CN1275734A - 利用存储器重新映射技术降低处理器工作量的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种利用存储器重新映射技术的资料处理系统及方法,具有增强的系统控制器,使得存储器重新映射。本系统控制器具有存取控制电路、分页/重新映射管理电路及开启/重新映射地址表。开启/重新映射地址表用以存储映射表,表示存储区和外围装置相对应地址的对应关系。分页/重新映射管理电路则在不同操作模式中维持及使用映射表。另外,分页/重新映射管理/电路可根据目前操作模式的映射表以重新指向适当存储区的存取请求。因此,外围装置便可以利用操作模式的改变,有效地存取及处理不同存储区的资料。

Description

利用存储器重新映射技术降低处理器 工作量的方法及系统

本发明涉及一种资料处理系统及方法，特别涉及一种使用存储器重新映射技术的资料处理系统及方法。

存储器是资料处理或计算系统(以下称为“系统”)的基本单元。在正常操作下，系统必须花费许多时间从存储器移动资料或将资料写入存储器。因此，如何有效地存取存储器便是评定系统整体效能的关键因素。

图1为现有的系统的基本结构方框图。如图1所示，该系统具有处理器1、系统控制器3、存储器5及数个外围装置，如外围装置7及外围装置9。处理器1是该系统的主要元件，用以执行各种资料处理动作(如运算及逻辑操作)及资料传输动作。存储器3(通常由DRAM构成)是主要的存储装置，用以存储主程序数据及资料。外围装置7及9则是用来与外部通讯，或补充该系统的额外功能。部分热门的外围装置(如绘图卡、具有I/O界面的数据机、MPEG卡)普遍用于计算及资料处理系统中。系统控制器3(设置于处理器1、存储器5、外围装置7及9间)则是用来连结处理器1和外围装置7及9。另外，系统控制器3也会提供存储器的存取方法，用来帮助处理器1及周边装置去存取存储器5。从存储器存取的观点看，系统控制器3应该能在预定时序中处理全部有关存储器5的存取请求(来自处理器1或外围装置7及9)。要注意的是，图1的基本结构中并未详细列出现有电脑系统的所有基本元件，如存储器内的闪速存储器。

图2为现有的系统中系统控制器3及存储器5的详细框图。在现有的存储器技术中，物理存储装置(如DRAM)通常会分成数个可独立存取的存储体(memory bank)。如图2所示，存储器5具有存储体5a、存储体5b、存储体5c等，可在相对应的存取控制信号(图中未示)的控制下独立存取。另一方面，图2介绍系统控制器3的三个存储器存取元件，包括：存取控制电路31、分页(page)管理电路33及开启页地址表35(存储于存储器)。存取控制电路31是用来接收外部的存取请求(由处理器1或其它外围装置输入)。它也可以实际处理存储器5的存取控制指令。分页管理电路31是在存取控制(尤其是存储管理)时帮助存取控制电路31。存储器5的每次存储具有固定数目的位数组，可在更快速的操作模式中存取。每次存储的位数组数目与实际应用有关，通常是32个位数组或更多。若一次存储为“开启”，表示该存储中所有存储器位置都可以在比“未开启”存储更快速的操作模式中被存取(特别是写入动作)，这是因为不需要预取(pre-fetch)动作的缘故。开启页地址表35(由存储装置构成)是用来记录存储器5中所有“开启”记录的地址信息。通常，分页管理电路33会根据存取控制电路31的实际存取动作适度改变所有存储在开启页地址表35的地址信息。另外，分页管理电路33也会根据所有存储在开启页地址表35的地址信息以帮助存取控制电路31有效存取存储器5。

在图1的系统结构中，处理器1及其他外围装置必须经常存取存储器5所要求的存储位置以执行预定应用。图3为现有技术的这种存取例的示意图，其中，外围装置9提供特定资料给该系统，，外围装置7则针对这些资料进行运算。图3的例子可以是：数据机装置(外围装置9)从互联网下载压缩可视文件(Archived video file)，例如利用MPEG技术编码的可视文件，该系统则利用相对应的MPEG卡(外围装置7)将可视资料解码或恢复。在一般系统结构中，每个外围装置都会被分派一存储区以与其它装置通讯。在图3中，外围装置7利用相对应的地址ADDR#2以存取存储区B2；外围装置9则利用相对应的地址ADDR#1以存取存储区B1。

