DE1574502B2 - Assoziativspeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Assoziativspeicher mit matrixförmig angeordneten Speicherelementen zur wortweisen Speicherung und Abfrage von veränderbaren Daten in einem inhaltsadressierbaren Datenteil, mit einem Eingaberegister zur Speicherung eines Suchwortes, mit einem dem inhaltsadressierbaren Datenteil des Speichers zugeordneten inhaltsadressierbaren Adreßteil.

Außer den bekannten wort- oder bitorganisierten Speichern gibt es noch sogenannte Assoziativspeicher.

Ein derartiger Assoziativspeicher ist z. B. in der deutschen Patentschrift 1 151 959 beschrieben. In einer derartigen Speicheranordnung mit suchendem Aufruf wird ein Datenwort zusammen mit einem Kennwort gespeichert und das Datenwort wird mit Hilfe eines Kennwortes wiedergefunden, indem die Kennworte mit einem am Speichereingang stehenden Suchwort verglichen werden. Bei Übereinstimmung eines Kennwortes mit dem Suchwort wird das zugeordnete Datenwort ausgegeben. Die eigentliche Speicherposition innerhalb des assoziativen Speichers ist für die betreffenden Daten jedoch unbekannt. Es ist aber auch bei Assoziativspeichern manchmal erwünscht, daß gespeicherte Daten durch herkömmliche Adressierung gefunden werden können. Oft wäre es auch nützlich, wenn man nach einem Assoziativsuchvorgang für ein gefundenes Datenwort eine genaue Speicherposition innerhalb des Assoziativspeichers durch Ausgabe der betreffenden Adresse angeben könnte. Diese Funktion ist z. B. wichtig, wenn der Assoziativspeicher als Zuordnungsliste für die dynamische Speicherzuweisung bei der Mulitprogrammierung in Großrechenanlagen verwendet wird.

Moderne Großrechenanlagen haben für den Benutzer den großen Vorteil, daß er sich nicht darum zu kümmern braucht, wo eine bestimmte Information sich gerade im Speicher befindet und ob sie sich gerade im Arbeitsspeicher befindet. Diese Großrechenanlagen arbeiten vielmehr mit virtuellen Adressen, die dann automatisch von der Datenverarbeitungsanlage z. B. durch

6c eingespeicherte Zuordnungslisten in die echten Adressen umgerechnet werden. Eine derartige dynamische Adreßumrechnung ist z. B. im IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 8, Nr. 11. April 1966, S. 1511 bis 1514, beschrieben. Besteht nun noch Zugriff von mehreren Benutzern bzw. mehreren Programmen auf eine derartig organisierte Datenverarbeitungsanlage, dann nehmen die Adressenumrechnungen einen sehr wesentlichen Zeitanteil in Anspruch. Es wäre deshalb sehr vor-

teilhaft, wenn die echte Adresse sofort nach einem Assoziativ-Suchvorgang tatsächlich vorhanden wäre.

Eine derartige Möglichkeit weisen aber alle bisher bekanntgewordenen Assoziativspeicher nicht auf.

Außer dem beschriebenen Speichersystem mit dynamischer Adreßumwandlung sind durch die deutsche Patentschrift 1 151 959 und das IBM Journal, April 1961, S. 106 bis 121, Speicheranordnungen mit suchendem Aufruf grundsätzlich bekannt. Jedes Register hat in einem solchen Speicher neben dem Teil für das Angabenwort und dem Teil für das Kennwort eine Binärstelle für die Anzeige des Belegungszustandes dieses Registers. Auch die sogenannten kennwortadressierten Speicher sind zum Zeitpunkt der Anmeldung an sich bekannt gewesen, wie es z. B. durch die französische Patentschrift 1 235 597 belegt ist. AU diese Speicher sind für sich allein jedoch nicht geeignet, bei einer inhaltsadressierten Ansteuerung des Datenteils daraus die vorgegebene Speicherplatzadresse direkt zu gewinnen bzw. auszulesen. Vielmehr zeigt die genannte Veröffentlichung aus dem IBM TDB, Vol. 8, Nr. 11, April 1966, S. 1511 bis 1514, daß die Umrechnungstabelle für eine dynamische Adreßumwandlung bisher im Hauptspeicher der Datenverarbeitungsanlage abgespeichert wurde. Auch Festwertspeicher, die nach dem Assoziativprinzip ausgelesen werden können, waren z. B. durch Proceedings of the International Symposium on the Theory of Switching, April 1957, S. 326 bis 333, prinzipiell bekannt. Aus ihnen kann zwar — weil die Wörter fest an einem Platz gespeichert und — die Platzadresse eines Wortes gelesen werden, doch verschließen sie sich der Speicherung veränderbarer Daten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Assoziativspeicher zu schaffen, mit dem sowohl die Funktionen der herkömmlichen Adressierung als auch einer direkten Adressenermittlung ausgeführt werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im kennzeichnenden Teil des ersten Anspruchs aufgezeigt.

