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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Speicherbauelement mit einem Speicherzellenfeld,
das zum Speichern interner Tiefendaten eines Objektes eingerichtet
ist, wobei das Speicherbauelement in Verbindung mit einer Speichersteuerung
verwendbar ist, und auf ein zugehöriges Verfahren zur Verarbeitung der
Tiefendaten eines Objekts in einem von einer Speichersteuerung gesteuerten
Speicherbauelement.
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In
Anwendungen von zweidimensionalen (2D-)Graphiken wird ein Objekt
auf einem Anzeigeschirm durch x- und y-Koordinaten sowie Farbe repräsentiert.
Wenn auf dem Anzeigeschirm ein vorhandenes Objekt durch ein neues
Objekt ersetzt wird, wird ein Farbwert an einer Position eines Speichers
aufgezeichnet, die den x- und y-Koordinaten jedes der Bildpunkte
entspricht, die das neue Objekt bilden, und dann wird der Farbwert
im Rasterverfahren auf den Anzeigeschirm gegeben. Mit dem Begriff „Objekt" ist vorliegend ein
Graphikobjekt gemeint. Das Objekt wird bezüglich der Graphikverarbeitung als „neu" bezeichnet, auch
wenn es sich um dasselbe, vom Systemnutzer wahrgenommene Anzeigeobjekt
handelt.
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In
dreidimensionalen (3D-)Graphikanwendungen repräsentieren z-Werte einen Bildpunktabstand
vom Betrachter. Typischerweise zeigen kleine z- Werte an, dass sich ein Objekt nahe
beim Betrachter befindet, während
hohe z-Werte anzeigen, dass das Objekt weit entfernt ist. Mit anderen
Worten legt die z-Koordinateninformation Tiefendaten eines Objektes
auf einem Anzeigeschirm fest, um es auf diese Weise dem Nutzer zu
erlauben, die Tiefe des Objektes zu erkennen.
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Geräte, die
3D-Graphiken verwenden, setzen 3D-Funktionen ein, wie z-Pufferung, α-Mischung und
Texturbildvergleich. Derartige Funktionalitäten sind rechenintensiv und
erfordern daher eine hohe Bandbreite. Speziell sollte im Fall der
z-Pufferung bei der Durchführung
von 3D-Graphikanwendungen, wie eines 3D-Spiels, z-Koordinateninformation
zu den x- und y-Koordinateninformationen
einer 2D-Graphik hinzugefügt
werden. Dieser serielle Vorgang wird als z-Pufferung bezeichnet.
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Bei
solchen Funktionen kann es sein, dass ein vorhandenes Objekt durch
ein neues Objekt auf dem Anzeigeschirm ersetzt wird. Dabei kann
es sich um dasselbe Objekt handeln, jedoch mit neuem Erscheinungsbild,
entsprechend den aktualisierten z-Koordinaten. Wenn daher ein vorhandenes
Objekt durch ein neues Objekt auf dem Anzeigeschirm ersetzt wird,
werden zuerst die räumlichen
Koordinatenwerte, auch als z-Werte oder Tiefendaten bezeichnet,
für die
Bildpunkte entsprechend dem vorhandenen Objekt mit den räumlichen
Bildpunkt-Koordinatenwerten verglichen, die das neue Objekt abbilden.
Wenn letztere niedriger als erstere sind, werden die ersteren durch
die letzteren aktualisiert.
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Die
z-Pufferung wird dadurch ausgeführt, dass
die z-Werte eingehender Farbdaten mit den z-Werten zuvor existierender
Farbdaten verglichen werden. Wenn die eingehenden Farbdaten näher liegen,
d. h. einen kleineren z-Wert besitzen, werden die zuvor existierenden
Farbdaten durch die eingehenden Farbdaten ersetzt, andernfalls werden
die eingehenden Farbdaten verworfen.
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Es
ist bekannt, diese Funktion durch Speichersteuerungen auszuführen. Eine
Speichersteuerung liest die räumlichen
Koordinatenwerte der Bildpunkte des vorhandenen Objektes aus einem Speicherbauelement
und vergleicht sie mit den räumlichen
Koordinatenwerten der Bildpunkte des neuen Objektes. Wenn irgendeine
Modifikation in den räumlichen
Koordi natenwerten des vorhandenen Objektes vorliegt, schreibt die
Speichersteuerung die räumlichen
Koordinatenwerte des neuen Objektes in das Speicherbauelement. Dieser
Vorgang wird mit Lesen-Modifizieren-Schreiben bezeichnet, nachfolgend als „RMW" abgekürzt.
