DE3039285A1

DE3039285A1 - Datenspeicher-anordnung und datenspeicherverfahren

Info

Publication number: DE3039285A1
Application number: DE19803039285
Authority: DE
Inventors: Barry B. Boulder Col. White
Original assignee: Storage Technology Corp
Current assignee: Storage Technology Corp
Priority date: 1979-10-18
Filing date: 1980-10-17
Publication date: 1981-04-30
Also published as: SE8007292L; MX148922A; AU6240780A; IT8024693A0; BE885727A; FR2468163A1; NL8004884A; JPS5694452A; IT1132962B; JPH0448250B2; GB2063532A; CA1153126A; GB2063532B

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf die Speicherung von digitalen Daten, insbesondere auf eine -Anordnung und ein Verfahren zur Handhabung und Zuordnung bzw. Verteilung der Daten in einem Magnetplattenspeicher.

Eine der Hauptbetrachtungen bei der Auslegung und beim Betrieb von digitalen Datensystemen ist es, eine geeignete Einrichtung zur Speicherung von Informationen vorzusehen, die von der zentralen Datenverarbeitungseinheit (CPU) des Rechners erhalten v/erden, und der Datenverarbeitungseinheit erforderlichenfalls die notwendigen Informationen zuzuführen.

Magnetband- und Magnetplattenspeicher haben unterschiedliche und charakteristische funktioneile Eigenschaften. Jedes Speichermedium ist daher für bestimmte Anwendungsfälle besonders gut geeignet, für andere jedoch nicht. Insbesondere sind seriell organisierte Dateien, die auch seriell zugänglich sind, mit der Magnetband-Technologie am besten kompatibel insofern, als die Informationen notwendigerweise seriell eingespeichert und ausgelesen werden. Bei Magnetplattenspeichern ist es dagegen im allgemeinen möglich, die Informationen in bzw. von praktisch jedem Teil der Platte fast augenblicklich einzuschreiben oder auszulesen. Infolgedessen können mehrfache Datengruppen, die sämtlich auf der gleichen Platte gespeichert sind, gemeinsam und augenblicklich abgerufen werden, was bei Magnetbändern nicht möglich ist. Abgesehen von den höheren Kosten sind daher Plattenspeichersysteme stets vorzuziehen.

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Infolgedessen können zwar seriell organisierte Daten kontinuierlich auf ein Band eingeschrieben und von diesem abgelesen werden, das Einschreiben oder Abrufen von Daten, die nicht seriell organisiert sind, ist jedoch oft schwierig. Befinden sich die Daten auf einem entfernt liegenden Teil des Bandes, so muß es zu dem Punkt auf- oder abgewickelt werden, auf dem sich die Daten befinden. Ein zweiter, noch ernsterer Nachteil des Bandspeichers ist, daß für die meisten Anwendungsfälle größeren Umfanges die Anzahl der zur Informationsspeicherung notwendigen Bandspulen oft über die Anzahl der zum Ein- oder Auslesen zur Verfügung stehenden B&ndantriebe oder -gestelle weit hinausgeht. Tatsächlich sind bei vielen Datenverarbeitungsanlagen großen Umfanges Tausende von Bandspulen nötig. Im allgemeinen enthalten einige 90% sämtlicher Bänder nur eine Datengruppe (z.B. Kunden- oder Lohnliste), da es die physikalischen Eigenschaften des Bandes in der Regel unmöglich machen, zwei oder mehr Datengruppen gleichzeitig ein- oder auszulesen, was jedoch häufig wünschenswert ist. In diesen Fällen ist der Bandspeicher äußerst unwirtschaftlich, da die Länge einer gegebenen Datengruppe sich nur zufällig der vorhandenen Speicherfläche annähert. Untersuchungen haben gezeigt, daß im allgemeinen nur 1% des Bandes tatsächlich ausgenutzt wird.

Dabei ist es keinem Anwender möglich, für jede Bandspule ein Bandgestell oder einen Bandantrieb zur Verfügung zu stellen. Vielmehr werden dauernd einzelne Spulen vom Lager herangebracht, zur Benutzung am Antrieb befestigt, demontiert und wieder ins Lager gebracht. Dies ist zeitraubend und unwirtschaftlich, da hierzu menschliche Arbeitskraft nötig ist.