在现有的资料处理系统中，这个存取例有五个步骤(分别表示成S1～S5)，依次说明如下。在步骤S1中，外围装置9存储资料(可以是压缩文件)至对应于地址ADDR#1的存储区B1。接着，处理器1必须将存储区B1的输入资料移至与对应于外围装置7的地址ADDR#2相对应的存储区B2。因此，处理器1要读取存储区B1的资料(步骤S2)，并将资料写入存储区B2(步骤S3)。显然，处理器1的工作量会增加，因为处理器1也必须处理资料的移动。最后，外围装置7则可从存储区B2取回资料(步骤S4)，对这些资料进行预定运算，如MPEG解码，并将结果写回存储区(步骤S5)。

现有的存储器存取机制有两个缺点。首先，处理器1必须处理资料在两个存储区间的移动，将其分别指派给两个不同的外围装置。这表示处理器1必须浪费时间以执行资料的传输，并延迟其他必要工作。其次，将资料由存储区B1移动至存储区B2是非常耗时的工作。因此，在这种应用中，整体系统效能乃会因两存储区间的资料移动而降低。

因此，本发明的目的便是提供一种可在两个独立存储区间交换资料、并减少系统处理器的工作量及处理时间的方法及系统，以便提高整体系统效能。

为达到上述目的，本发明提供一种增强型系统控制器，该系统具有可以使存储器重新映射功能。系统内的存储装置包含第一存储区，即第一组物理存储位置，及第二存储区，即第二组物理存储位置。系统控制器在两种模式下动作。在第一种操作模式，即正常模式中，系统控制器会将对应于第一外围装置的第一组地址映射到第一存储区，并将对应于第二外围装置的第二组地址映射到第二存储区。这种对应关系与已知的例子相同。在第二种操作模式即重新映射模式中，系统控制器会改变存储区地址的原始关系。也就是说，对应于第一外围装置的第一组地址重新映射到第二存储区，而对应于第二外围装置的第二组地址则重新映射到第一存储区。因此，第二外围装置可存取具有第一外围装置先前处理资料的第一存取区。

由正常模式切换至重新映射模式是由第一控制信号触发，其可以当第一外围装置在正常模式中完成第一存储区的存取时启动。同样地，由重新映射模式切换至正常模式则是由第二控制信号触发，其可以当第二外围装置在重新映射模式中完成第一存储区的存取时启动。

系统控制器包括存取装置，存储装置(嵌入式存储器)及控制装置。存取装置根据外围装置的存取请求以存取存储器装置。存储装置用以存储第一映射表及第二映射表以表示不同存储地址组的存储区的关系。控制装置耦合于存储装置及存取装置之间，必须进行下列两个功能。第一个功能是读取(Pick up)所需映射表以根据现行操作模式由存储装置定义包含于输入请求中地址信息的关系至存储区。第二个功能则是在实际存取存储装置时根据读取的映射表与存取装置合作。因此，存储区，特别是存储其中的资料，可在不同操作模式中由不同外围装置存取，而不需要物理的资料传输。

再者，本发明提供一般的处理存取方法，其可以在第一外围装置，第二外围装置及存储装置间请求以降低物理资料传输的可能性。首先，将对应于第一外围装置的第一组地址映射至存储装置中的一个存储区。然后，第一外围装置可根据第一组地址将资料写入这个存储区。当第一外围装置完成工作后，对应于第二外围装置的第二组地址则重新映射至这个存储区以取代第一组。因此，第二外围装置可利用第二组地址而轻易地从这个存储区读取资料。在这种方法中也不需要不同存储区间的资料传输。

因此，本发明有益效果为，系统中各外围装置间的通讯不需要实际的资料传递。利用系统控制器所支援的重新映射功能，各外围装置间的处理并不需经由系统处理器，故其工作量可以减低。

由一个存储区移动至另一个存储区必然会浪费很多时间。不过，在本发明的实施例中，存储在预定存储区的资料可以由现有技术中无法存取的外围装置直接存取。

上述实施例可轻易完成。电脑系统的主存储器及外围装置(包括界面电路)不需要任何调整。只有系统控制器的原始分页管理电路33及开启页地址表35会有所改变。对现有的开启页地址表35扩大其存储器空间以适用于本实施例的所有映射表35a。现有的分页管理电路33需要增加额外电路以控制及使用开启/重新映射地址表35a的映射表，并重新指向存取请求以在重新映射模式中存取适当的存储区。