Die Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen.

Dieser Assoziativspeicher bringt den Vorteil, daß es nunmehr möglich ist, daß die Adresse eines an sich inhaltsadressierten Datenwortes sofort nach einem Assoziativ-Suchvorgang festgestellt werden kann. Dies ist vor allem dann von großem Vorteil, wenn extern, d. h. vom Programmierer, andere Adressen, nämlich virtuelle oder Relativadressen verwendet werden und intern die Datenverarbeitungsanlage mit echten Platzadressen arbeitet. Moderne Datenverarbeitungsanlagen arbeiten nach dem Prinzip, weil es für den Programmierer dadurch möglich wird, sich nicht um die interne Speicherplatzbelegung oder gar um eine lineare Adressierung kümmern zu müssen und zum andern intern mit direkten oder echten Adressen, da diese sich zum Umrechnen, z. B. zum Verzweigen in andere Programmteile" wesentlich besser eignen als Relativadressen. Zur Relativadresse müßte nämlich dann jedesmal ein bestimmter Wert hinzugesetzt werden, um die tatsächliche Adresse bei jedem einzelnen Vorgang zu erhalten. Das interne Arbeiten mit direkten Adressen ist einmal wesentlich einfacher und zum anderen aus den genannten Gründen viel weniger zeitaufwendig als das Arbeiten mit indirekten Adressen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Assoziativspeichers gemäß der Erfindung,

F i g. 2 ein Blockschaltbild der Assoziativspeichermatrix aus F i g. 1,

F i g. 3 ein Blockschaltbild der in F i g. 1 gezeigten Detektorschaltung,

F i g. 4a bis 4d schematische Schaltbilder von Festwert-Speicherelementen, die für eine Verwendung in einer Assoziativspeichermatrix gemäß F i g. 2 geeignet sind.

Der in F i g. 1 dargestellte Assoziativspeicher enthält eine Assoziativspeicher-Matrix mit einem Schreib/Lese-Teil 10 aus bistabilen Speicherelementen und mit einem Festwertteil 12 aus monostabilen oder bistabilen Speicherelementen. Der Speicher wird durch eine Bitspalten-Steuerschaltung 14 angesteuert, die ein Eingaberegister 16 und ein Maskierregister 18 enthält, welches jede gewünschte Position des Registers 16 ausblenden kann. Die Ausgangssignale der Assoziativspeicher-Matrix werden an ein Ausgaberegister 20 gegeben, das bei einem Lesevorgang Datenbits aus den Speicherteilen 10 und 12 empfängt. Die Detektorschaltung 22 zeigt an, ob keine, eine oder mehrere Übereinstimmungen im Speicher vorlagen. Zur Steuerung der Speichervorgänge sind außerdem eine Wortzeilen-Steuerschaltung 24 und eine Gesamtspeicher-Steuerschaltung 28 vorgesehen.