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Es wurdebereits versucht, diese Nachteile von Magnetbändern zu überwinden, beispielsweise durch, eine große Anzahl kleiner Bandkassetten und automatischer Mechanismen zur schnellen Entfernung der Kassetten von einem Lagergestell und zum Anbringen derselben auf einem Bandgerät. Auch wurden automatische Bandbefestigungsgeräte für herkömmliche Bänder verwendet. Bisher gibt es jedoch kein vollständig befriedigendes Verfahren, große Mengen von Bändern unmittelbar am Bandantrieb verfügbar zu machen.

Kit Plattenspeichersystem lassen sich die Wachteile von Bändern scheinbar vermeiden. Praktisch ist nämlich ^eder Teil der Platte sehr schnell zugänglich, so daß nicht sämtliche darauf gespeicherten Daten öerisll abgetastet werden müssen«, Durch Vorgabe eines Adressen-Code kann daher mit Hilfe des Platten-Antriebs ein bestimmter Batenblock fast augenblicklich abgefragt werden. Es können daher auf einer einzigen Platte mehrfache Datengruppen gespeichert und gleichzeitig verarbeitet \\^rerden. Die Kosten des Plattenantriebs und der Abtastung sind jedoch verhältnimäßig groß, und überdies nutzen die bekannten Flattenantriebadie potentielle Speicherfläche nicht sehr wirksam aus„

Untersuchungen haben gezeigt, daß zu einer bestimmten Zs it in eines Plattensystera nur etwa 75% des potentiellen Speielierrai-jnes tatsächlich für die Datenspeicherung ;·.ug"r.glich sine- Der zur Aufnahme der Lese-/Schreibaktivität erforderliche gesamte Speicherraumc, der notwendig ist, um die Daten aufrecht zu erhalten und auf-.T.uzeic-:linen_t beträgt somit 20 - 25°ö° Zusätzlich werden bei den oeisten Anwendungsfallen nur etwa 2/3 oder 45/j des sur Verfügung stehenden Datenraumes tatsächlich r.ur Datenspeicherung ausgenutzt, weil auch die im allgemeinen verwendeten Adressiersystese Platz "benötigen=·

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Der gesamte Ausnutzungsfaktor der meisten bekannten Plattensysteme beträgt daher nur etwa 5O^ oder weniger. Obwohl daher Plattensysteme sehr hohe Datenzugriffs- und Suchgeschwindigkeiten ermöglichen, sind sie verhältnismäßig unwirtschaftlich und können daher hinsichtlich des tatsächlich benutzten Speicherraumes sehr teuer sein. Im Vergleich dazu ist der "Allgemeinverlust" bei Bandsystemen gering, weil die auf einem Band gespeicherten Datengruppen seriell organisiert sind. Daher braucht nur eine Adresse je Datengruppe vorgegeben zu werden, wodurch sich der Speicherwirkungsgrad beträchtlich erhöhen läßt.

Es wäre daher vorteilhaft, eine Anordnung anzugeben, die den guten Speicherwirkungsgrad von Bändern mit dem schnellen Zugriff von Plattenspeichern vereinigt. Ein solches Speichersystem dürfte keine Änderungen des restlichen verwendeten Rechnersystems erfordern, d,h. es müßte für die Rechnerseite als Band- oder Plattenspeicher der bekannten Art erscheinen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, die eine schnellere Speicherung und einen schnelleren Zugriff zu seriell organisierten Daten ermöglichen. Dabei soll die Speicheranordnung auf die Befehle des Wirts- oder Hauptsystems in der Art eines Bandantriebs ansprechen, jedoch die schnelle Zugriffsmöglichkeit von Platten-Speichereinheiten ausnutzen. Ferner soll ein Datenspeicher-Handhabungssystem geschaffen werden, das Daten in serieller Form annimmt und ausgibt, während die Informationen vom Plattenspeicher in optimaler Einzelform aufgezeichnet und abgefragt werden.