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1 zeigt
ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung
des RMW-Vorgangs bei einem herkömmlichen
Speicherbauelement. Wie daraus ersichtlich, werden interne Tiefendaten
Dout, die in einer durch einen Lesebefehl RD ausgewählten Speicherzelle gespeichert
sind, von der Speichersteuerung über Anschlüsse DQ für Dateneingabe
und -ausgabe (I/O) gelesen, wenn der Speicherlesebefehl RD an der
ansteigenden Flanke eines Taktzyklus 3 nach einem Aktivierungsbefehl
ACT von der Speichersteuerung eingegeben wird.
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Die
Speichersteuerung vergleicht die räumlichen Koordinatenwerte Dout
eines vorhandenen Objektes mit eingegebenen räumlichen Koordinatenwerten
Din eines neuen Objektes in Intervallen „a". Wie aus 1 ersichtlich,
besitzt das Intervall „a" eine Länge von
zwei Zyklen. Wenn die eingegebenen räumlichen Koordinatenwerte Din
des neuen Objektes, nachfolgend als „externe Tiefendaten" bezeichnet, kleiner
als die räumlichen
Koordinatenwerte Dout des vorhandenen Objektes sind, nachfolgend als „interne
Tiefendaten" bezeichnet,
bedeutet dies, dass das Objekt nun näher liegt. Die Speichersteuerung
bereitet dann das Schreiben der externen Tiefendaten Din in ein
Speicherzellenfeld des Speicherbauelementes vor, bei dem die internen
Daten ersetzt werden. Wenn ein Schreibbefehl WR vorliegt, werden
die externen Tiefendaten Din, die an den I/O-Datenanschlüssen DQ anliegen, in das ausgewählte Speicherzellenfeld
des Speicherbauelementes in Abhängigkeit
vom Schreibbefehl WR geschrieben.
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Wie
aus 1 zu erkennen, sind zur Durchführung eines RMW-Vorgangs für die räumlichen
Koordinatenwerte ab dem Punkt, an dem der Aktivierungsbefehl ACT
eingegeben wird, bis zum Punkt, an welchem ein Vorladebefehl PRE
eingegeben werden kann, mindestens zehn Taktzyklen erforderlich.
Dies liegt daran, dass in der Speichersteuerung eine Logik zum Vergleichen
der Koordinatenwerte der Tiefendaten enthalten ist und von der bekannten
Speichersteuerung eine Tiefenvergleichsfunktion ausgeführt wird.
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Dementsprechend
besitzt das herkömmliche Speicherbauelement
die Schwierigkeit, dass sich die Speicherbusleistungsfähigkeit
verschlechtert. Die zum Durchführen
eines RMW-Vorgangs für
die räumlichen
Koordinatenwerte erforderliche Zeit wird verzögert, was die Leistungsfähigkeit
der Graphikfunktionen beeinträchtigt.
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In
der Patentschrift
US 5.673.422 ist
ein Einzelbild-Pufferspeicher für
eine Bildverarbeitungsschaltung offenbart, bei dem Bilddaten einschließlich Tiefendaten
eines Objektes parallel einer Pixelverarbeitungseinheit und einer
Vergleichseinheit zugeführt werden.
Außerdem
werden diesen beiden Einheiten entsprechende bisherige Bilddaten
von einem Cachespeicher zugeführt.
Die Pixelverarbeitungseinheit verarbeitet die zugeführten Daten
in vorgegebener Weise, z. B. zwecks α-Mischung etc., und gibt die
generierten Daten an den Cachespeicher ab. Die Vergleichseinheit
steuert mit ihrem Ausgangssignal das wahlweise Schreiben der Bilddaten
im Cachespeicher in einen Hauptspeicher, um abhängig vom Vergleichsergebnis
die dort bisher gespeicherten Daten zu überschreiben.