Die Assoziativspeicher-Matrix 10, 12 ist genauer in F i g. 2 dargestellt. Die Matrix enthält mehrere Speicherelemente 50, die in einem Teil normale Schreib-Lese-Speicherelemente im anderen Teil Festwert-Speicherelemente sind, als »Teil« sind dabei mindestens zwei Spalten anzusehen. Die Elemente 50 werden spaltenweise von Bittreiberschaltungen 52 und 54 versorgt. Für jede Zeile ist eine Worttreiberschaltung 56 vorgesehen, so daß beim Schreiben eine bestimmte Zeile ausgewählt werden kann. Weiterhin ist für jede Zeile ein Wortausgangsverstärker 58 vorgesehen. In der dargestellten Ausführung enthält der Assoziativspeicher 64 Wörter mit je 16 Bits. Die Bits stellen in einem Teil des Speichers unveränderliche Angaben dar, die Speicherelemente sind in diesem Speicherteil Festwertelemente. Zum Schreiben einer »Eins« ist ein bestimmtes bistabiles Speicherelement muß die Worttreiberschaltung 56 für die ausgewählte Zeile und die Bittreiberschaltung 54 für die ausgewählte Spalte erregt werden. Das Lesen eines Wortes ohne Löschung erfolgt durch alleinige Erregung der betreffenden Worttreiberschaltung 56, wodurch sich in einigen Speicherelementen 50 z. B. der durch einen leitenden Transistor fließende Strom ändert. Diese Änderung nehmen die Bit-Leseverstärker 72 auf. Bei einem Vergleich der im Assoziativspeicher enthaltenen Wörter mit einem Suchwort wird in jeder betroffenen Spalte entweder eine Abfrage auf Null durch den einen oder eine Abfrage auf Eins durch den anderen Bittreiber ausgeführt. Ein an die Wortleitung angeschlossener Ausgangsverstärker 58 stellt dabei fest, ob »keine Übereinstimmung« angetroffen wurde.

Festwert-Speicherelemente können z. B. für die Adreßfeldbits 10 bis 16 der in F i g. 2 dargestellten Assoziativspeicher-Matrix vorgesehen sein. Solche Festwert-Speicherelemente sind in den F i g. 4a bis 4d dargestellt. Hier werden die Signale zur Assoziativsuche entweder nur über die Abfrageleitung 0 oder nur über die Abfrageleitung 1 auf die Wortleitung weitergegeben. Das Auslesen ohne Löschen erreicht man durch positive Impulse über die Wortleitung und Abfühlen der Stromänderungen auf der Abfrageleitung 1. Bei diesen beiden Anwendungen von Festwert-Speicher-

elementen sind die elektrischen Merkmaledieselben wie bei den bistabilen Schreib-Lese-Speicherelementen. Deswegen können im selben Speicher die Festwert-Speicherelemente mit den Schreib-Lese-Speicherelementen kombiniert werden. Auf die Festwert-Speicherelemente haben die Schreiboperationen natürlich keinen Einfluß.

Die Detektorschaltung 22 von F i g. 1 ist genauer in F i g. 3 dargestellt. Diese Schaltung zeigt an, ob keine, eine oder mehrere Übereinstummungen bei einem Assoziativ-Suchvorgang (Kennzeichen-Vergleich) vorgefunden wurden. Eine genauere Beschreibung dieser Schaltung folgt in der Beschreibung des ganzen Speichers.

Herkömmliche Adressierung

Unter Bezug auf F i g. 1 sei festgestellt, daß bei Verwendung des Assoziativspeichers als herkömmlicher Speicher eine Adresse »decodiert« werden kann, indem man diese Adresse in das Adreßfeld des Eingaberegisters 16 setzt und alle anderen Bits mit dem Maskierregister 18 ausblendet. Nur die unmaskierten Bitpositionen fragen die Assoziativspeicher-Matrix ab. Da der Inhalt des Adreßfeldes eines jeden Wortes verschieden von dem aller anderen ist, führt diese Abfrage-Operation zu nur einer Übereinstimmung. Das betreffende Wort wird dann unter Steuerung der Wortzeilen-Steuerschaltung 24 in das Ausgaberegister 20 ausgelesen. Auf diese Weise arbeitet der Assoziativspeicher wie ein herkömmlicher Speicher.

Auffinden der Adresse durch Assoziativ-Suchvorgang

Zum Auffinden der Adresse eines bestimmten Datenwortes wird der Assoziativspeicher auf Grund des variablen Inhalts und nicht auf Grund fest vorgegebener Adressen abgefragt. Das erfolgt durch Speichern der betreffenden Daten in dem Datenfeld des Eingaberegisters 16. Mit dem Maskierregister wird das Adreßfeld ausmaskiert und der Datenteil 10 der Assoziativspeicher-Matrix dann nur nach den Datenfeldbits abgefragt. Bei Feststellung einer Übereinstimmung wird das gesamte betreffende Wort dann unter Steuerung der Wortzeilen-Steuerschaltung 24 in das Ausgeberegister 45· ausgelesen. Das Adreßfeld dieses Registers enthält dann die gewünschte Adresse.