Nach einem Apsekt der Erfindung wird die vorstehend be schrieb an 5 Aufgabe gelöst durch eins "virtuelle

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Speicheranordnung" mit einer Haupt-Schnittstelle, die auf Befehle von einem Hauptrechner anspricht und Informationen im seriellen Bandformat aufnimmt und überträgt, und mit einem ersten Datenpuffer in der Haupt-Schnittstelle zur zeitweiligen Speicherung der vom Hauptsystem empfangenen oder für dieses bestimmten Daten. Ferner sind mehrere Plattenspeichereinheiten vorgesehen, und zwar zusammen mit einer Plattenspeicher-Schnittstelle und einem zugehörigen zweiten Datenpuffer, der die von den Platten-Speichereinheiten erhaltenen und für diese bestimmten Daten zeitweilig speichert. Die Schnittstellen sind miteinander und gemeinsam mit einem großen Hauptspeicher verbunden, der die von einer zur anderen Schnittstelle fließenden Informationen empfängt und einreiht» Ferner ist mit den Schnittstelleneinheiten und dem Hauptspeicher ein Haupt-Steuerprozessor verbunden, der die Arbeitsweise der Anordnung so lenkt, daß die Haupt-Schnittstellen auf den Haupt-Rechner in der gleichen Art wie bei einem Bandsystem ansprechen, während die Platten-Schnittstellen die Daten auf Plattenspeicher ein- und auslesen, und zwar in willkürlicher Weise und entsprechend dem gerade zur Verfügung stehenden Speicherraum.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 den Gesamtaufbau einer erfindungsgemäßen virtuellen Speicheranordnung,

Figur 2 schematisch den Fluß der Steuer- und Informationssignale in der Anordnung der Figur 1 und

Figur 3 und 4 den Befehls- und Informationssignalfluß beim Aus- bzw. Einlesen.

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Flgui* 1 zeigt in vereinfachter Form den Grundaufbau der eriindungsgeraäßen Speicheranordnung in Verbindung mit einem Hauptrechner 10. Die Erfindung ermöglicht die Steuerung einer oder mehrerer extrem schneller und zugänglicher Plattenspeichereinheiten, wobei die Daten in der gleichen ¥eise wie bei einem Bandantrieb aufgenommen und abgegeben werden können,, während der Speicher wesentlich besser zugänglich ist, so daß die Speicherfähigkeit, und die Ansprechzeit gegenüber Bandoder Plattenspeicher!! wesentlich verbessert sind. Der Kauptrechner 10 kann beliebiger geeigneter Art sein, wegen der Wirtschaftlichkeit sollte jedoch ein Hauptspeicher mit einer großen Zentraleinheit verwendet v/erden, beispielsweise die IBM-Rechner 360 oder 370 sc.v'ie Prozessoren der IBM-Hodelle 303I₅ 3032- oder 3033« Die erfinäungsgemäße Speicheranordnung kann auch mit mehreren Hauptrechnern verwendet werden. Die Speicner-Anordnung enthält eine Reihe von Haupt-Schnittstellen 12a bis 12n; Ihre Anzahl ist abhängig von der Kenge zu übertragender Daten. Da die Haupt-Schnittstellen Identisch sind, ist Ihre tatsächlich zu verwendende Anzahl unwesentlich. Die Haupt-Schnittstellen sind mit dem Hauptrechner 10 über herkömmliche Kanäle 14 gekoppelt und empfangen und übertragen Informationen zum Rechner 10 im normalen Serien-Format,, wie es bei Bandspeichern üblich ist.

Sin oder mehrere Platten-Schnittstellen 16a Ms 16n sind mit sämtlichen Haupt—Schnittstellen 12a bis 12n über eine gemeinsame Infcrmationsschiene 18 gekoppsl·".. Auf diese V/eise können Informationen zwischen jeder beliebigen Haupt-Schnittstelle und jeder beliebigen Platten-Schnittstelle übertragen werden.

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Die Platten-Schnittstellen I6a - 16η sind je mit einem zugehörigen Plattenspeicher 20a - 2On gekoppelt. Die Platten-Schnittstellen enthalten eine Speicher-Schnittstelle, einen Datenpuffer und eine Platten-Schnittstelle, und zwar zusammen mit einem lokalen Mikroprozessor-Steuergerät zur Steuerung der verschiedenen Elemente der Schnittstellenstufe.