以下结合附图详细说明本发明的较佳实施例。

图1为现有的计算系统或资料处理系统的结构框图；

图2为现有的计算系统或资料处理系统中系统控制器及主存储器的详细结构图；

图3为现有的存取例的系统示意图，其中，一外围装置提供系统特定资料，另一外围装置则对这些特定资料进行运算；

图4为本发明实施例的系统控制器的结构框图；

图5A为与现有技术相同的存取例的系统示意图，其中，一外围装置提供系统特定资料，另一外围装置则对这些特定资料进行运算；

图5B为图5A存取例的详细步骤流程图；

图6为具有三个外围装置的存取例的示意图；以及

图7A、7B、7C分别为图6存取例的详细动作的过程示意图。

图4为使存储器具有重新映射功能的新式系统控制器3a的结构框图。在图4中，系统控制器3a具有存取控制电路31、分页/重新映射管理电路(page/remapped management circuit)33a及开启/重新映射地址表(open/remapped address table)35a。存取控制电路31的功能与图2存取控制电路31相同。不过，分页/重新映射管理电路33a及开启/重新映射地址表35a的功能则与分页管理电路33及开启页地址表35略有不同。因此，它们使用不同的标号。

如在现有技术中所述，存取控制电路31根据不同外围装置所送出的包含在存取请求中的指令实际存取存储器5。在图4中，CMD1、CMD2、CMD3表示不同的指令。在这个实施例中，存取请求CMD1、CMD2、CMD3具有不同的地址ADDR#1、ADDR#2、ADDR#3，其分属于不同外围装置相对应的地址范围。由外围装置的角度看，他们分别试图对应于地址ADDR#1、ADDR#2、ADDR#3的存储区。假设地址ADDR#1、ADDR#2、ADDR#3在系统的起始设定中对应于存储区5a、5b、5c。

开启/重新映射地址表35a用于维持存取请求中地址映射至存储器5物理位置的关系。特别是，开启/重新映射地址表35a应该清楚定义不同地址ADDR#1、ADDR#2、ADDR#3如何映射至对应的存储器5存储位置，如区块5a～5c。在这个实施例中，开启/重新映射地址表35a存储两个映射表，包括正常操作模式中使用的初始映射表(INITIAL)及重新映射模式中使用的重新映射的映射表(REMAPPED)。虽然这个实施例中只定义两个映射表，但开启/重新映射地址表35a若有必要也可以具有更多的映射表以用于不同的操作模式中。另外，开启/重新映射地址表35a可利用系统控制器已存在的开启页地址存储装置以实现。

分页/重新映射管理电路33a是系统控制器3a的关键元件，且可以通过增加现有的与重新映射相关的额外电路的分页管理电路来实现。分页/重新映射管理电路33a有两个必要的工作。第一个工作是根据开启/重新映射地址表35a的信息在实际存取存储器5时与存取控制电路31合作。第二个工作则是从开启/重新映射地址表35a选择映射表以表示现行操作模式中存储区域5a～5c与地址ADDR#1～ADDR#3的对应关系。特别是，根据输入控制信号CTL，存储/重新管理电路33a可切换系统控制器3a的操作模式。如上所述，在正常操作模式中使用表示预先定义的对应关系的初始映射表。另外，重新映射操作模式中则使用重新映射表。

因此，在正常操作模式中，地址ADDR#1～ADDR#3与存储区5a～5c为一一对应关系。也就是说，存取请求CMD1可经由地址ADDR#1存取存储区5a，而存取请求CMD2则可在存取控制电路31的控制下经由地址ADDR#2存取存储区5b。不过，存储区与地址的对应关系会在不同操作模式中改变。根据开启/重新映射地址表35a的重新映射地址表，地址ADDR#2应该对应于存储区域5a，地址ADDR#1应该对应于存储器区域5b，且地址ADDR#1应该对应于存储区域5c。因此，具有存取地址ADDR#1的存取请求CMD1实际存取存储区域5b，而具有存取地址ADDR#2的存取请求CMD2则在这种模式下存取存储区域5a。因此，外围装置可利用操作模式的改变，而非资料的物理传输，来存取及处理不同存储区域中的资料。改变现行操作模式可由系统控制器独立且自动地实现。换句话说，交换对应关系的功能可透明于使用者及系统的应用程序。使用者不需象执行部分应用程序那样用手启动该功能。这种处理方法可有效降低处理器的工作量，并节省不同存储区间资料传输的大量时间。