Es kann vorkommen, daß dieselbe Information im Datenfeld in zwei oder mehr Zeilen des Assoziativspeichers oder auch überhaupt nicht gespeichert ist. In allen Fällen muß bestimmt werden können, ob bei der Suchoperation keine, eine oder mehrere Übereinstimmungen angetroffen wurden. Diese Funktion übernimmt die an Hand von F i g. 1. allgemein und an Hand von F i g. 3 genauer beschriebene Detektorschaltung 22.

Die Assoziativ-Suchoperation geschieht folgendermaßen: Die Daten werden im Datenfeld des Eingaberegisters 16 gespeichert. Das Maskierregister 18 wird auf die Ausblendung des Adreßfeldes eingestellt. Die Abfragung des Schreib/Lese-Teils 10 erfolgt dann durch Erregung entweder des Eins- oder des Null-Bittreibers selektiv für jede Spalte. Durch jede nicht übereinstimmende Bitstelle wird ein Impuls auf der entsprechenden Wortleitung erzeugt, der einen Merker für diese Wortzeile zurückstellt. Bei den Wortzeilen aber, in denen die Daten mit dem Inhalt des Eingaberegisters 16, abgesehen von den ausgeblendeten Teilen, übereinstimmen, bleiben die Merker gesetzt. Die Ausleseoperation wird durch Erregung der Worttreiber für alle die Wörter eingeleitet, deren Merker gesetzt ist Die Wortzeilen-Treiber-Impulse rufen für jede Spalte der Matrix entweder ein Ausgangssignal im Bit-Leseverstärker 72 oder im Bit-Leseverstärker 74 hervor. Wenn z. B. das Wort 2 zum Suchwort paßt und Bit 1 dieses Wort eine »Eins« ist, kommt vom Bit-Leseverstärker 72 ein Signal für Bitposition 1. Falls aber die Datenteile von Wort 1 und Wort 2 beide mit dem Suchwort übereinstimmen, und das Adreßbit 1 von Wort 1 eine »Null« ist und das Adreßbit 1 von Wort 2 eine »Ein«, geben sowohl der »1«-Bit-Leseverstärker als auch der »Ott-Bit-Leseverstärker in der Spalte für das erste Adreßbit ein Signal ab. Wenn diese Signale verknüpft werden, wie es in F i g. 3 dargestellt ist, kann festgestellt werden, ob keine, eine einfache oder eine mehrfache Übereinstimmung vorliegt. Wenn also beide Bit-Leseverstärker (»00« und »1«) einer Bitposition erregt sind, wird eines der UND-Glieder 60 erregt, und dies führt zu einem Ausgangssignal aus dem ODER-Glied 62, wodurch eine mehrfach Übereinstimmung angezeigt wird. Wenn irgendeine Spalte ein »Eins«- oder ein »Null«-Ausgangssignal abgibt, liegt mindestens ein übereinstimmendes Wort vor. In der in F i g. 3 dargestellten Detektorschaltung ist diese Überprüfung nur in einer Spalte, z. B. für die Bitstelle 16 erforderlich. Bitstellensignale für »1« und »0« der Spalte 16 werden im ODER-Glied 64 verarbeitet, dessen Ausgangssignal anzeigt, daß mindestens in einem gespeicherten Wort der Datenteil mit dem Suchwort übereinstimmt. Wenn gleichzeitig die M-Leitung (mehrere übereinstimmende Wörter) nicht erregt ist, zeigt infolge des Inverters 70 ein Ausgangssignal aus dem UND-Glied 66 an, daß nur ein Wort übereinstimmt.

Falls gar keine Übereinstimmung vorlag, fehlen die Eingangsimpulse auf beiden Eingängen des ODER-Gliedes 64, und es entsteht über den Inverter 68 ein entsprechendes Ausgangssignal.

Die beschriebene Ergänzung eines Assoziativspeichers durch Adreßfeldstellen ergibt den Vorteil, daß einerseits eine Datenauswahl auf Grund fester Adressen, jedoch mit Hilfe der für den Speicher ohnehin bestehenden Assoziativ-Sucheinrichtungen möglich ist, daß aber andererseits mit der gleichen Anordnung Daten durch Vergleich mit einem Suchwort gefunden und dann deren Adresse ausgegeben werden kann.