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Der
Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines
Speicherbauelementes der eingangs genannten Art und eines Tiefendaten-Verarbeitungsverfahrens
hierfür
zugrunde, bei denen sich die zum Modifizieren und Schreiben von
räumlichen
Koordinatenwerten erforderliche Zeitdauer verkürzen und dadurch das Leistungsvermögen eines Speicherbusses
für Graphikanwendungen
und somit die jeweilige Graphikanwendung insgesamt verbessern lassen.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch die Bereitstellung eines Speicherbauelementes
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eines Tiefendaten-Verarbeitungsverfahrens
mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorteilhafte,
nachfolgend näher
beschriebene Ausführungsformen
der Erfindung sowie das zu deren besserem Verständnis oben erläuterte,
herkömmli che
Ausführungsbeispiel
sind in den Zeichnungen dargestellt, in denen zeigen:
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1 ein
Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung
eines RMW-Vorgangs bei einem herkömmlichen Speicherbauelement,
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2 ein
Speichersystem mit einem erfindungsgemäßen Speicherbauelement mit
Tiefenvergleichsfunktion,
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3 ein
detaillierteres Schaltbild des Speicherbauelements von 2,
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4 ein
Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung
einer Vergleichs-Lese-Funktion
gemäß der Erfindung
und
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5 ein
Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Vergleichen
und Lesen von Tiefendaten eines Objektes in einem von einer Speichersteuerung
gesteuerten Speicherbauelement.
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2 zeigt
ein Speichersystem mit einem Speicherbauelement 22 gemäß der Erfindung,
das von einer Speichersteuerung 21 gesteuert wird. Ein zugehöriger Monitor
ist nicht explizit gezeigt. Weiter ist aus 2 zu erkennen,
dass die Speichersteuerung 21 ein Befehlssignal CMD erzeugt,
das dem Speicherbauelement 22 zugeführt wird. Weitere Signale werden über Steueranschlüsse DC0
und DC1 sowie einen I/O-Datenanschluss DQ übermittelt. Die Speichersteuerung 21 erzeugt
außerdem
eine Adresse, die eine spezifische Speicherzelle des Speicherbauelementes 22 auswählt.
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Des
weiteren erzeugt die Speichersteuerung 21 ein erstes Steuersignal
CS1 und ein zweites Steuersignal CS2 und überträgt diese an das Speicherbauelement 22 über die
Steueranschlüsse
DC0 bzw. DC1. Die Steuersignale CS1 und CS2 können aktiv oder nicht aktiv
sein, was durch Wahl eines hohen bzw. niedrigen Pegels implementiert
wird. Die Speichersteuerung 21 bereitet zudem das Schreiben
externer Tiefendaten über
den I/O-Datenanschluss DQ vor.
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Das
Speicherbauelement 22 wird, wie gesagt, durch die Speichersteuerung 21 gesteuert.
Der Monitor zeigt ein jeweiliges Objekt mit Tiefendaten an, die
durch das Speicherbauelement 22 modifiziert werden. Die
Speichersteuerung 21 stellt eine Schnittstelle zur Verfügung, um
verschiedene Steuerungsaufgaben des Monitors und des Speicherbauelementes 22 durchzuführen.
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Das
Speicherbauelement 22 erzeugt ein erstes Statussignal SS1
und ein zweites Statussignal SS2 und sendet diese zur Speichersteuerung 21. Wenn
sich das erste und das zweite Statussignal SS1, SS2 in einem aktiven
Zustand befinden, auch als „HIT" bezeichnet, stellt
die Speichersteuerung 21 fest, dass interne Tiefendaten
durch externe Tiefendaten ersetzt worden sind. Andererseits stellt
die Speichersteuerung 21, wenn sich das erste und das zweite
Statussignal SS1, SS2 in einem inaktiven Zustand befinden, auch
als „MISS" bezeichnet, fest, dass
die internen Tiefendaten beibehalten werden.
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In
einer bevorzugten erfindungsgemäßen Realisierung
laufen die Steuersignale CS1, CS2 über dieselben Leitungen wie
die Statussignale SS1, SS2, allerdings in entgegengesetzter Richtung.