要注意的是，图4的重新映射的例子并非用来限定本发明。可以调整重新映射参数，如重新映射表的数目及内容，以符合实际应用的不同情况。分页/重新映射管理电路33a可根据控制信号CTRL相关的命令以利用存放在开启/重新映射地址表35a的对应信息。在重新映射模式中，分页/重新映射管理电路33a可根据开启/重新映射地址表35a所存储的重新映射表，将从存取控制电路31接收的存取请求的地址信息重新指向至另一个存储区。

图5A为存取例的示意图，它是具有支援存储器重新映射功能的系统控制器。基本上，图5A的存取例与图2的现有技术例相似。也就是说，外围装置9存储特定资料至存储区B1，而外围装置7则接收该特定资料，处理该特定资料，并将结果写回。图5B则是这个存取例的详细步骤，其标示为S11、S12(图中未示)、S13及S14。这些步骤的详细说明如下。

在步骤S11中，外围装置9会将资料写入存储区B1，其目前地址为相对应于外围装置9的地址ADDR#1。同时，外围装置7则存取存储区B1，其目前地址为ADDR#2。(B1，ADDR#1)及(B2，ADDR#2)的对应关系是由图4的实施例的系统控制器控制及管理。当外围装置9完成写入动作后，系统控制器3a会开始进行重新映射动作，如步骤S12，使相对应于外围装置7的地址ADDR#2重新指向包含外围装置9的存储资料的存储区B1。如上所述，系统控制器可在分页/重新映射管理电路33a的控制下执行这种重新映射功能，其会将包含地址ADDR#1的任何请求重新指向以存取存储区B2，并将包含地址ADDR#2的任何请求重新指向以存取存储区B1。

因此，在步骤S13中，外围装置7会利用地址ADDR#2读取存储区B1的资料。从外围装置7的角度看，它永远是利用地址ADDR#2存取存储器5。不过，外围装置7是在正常操作模式中物理存取存储区B2，而在重新映射操作模式中物理存取存储区B1。待处理取回资料后，外围装置7会利用地址ADDR#2将结果写入存储区B1，如步骤S14。

图6为具有三个外围装置的实际存取例的示意图。如图6所示，这些外围装置包括数据机60、MPEG II卡61及图形适配器(graphicadaptor)62。在这个例子中，数据机60首先接收外部的压缩可视资料(由MPEG II编码)，并将其写入存储器5。MPEG II卡61则由存储器5接收压缩可视资料，并对这些压缩可视资料进行MPEG解码动作，借以回复得到正常的可视资料。最后，图形适配器62则将正常可视资料显示于特定的荧幕上。因此，在这个例子中，压缩可视资料及正常可视资料应该置于外围装置可适当存取的物理存储位置。假设数据机60、MPEGII卡61、图形适配器62的对应地址范围分别表示为ADDR#1、ADDR#2、ADDR#3。另外，存储器5的存储区R1、R2、R3在正常模式中指定于ADDR#1、ADDR#2、ADDR#3。在图6中，符号a～f依次表示本例的资料流。

图7A～7C为本存取例的操作阶段示意图，其使用使存储器重新映射的系统控制器。要注意的是，有两个额外的重新映射模式，即第一重新映射模式及第二重新映射模式，其说明如下。

图7A为系统在正常模式的例子。因此，数据机60可利用相对应的地址ADDR#1存取存储区R1。特别是，数据机60会将可以从外部下载的压缩可视资料写至存储区R1。同时，MPEG II卡61及图形适配器62则可以分别存取存储区R2及R3。

待数据机60完成写入动作后，系统控制器会启动重新映射步骤以将现行正常模式改变至第一重新映射模式，其中，存储区R1、R2、R3分别对应于地址ADDR#2、ADDR#3、ADDR#1。要注意的是，存储区与外围装置的对应关系已经改变。在第一重新映射模式中，MPEG II卡61可利用相对应的地址ADDR#2直接存取存储区R1。压缩可视资料则仍留在存储区R1。因此，MPEG II卡61可取回存储区R1的压缩可视资料，将其解码，并将正常可视资料写入存储区R1，如图7B所示。

待MPPEG II卡61完成其工作后，系统控制器会启动重新映射步骤以切换至第二重新映射模式，其中，存储区R1、R2、R3分别对应于地址ADDR#3、ADDR#1、ADDR#2。如此，图形适配器62可利用相对应的地址ADDR#3直接存取存储区R1。要注意的是，资料仍留在存储区R1。因此，图形适配器62可取回存储区R1的正常可视资料，并将其显示于显示荧幕上，如图7C所示。

