlich erhöht ist.

12. Speicherzugriffssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenspeicherung von einem Betriebssystem gesteuert ist, das vom Prozessor (30) ausge­ führte Befehle enthält.

13. Speicherzugriffssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Adressiereinrichtung (30) gelieferten Spaltenadressen reale Adressen sind.

14. Speicherzugriffssystem nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die übersetzte reale Zeilenadresse und die reale Spaltenadresse von einem Multiplexer (16; 60) in Abhängigkeit von Befehlen der Zyklussteuerschaltung (22; 55) selektiv an die Speichermatrizen ankoppelbar sind.

15. Verfahren zum Zugreifen auf einen Computerspeicher, wobei zum Zugreifen auf in wenigstens einer Speichermatrix ge­ speicherte Daten die Lage dieser Daten identifizierende Zei­ len- und Spaltenadressen sowie Zeilenadreßstrobe-(RAS) und Spaltenadreßstrobe-(CAS) Signale an die Matrix angelegt wer­ den, dadurch gekennzeichnet, daß eine aktuelle Zeilen- und Spaltenadresse entsprechend den gewünschten Daten in der Matrix erzeugt wird, daß eine zuvor erzeugte Zeilenadresse in Abhängigkeit vom Anstehen eines Taktsignals in einem Signalspeicher gespeichert wird, daß die aktuelle Zeilenadresse mit der zuvor gespeicherten Zeilenadresse verglichen wird und daß die Spaltenadresse und das CAS-Signal in dem Fall, daß die aktuelle Zeilenadresse gleich der zuvor gespeicherten Zeilenadresse ist, allein zum Zugreifen auf die gewünschten Daten verwendet werden, jedoch im Falle fehlender Übereinstim­ mung zwischen der zuvor gespeicherten Zeilenadresse und der aktuellen Zeilenadresse letztere ebenso wie das RAS-Signal an die Matrix zusätzlich zu der Spaltenadresse und dem CAS-Signal angelegt werden, um auf die gewünschten Daten zuzugreifen, und daß ein Taktsignal zur Speicherung der aktuellen Zeilenadresse an den Signalspeicher angelegt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Computerspeicher mit N Bänken von Speichermatrizen bzw. -feldern verwendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Signalspeicher verwendet werden und daß der Vergleichsschritt unter Verwendung von N Komparatoren durchgeführt wird, von denen jeder einer Speichermatrixbank zugeordnet ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeilenadresse eine virtuelle Adresse verwendet wird, die vor dem Anlegen an die Matrix in eine reale Zeilenadresse übersetzt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Y niedrigste übersetzte physikalische Bits derart zu Signal­ speichern übertragen werden, daß der Wert der Y Bits wenig­ stens einem der Signalspeicher und Speicherbänke entspricht, so daß der entsprechende Signalspeicher aktiviert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die N Speichermatrixbänke so organisiert werden, daß einige der Bänke einen höheren Prozentsatz an Befehlen als Daten im Vergleich zu anderen Bänken speichern.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten so organisiert werden, daß die Wahrscheinlichkeit aufeinanderfolgender Speicherzugriffe zu derselben Zeilen­ adresse wie bei vorhergehenden Zugriffen beträchtlich erhöht wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine reale Adresse als Spaltenadresse erzeugt wird.