Beispielsweise kann das Statussignal SS1 über den ersten Steueranschluss
DC0 übertragen
werden, während das
Statussignal SS2 über
den zweiten Steueranschluss DC1 übertragen
werden kann. Dies führt
zu einer vorteilhaften ökonomischen
Realisierung der Erfindung, was durch die Tatsache möglich wird, dass
die Steuersignale CS1, CS2 zu anderen Zeitpunkten erzeugt und übertragen
werden als die Statussignal SS1, SS2, wie weiter unten in Verbindung mit 4 deutlicher
wird.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Realisierung
des Speicherbauelements 22 von 2 in einem
detaillierteren Schaltbild. Wie daraus ersichtlich, beinhaltet das
Speicherbauelement 22 in diesem Fall eine Datenmodifizierschaltung 30,
eine Steuerschaltung 31, ein Speicherzellenfeld 34,
einen ersten und zweiten Steueranschluss DC0, DC1 sowie einen I/O-Datenanschluss DQ.
Die Datenmodifizierschaltung 30 beinhaltet des weiteren
insbesondere ein Register 32 und eine Vergleichsschaltung 33.
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Die
Steuerschaltung 31 empfängt
externe Tiefendaten eines neuen Objektes über ein Signal EDD, das am
I/O-Datenanschluss DQ empfangen wird. Die Steuerschaltung 31 gibt
dann die externen Tiefendaten EDD entweder als WTDC oder NWT ab, abhängig von
einem ersten Steuersignal CS1. Wenn sich das erste Steuersignal
CS1 in einem nicht aktiven Zustand befindet, werden die externen
Tiefendaten NWT an das Speicherzellenfeld 34 zum normalen Schreiben
abgegeben. Dies umgeht die restliche Struktur. Wenn sich andererseits
das erste Steuersignal CS1 in einem aktiven Zustand befindet, werden die
externen Tiefendaten WTDC an das Register 32 zwecks Tiefenvergleichsschreibens
abgegeben.
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Das
Register 32 speichert das Ausgangssignal WTDC der Steuerschaltung 31,
d. h. die externen Tiefendaten. Die Vergleichsschaltung 33 vergleicht die
Daten der Koordinaten eines neuen Objektes, die vom Register 32 als
RS abgegeben werden, mit internen Tiefendaten Fcomp der korrespondierenden
Koordinaten eines vorhandenen Objektes, wobei die internen Tiefendaten
im Speicherzellenfeld 34 in Abhängigkeit vom zweiten Steuersignal
CS2 gespeichert werden. Wenn das Ausgangssignal RS des Registers 32,
d. h. die externen Tiefendaten RS, kleiner als die internen Tiefendaten
Fcomp ist, gibt die Vergleichsschaltung 33 die externen
Tiefendaten RS an das Speicherzellenfeld 34 ab, um die
internen Tiefendaten Fcomp zu modifizieren. Bei einer anderen Realisierung
der Erfindung gibt die Vergleichsschaltung 33 die externen
Tiefendaten comp an das Speicherzellenfeld 34 ab, wenn
das Ausgangssignal RS des Registers 32, d. h. die internen
Tiefendaten RS, größer als
die internen Tiefendaten Fcomp ist.
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Die
Vergleichsschaltung 33 gibt wenigstens ein Statussignal
an die Speichersteuerung 21 ab. Wenn die internen Tiefendaten
Fcomp als Ergebnis dieses Vergleichs modifiziert werden, ist das
Statussignal ein hohes Logikpegelsignal HIT1 bzw. HIT2. Wenn hingegen
die internen Tiefendaten Fcomp nicht modifiziert werden, ist das
Statussignal ein niedriges Logikpegelsignal MISS1 bzw. MISS2.
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4 zeigt
ein Zeitablaufdiagramm für
das Ausführen
einer Vergleichs-Aufzeichnungs-Funktion des
Speicherbauelements 22 der 3 gemäß der Erfindung.
Nachfolgend wird ein Tiefenvergleichs-/Schreibvorgang des Speicherbauelements 22 detaillierter
unter Bezugnahme auf die 3 und 4 erläutert. Wie
aus den 3 und 4 ersichtlich,
werden ein Tiefenvergleichs-/Schreibbefehlsignal WR, ein erstes
und zweites Steuersignal CS1, CS2 und ein externes Tiefensignal
Dw, die sämtlich
von der Speichersteuerung 21 erzeugt werden, an entsprechenden
Anschlüssen
eingegeben, d. h. einem nicht gezeigten Befehlsanschluss, dem ersten
und zweiten Anschluss DC0 und DC1 sowie dem I/O-Datenanschluss DQ.