An die Hauptschiene 18 ist ferner ein Hauptspeicher angeschlossen. Der Speicher 22 bildet eine Zwischenstufe für die von den Haupt-Schnittstellen zu den Platten-Schnittstellen fließenden Informationen und kann ferner als Speicher für einen Steuerprozessor dienen, der ebenfalls mit der Hauptschiene 18 verbunden ist. Der Steuerprozessor 24, der die zentrale Datenverarbeitungseinheit der Speicheranordnung darstellt, ist mit jeder der Haupt- und Plattenschnittstellen bzw. 16 verbunden und steuert diese so, daß Informationen in der richtigen Weise empfangen, eingereiht, organisiert und gespeichert werden können. Der Steuerprozessor 24 steuert ferner die verschiedenen Haupt-Schnittstellen 12, so daß diese in einer Weise auf den Haupt-Rechner 10 ansprechen, die einen Bandantrieb bzw. ein Bandlesegerät simuliert.

Figur 2 zeigt weitere Einzelheiten des Aufbaues der Hauptelemente der erfindungsgemäßen Anordnung. Der Prozessor 24 ist direkt mit der Haupt-Schnittstelle 12 verbunden, und zwar mit einer internen Schnittstelle 26, die die Signalübertragung zwischen dem Steuer-Prozessor 24 und einem Mikroprozessor 28 erleichtert, der das Steuergerät für die Haupt-Schnittstelle bildet. Die Haupt-Schnittstelle enthält weiter einen Datenpuffer 30, eine Haupt-Schnittstelle 32, die den Datenpuffer 30 mit dem Haupt-Rechner 10 kompatibel macht, und eine Speicher-Schnittstelle 34, über die der Daten-

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speicher 30 mit der Datenschiene 18 in Verbindung steht.

Die Funktion der Haupt-Schnittstelle 12 ist es, dem Haupt-Rechner 10 eine Bandeinheit zu simulieren, d.h. die Steuerbefehle des Haupt-Rechners 10 zu den Bandeinheiten in Steuerbefehle für das erfindungsgemäße virtuelle Speichersystem umzuformen und die Daten des Hauptrechners 10 in einer Form zuzuführen, wie sie von einer Bandeinheit abgegeben wurden. Im einzelnen nimmt die Schnittstelle 12 die Signale von Haupt-Rechner 10 auf, die von der zum Betreiben der Bandeinheiten verwendeten Form sind. Solche Signale werden erhalten, indem die Haupt-Schnittstelle mit den Byte-Multiplex-oder Block-Multiplex- oder Selektor-Kanälen des Hauptrechners 10 verbunden wird. Diese Signale umfassen Steuerbefehle der Bedienungsperson, beispielsweise "Befestigen eines Bandes" und "Entfernen eines Bandes", sowie Maschinenbefehle, wie "Lesen", "Schreiben" und "Vorgaberaumdatei"("forward space file"). Die Haupt-Schnittstelle spricht auf beide Signalarten an, als ob sie von einem Bedienungspult oder einer Bandeinheit kämen, und quittiert die Signale, was heißt, daß die Befestigung einer imaginären Bandspule o.dgl. vollendet ist.

Der Datenpuffer 30 jeder Haupt-Schnittstelle nimmt Daten vom Hauptrechner 10 in serieller Form auf, üblicherweise 9 Bits parallel, und zwar in der gleichen Weise wie sie zum Schreiben auf ein Band einer Bandeinheit wieder zugeführt würden. Der Puffer 30 entserialisiert zusammen mit der Haupt-Schnittstelle 32 während einer Schreiboperation die Information. Das heißt, er speichert sie in parallelen Feldern und hält die einzelnen Bits, bis 8 ganze Byts zur Verfugung