Es versteht sich von selbst, daß bei der Assoziativsuche statt des gesamten Datenfeldes durch Anwendung des Markierungsregisters auch ein Teil des Datenfeldes des Suchwortes als Such-Kennzeichen verwendet werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Assoziativspeicher mit matrixförmig angeordneten Speicherelementen zur wortweisen Speicherung und Abfrage von veränderbaren Daten in einem inhaltsadressierbaren Datenteil, mit einem Eingaberegister zur Speicherung eines Suchwortes, mit einem dem inhaltsadressierbaren Datenteil des Speichers zugeordneten inhaltsadressierbaren Adreßteil, dadurch gekennzeichnet, daß der inhaltsadressierbare Adreßteil zur Speicherung vorgegebener Speicherplatzadressen aus Festwertspeicherelementen aufgebaut ist und so gestaltet bzw. geschaltet ist, daß bei der inhaltsadressierten Ansteuerung des Datenteils daraus die vorgegebene Speicherplatzadresse auslesbar ist.

2. Assoziativspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Detektorschaltung (22) der Assoziativspeichermatrix nachgeschaltet ist, die eine Anzeige darüber liefert, ob bei einem Assoziativ-Suchvorgang in keinem, in einem oder mehreren in der Assoziativspeichermatrix gespeicherten Wörtern eine Übereinstimmung mit den signifikanten Teilen des Suchwortes vorgelegen hat, und daß ein bekanntes Maskierregister (18) dem Eingaberegister (16) nachgeschaltet ist, wodurch Teile des Inhalts des Eingaberegisters (16) für einen Assoziativ-Suchvorgang maskiert werden können.

3. Assoziativspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Spalte der Assoziativspeichermatrix zwei separate Spaltenleitungen für die beiden Binärwerte (L und O) vorgesehen sind, und zwar sowohl für das Einschreiben/Abfragen als auch für das Auslesen des Speicherinhalts.

4. Assoziativspeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgaberegister (20) mit dem Datenteil (10) und dem Adreßteil (12) der Assoziativspeichermatrix und mit dem Ausgang der Detektorschaltung (22) verbunden ist.

5. Assoziativspeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleneingänge des Ausgaberegisters (20) rriit den Spaltenleitungen der Assoziativspeichermatrix verbunden sind, und daß Worttreiber (56) und Leseverstärker (72, 74) vorgesehen sind, um den Inhalt einer ausgewählten Speicherzelle der Assoziativspeichermatrix parallel in das Ausgaberegister (20) zu übertragen.

6. Assoziativspeicher nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung (22) logische Verknüpfungsschaltungen (60, 62, 64, 66, 68 und 70) enthält, um die beiden Ausgangssignale mehrerer Bitspalten der Assoziativspeichermatrix paarweise miteinander zu verknüpfen und ein Signal auf einer von mehreren Ausgangsleitungen (M, 1 und 0), das die Anzahl der gleichzeitig ausgelesenen Wörter angibt.

7. Assoziativspeicher nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit der logischen Verknüpfungsschaltungen der Detektorschaltung (22) eine Anzahl von UND-Schaltungen (60) enthält, daß die beiden Eingänge jeder dieser UND-Schaltungen mit den beiden komplementären Ausgangsleitungen (0 und 1) je einer Bitspalte verbunden sind, und daß ferner die Ausgänge dieser UND-Schaltungen mit den Eingängen einer nachgeschalteten ODER-Schaltung (62) verbunden sind, deren Ausgangsleitung (M) zur Anzeige einer Mehrfach-Übereinstimmung dient.

8. Assoziativspeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung (22) eine weitere ODER-Schaltung (64) enthält, deren beide Eingänge mit den komplementären Ausgangsleitungen nur einer Bitspalte der Assoziativspeichermatrix verbunden sind, und deren Ausgang über einen Inverter (68) mit einer Leitung (0) für das Signal »Keine Übereinstimmung« verbunden ist, und daß sie eine weitere UND-Schaltung (66) enthält, deren erster Eingang über einen Inverter (66) mit dem Ausgang der ersten ODER-Schaltung (62) und deren zweiter Eingang direkt mit dem Ausgang der zweiten ODER-Schaltung (64) verbunden ist, deren Ausgangssignal auf Leitung (1) zur Anzeige einer Einfach-Übereinstimmung dient.