Dies erfolgt am Anstieg des dritten Zyklus.
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Die
Betriebsweise der Steuerschaltung 31 ist wie folgt. Wenn
sich das erste Steuersignal CS1 in einem aktiven Zustand befindet,
während
sich das Schreibbefehlsignal WR ebenfalls in einem aktiven Zustand
befindet, gibt die Steuerschaltung 31 die ankommenden externen
Tiefendaten WTDC an das Register 32 ab, um eine Tiefenvergleichs-Schreib-Funktion
auszufüh ren.
Daher sind die ankommenden externen Tiefendaten EDD und das Ausgangssignal WTDC
der Steuerschaltung 31 gleich. Wenn sich jedoch das erste
Steuersignal CS1 in einem nicht aktiven Zustand befindet, gibt die
Steuerschaltung 31 die ankommenden externen Tiefendaten
NWT zum Schreiben an das Speicherzellenfeld 34 ab.
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Des
weiteren wird das zweite Steuersignal CS2 von Bedeutung, wenn sich
das erste Steuersignal CS1 in einem aktiven Zustand befindet. In
diesem Fall vergleicht die Vergleichsschaltung 33 die internen
Tiefendaten Fcomp innerhalb des Speicherzellenfeldes 34 mit
dem Ausgangssignal des Registers 32, d. h. den externen
Tiefendaten RS. Die Bedeutung des Steuersignals CS2 ergibt sich
wie folgt. Wenn sich CS2 in einem nicht aktiven Zustand befindet,
vergleicht die Vergleichsschaltung 33 die internen Tiefendaten
Fcomp mit dem Ausgangssignal des Registers 32 in Einheiten
von X Bits, z. B. 16 Bits, wobei X eine natürliche Zahl ist. Wenn sich
hingegen das zweite Steuersignal CS2 in einem aktiven Zustand befindet,
erfolgt der Vergleich in Einheiten von NX Bits, z. B. 32 Bits, wenn
N = 2 und X = 16 sind, wobei N und X natürliche Zahlen sind.
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Als
Ergebnis des Vergleichs schreibt die Vergleichsschaltung 33 einen
von zwei Sätzen
in das Speicherzellenfeld 34. In der einen Realisierung
ist dies der Satz mit den kleinsten Tiefenwerten, in der anderen
Realisierung hingegen der Satz mit den größten Tiefenwerten. Dieses Überschreiben
der bisherigen Werte hat die Wirkung, dass die relevanten gespeicherten
Werte modifiziert werden, wenn die unterschiedlichen Daten überschrieben
worden sind.
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Die
Vergleichsschaltung 33 gibt zudem die Statussignale SS1,
SS2 ab, um der Steuerung 21 zur Kenntnis zu bringen, ob
die Daten geändert
worden sind oder nicht. Die Statussignale SS1, SS2 können nach
Ablauf von im besten Fall nur drei und im ungünstigsten Fall vier Taktzyklen
nach Abgabe eines Tiefenvergleich-Schreib-Befehls, was im Zyklus
3 erfolgt ist, gesendet werden. Dementsprechend kann der gesamte
Prozess mit dem sechsten oder siebten Zyklus abgeschlossen sein,
verglichen mit den vom oben erläuterten
Stand der Technik benötigten
zehn Zyklen.
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Wenn
die Vergleichsschaltung 33 in Einheiten von X Bit vergleicht,
und die Daten modifiziert worden sind, ist das erste Statussignal
SS1 ein hohes Logikpegelsignal HIT1, das anzeigt, dass die niedrigeren
X Bit der internen Tiefendaten Fcomp über den ersten Steueranschluss
DC0 modifiziert worden sind. Des weiteren ist das zweite Statussignal
SS2 ein hohes Logikpegelsignal HIT2, das anzeigt, dass die oberen
X Bit der internen Tiefendaten Fcomp über den zweiten Steueranschluss
DC1 modifiziert worden sind.