图7A～7C的三个状态构成了一个工作周期，其可以重复执行直到所有资料都被处理过。显然，本存取方法较现有的方法更好，因为存储器区块间的实际资料传递并不会用到系统处理器。

回到图4，其简单说明了向分页/重新映射管理电路33a传送与模式相关的信息的控制信号CTRL。如上述，控制信号CTRL是用来表示现在所需的操作模式。举例来说，在图6的存取例中，控制信号CTRL可能会在数据机60完成资料写入动作、MPEG II卡61完成资料处理动作、或图形适配器62完成资料取回动作后送出。维持资料完整性的最好方法是等外围装置完成先前状态的动作后，再执行重新映射的步骤。不过，在上例中，MPEG II卡61通常会较其他外围装置花费更多处理时间。因此，控制信号CTRL亦可根据MPEG II卡61的处理状态启动。另外，对应于外围装置的存储区应该位于不同的记忆库，且可以同时存取。

本发明利用存储器重新映射技术以便在计算系统或资料处理系统中，达到不同外围装置间的资料交换。由于系统控制器可存取主存储器及不同外围装置并控制主存储器的物理存取，存储器重新映射功能最好是直接实现在系统控制器中。

虽然本发明已示出较佳实施例，然其并非用来限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的改进或替换应被视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种资料处理系统，其特征在于，包括：

一存储装置，具有第一物理存储位置及第二物理存储位置；

第一外围装置，以与其对应的第一组地址存取该存储装置；

第二外围装置，以与其对应的第二组地址存取该记忆装置；及

系统控制器，耦合于该存储装置、该第一外围装置及该第二外围装置之间，用于在第一模式中将对应于该第一外围装置的第一组地址映射至该第一物理存储位置，并将对应于该第二外围装置的第二组地址映射至该第二物理存储位置，该系统控制器根据第一控制信号切换至第二模式，将对应于该第二外围装置的第二组地址映射至该第一物理存储位置。

2.如权利要求1所述的资料处理系统，其特征在于，该系统控制器在该第二模式中，将对应于该第一外围装置的第一组地址映射至该第二物理存储位置。

3.如权利要求1所述的资料处理系统，其特征在于，该第一控制信号是在该第一外围装置完成将资料写入该第一物理存储位置后启动；该第二外围装置则是在该第二模式中，利用该第一外围装置从该第一物理存储位置中读取资料。

4.如权利要求1所述的资料处理系统，其特征在于，该系统控制器根据第二控制信号从该第一模式切换至该第二模式。

5.如权利要求4所述的资料处理系统，其特征在于，该第二控制信号当该第二外围装置在该第二模式中完成对该第一物理存储位置的存取时启动。

6.一种系统控制器，将分别对应于多组地址的外围装置连接至一具有多组物理存储位置的存储装置，包括：

存取装置，耦合于该多组外围装置及该存储装置之间，根据该多组外围装置所送出的存取请求来实际存取该存储装置；

存储装置，存储第一映射表及第二映射表以分别表示在第一模式及第二模式中该组物理存储位置及该组地址的关系；以及

控制装置，耦合于该存取装置及该存储装置之间，根据一控制信号选择该第一映射表及该第二映射表之一，并根据该选择的映射表与该存取装置合作存取该存储装置。

7.如权利要求6所述的系统控制器，其特征在于，当该外围装置完成将该组物理存储位置分别映射至在该第二模式中对应的该组地址的动作后，该控制信号会启动以驱动该控制装置去选择该第一映射表。

8.如权利要求6所述的系统控制器，其特征在于，该控制信号会在该外围装置之一完成相对应的该组物理存储位置的资料处理动作时送出。

9.如权利要求6所述的系统控制器，其特征在于，当该外围装置完成将该组物理存储位置分别映射至在该第一模式中对应的该组地址的动作后，该控制信号会启动以驱动该控制装置去选择该第二映射表。

10.一种在第一外围装置、第二外围装置及存储装置之间处理存取请求的方法，包括：

将对应于该第一外围装置的第一组地址映射至该存储装置的一组物理存储位置；

利用对应于该第一外围装置相对应的第一组地址将资料写入该组物理存储位置；

重新将对应于该第二外围装置的第二组地址映射至该存储装置的该组物理存储位置；以及

利用与该第二外围装置相对应的第二组地址读取该组物理存储位置的资料。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括在完成该读取步骤后，重新将该第一组地址映射至该存储装置的该组物理存储位置的步骤。

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