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stehen. In einer typischen Ausführungsform werden gleichzeitig 72 Bits übertragen, wodurch die Übertragungszeit vermindert wird. Auf diese ¥eise läßt sich eine Kompression der zur Übertragung der Daten auf der Leitung 18 erforderlichen Zeit erreichen. Wenn die Daten zwischen dem Puffer 30 und der Schiene 18 ausgetauscht werden sollen, fließen die Daten wiederum in acht parallelen Bytes durch die Speicher-Schnittstelle 34, so daß ein extrem schneller Datenaustausch möglich ist. Die Größe des Puffers kann in starkem Maße variieren, und zwar abhängig von den Erfordernissen des Systems. Bei einer bevorzugten Ausführungsform reichen 64.000 Bytes aus, um einen ganzen Datensatz zu halten, was die Zeitteilung der Schiene 14 beschleunigt und fördert.

Schließlich werden die vom Hauptrechner 10 erhaltenen. Daten auf Magnetplatten geschrieben, die auf einer oder mehreren Platteneinheiten 20a - 2On befestigt sind. Die Platten-Schnittstelle 16 verbindet die Datenschiene 18 mit einer nicht gezeigten Platteneinheit 20 und ist von einem lokalen Mikroprozessor-Steuergerät 36 umfaßt, das die verschiedenen Elemente der Schnittstelle entsprechend den Instruktionen vom Steuer-Prozessor 24 steuert. Wie bei den Haupt-Schnittstellen 12 werden bei den Platten-Schnittstellen 16 Instruktionen vom Steuer-Prozessor über eine Schnittstelle 38 zum lokalen Steuergerät 36 übertragen. Dieses spricht an, indem es einen Datenpuffer 40, eine Platten-Schnittstelle 42 und eine Speicher-Schnittstelle zur Übertragung von Daten zu und von der Platteneinheit veranlaßt.

Im einzelnen dient die Speicher-Schnittstelle 44 dazu, acht Datenkanäle von der Schiene 18 zu empfangen und diese so in Serienform umzusetzen, daß sie in einem

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einzigen Strom von Bits in den Puffer 40 einlaufen. Die Anordnung und Einordnung des Pufferspeichers wird durch das lokale Steuergerät 36 bewirkt, und zwar ebenso wie bei der Steuerung der Platten-Schnittstelle 42, die die Daten zu gegebener Zeit von Puffer 40 zur Platteneinheit überträgt. Die Platten-Schnittstellen dienen ferner dazu, die Datenstellen auf den verschiedenen Platten der zugehörigen Platteneinheiten aufzusuchen und zu registrieren, so daß die Informationen bei Bedarf wiedergewonnen werden können.

Während die Daten in einer Haupt-Schnittstelle 12 sind und in einer Platten-Schnittstelle 16 empfangen werden, werden sie im Hauptspeicher 22 gespeichert. Der mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Hauptspeicher 22 wirkt so als "Bank", die die Daten hält, bis eine der Platten-Einheiten 20 zu ihrer Aufnahme bereit ist. Wenn dies eintritt, signalisiert die der Platten-Einheit 20 zugeordnete Schnittstelle 42 dem Steuerprozessor 24, daß sie zugänglich ist. Der Steuerprozessor 24 gibt dann dem Hauptspeicher 22 einen Befehl, die Daten der Platten-Schnittstelle 42 über die Schiene 18 abzugeben.

In gleicher Weise wird, wenn der Hauptspeicher 10 Daten sucht, die Identität der gesuchten Daten über die Haupt-Schnittstelle 12 zum Steuer-Prozessor 24 übertragen, der dann feststellt, ob die geforderten Daten vorher in den Hauptspeicher eingegeben wurden. Ist dies nicht der Fall, führt der Steuer-Prozessor 24 seinerseits der Platten-Schnittstelle 16 ein Übertragungssignal zu, so daß dessen lokales Steuergerät 36 die Daten des zugehörigen Puffers 40 auslesen läßt, und zwar über die zugehörige Speicher-Schnittstelle 44 auf die Datenschiene 18 und von-dort zum Hauptspeicher

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Gleichzeitig läßt das lokale Steuergerät 28 der zugänglichen Haupt-Schnittstelle 12 die zugehörige Speicher-Schnittstelle 34 ansprechen, so daß die neugelesenen Daten vom Hauptspeicher 22 empfangen und zum Haupt-Schnittstellen-Datenpuffer 30 geleitet werden. Wurden zuvor die geforderten Daten in den Haupt-Speicher geleitet, so werden die Daten unmittelbar aus dem Puffer 30 ausgeleitet, durch den Haupt-Schnittstellen-Modul 32 in Serienform gebracht und zum Hauptrechner 10 übertragen.