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Wenn
die Steuerschaltung 33 in Einheiten von NX Bit vergleicht
und die Daten modifiziert worden sind, ist das erste Statussignal
SS1 ein hohes Logikpegelsignal HIT1, das anzeigt, dass die niedrigeren
NX Bit der internen Tiefendaten Fcomp modifiziert worden sind. Wenn
hingegen die Tiefendaten nicht modifiziert wurden, sind das erste
und zweite Statussignal SS1, SS2 niedrige Logikpegelsignale MISS1
und MISS2, die anzeigen, dass die internen Tiefendaten Fcomp beibehalten
wurden.
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5 zeigt
in einem Flussdiagramm ein Verfahren zur Verarbeitung von Tiefendaten
eines Objektes im durch die Speichersteuerung 21 gesteuerten
Speicherbauelement 22, beginnend mit einem Startschritt 501.
In einem nächsten
Schritt 503 empfängt
das Speicherbauelement 22 die externen Tiefendaten EDD,
wie zu den 2 und 3 erläutert.
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In
einem Schritt 505 empfängt
das Speicherbauelement 22 das erste Steuersignal CS1 und
stellt dessen Status fest. Wenn sich das erste Steuersignal CS1
in einem nicht aktiven Zustand befindet, gibt die Steuerschaltung 33 gemäß einem
Schritt 521 die eingegebenen externen Tiefendaten EDD als
die Daten NWT an das Speicherzellenfeld 34 innerhalb des Speicherbauelementes 22 zum
Schreiben ab. Wenn sich hingegen das erste Steuersignal CS1 in einem aktiven
Zustand befindet, gibt die Steuerschaltung 31 die externen
Tiefendaten EDD als die Daten WTDC an das Register 32 ab.
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In
einem Schritt 507 empfängt
das Speicherbauelement 22 das zweite Steuersignal CS2 und stellt
dessen Status fest. Wenn sich das zweite Steuersignal CS2 in einem
aktiven Zustand befindet, vergleicht die Vergleichsschaltung 33 die
internen Tiefendaten Fcomp mit den externen Tiefendaten RS, die
im Register 32 gespeichert sind, in Einheiten von NX Bit (Schritt 509).
Wenn sich hingegen das zweite Steuersignal CS2 in einem nicht aktiven
Zustand befindet, vergleicht die Vergleichsschaltung 33 die
internen Tiefendaten Fcomp mit den externen Tiefendaten RS in Einheiten
von X Bit (Schritt 511).
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In
beiden Fällen
wird anschließend
abgefragt, ob die externen Tiefendaten RS kleiner als die internen
Tiefendaten Fcomp sind (Schritt 513). Ist dies der Fall,
werden die internen Tiefendaten Fcomp in die externen Tiefendaten
RS modifiziert (Schritt 515). Ist dies nicht der Fall,
werden die internen Tiefendaten Fcomp beibehalten (Schritt 517),
und die externen Tiefendaten RS werden verworfen. In der oben angesprochenen äquivalenten,
alternativen Realisierung ist der Schritt 513 gegensätzlich,
d. h. es wird stattdessen abgefragt, ob die externen Tiefendaten
RS größer als
die internen Tiefendaten Fcomp sind.
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In
einem nächsten
Schritt 519 wird das Vergleichsresultat an die Steuerung
abgegeben, wonach der Prozessablauf abgeschlossen ist (Schritt 523). Das
Vergleichsergebnis wird über
die Statussignale SS1, SS2 ausgedrückt. Diese können die
oben angegebenen Werte annehmen. Dabei können Logikwerte mit hohem und
niedrigem Pegel äquivalent
gewählt
werden.
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Wie
oben erläutert,
sind beim angegebenen Stand der Technik mindestens zehn Taktzyklen
für einen
Lese-Modifizier-Schreib(RMW)-Vorgang erforderlich. Hingegen reichen
bei der Erfindung schon sechs oder sieben Taktzyklen zur Durchführung eines
RMW-Vorgangs statt dieser zehn Zyklen beim genannten Stand der Technik
aus. Die Erfindung vermag daher die Leistungsfähigkeit verglichen mit diesem
Stand der Technik um mehr als 30% zu steigern.