In einer alternativen Ausführungsform können die Hauptpuffer 30 und die Plattenpuffer 40 weggelassen werden, wobei deren Funktion vom Hauptspeicher übernommen wird.

Auf diese Weise werden Segmente von Daten, die über eine Anzahl von Platteneinheiten verstreut waren, zusammengefaßt, geordnet und dann automatisch in serieller Form wieder zusammengesetzt. Demzufolge erscheinen die von den verschiedenen Platten-Einheiten 20 zum Haupt-Rechner 10 fließenden Informationen in serieller Form, genau als ob sie von einem Band gelesen wurden.

In der vorstehend beschriebenen Weise können von dem mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Hauptspeicher die Daten selektiert und zum nachfolgenden Wiederzusammensetzen in serielle Form geordnet werden, bevor sie zum Haupt-Rechner 10 geleitet werden.

Die verschiedenen Elemente der erfindungsgemäßen virtuellen Speicheranordnung können aus im Handel erhältlichen Elementen zusammengesetzt und in zweckmäßiger Weise miteinander verbunden werden. So können

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die verschiedenen Elemente der Platten-Schnittstelle 16 statt an einer Stelle, entfernt vom Steuer-Prozessor 24, an verschiedenen Stellen angeordnet und durch Kabel, Schienen o.dgl. miteinander verbunden werden. Die lokalen Mikroprozessor-Steuergeräte 24 zur Steuerung der Bestandteile jeder Schnittstelle können von sehr begrenzter Leistungsfähigkeit sein und aus beliebigen verschiedenen, mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Mikroprozessoren bestehen, die am Markt erhältlich sind. Solche Mikroprozessoren sind beispielsweise die Geräte LSI-11 der DEC Inc., Boston, Mass.; alternativ kann eine geeignete Einheit aus Teilen der Serie 2900 der Firma AMD COMPANY zusammengebaut werden. In ähnlicher Weise können die Haupt- und Platten-Schnittstellen 12 und 16, die die Informationen in Serienform umsetzen bzw. aus der Serienform in andere Form bringen, aus Standard-Einheiten bestehen, beispielsweise dem Block-Multiplexer 370 der IBM Corporation, Armonk, N.Y. Ähnlich kann ein Block-Multiplexer der Firma IBM für den direkten Speicherzugriff verwendet werden.

Die Puffer 30 und 40 zur zeitweiligen Datenspeicherung in den Haupt- und Platten-Schnittstellen 12 bzw. 16 können beliebiger geeigneter Art sein; derzeit wird ein Speicher von wenigstens 64 k Bytes bevorzugt. Ein kommerziell erhältlicher Puffer dieser Art wird von der Firma FAIRCHILD SEMICONDUCTOR hergestellt und enthält einen N-MOS-Speicher mit willkürlichem Zugriff mit einer Geschwindigkeit von 200 ns.

Der mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Speicher 22, der als Datenspeicher dient, sollte schnell abfragbar sein, d.h. eine Zykluszeit von 400 ns oder weniger haben. In einer bevorzugten Ausführungsform hat der mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Speicher eine Kapazität von 16 Megabytes. Ein geeigneter, kommerziell

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erhältlicher Speicher ist beispielsweise das Modell 3758 oder 3768 der Firma IWTERSEAL CORP., Sunny Vale, Calif., vertrieben von der Firma STORAGE TECHNOLOGY CORPORATION, Louisville, Colorado.

Figur 3 zeigt eine funktionelle Darstellung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anordnung im Lesebetrieb, in dem der Hauptrechner 10 Informationen vom Speicher angefordert hat. Die Steuersignale sind in ausgezogenen Linien dargestellt, der Datenfluß in gestrichelten Linien. Der Haupt-Rechner 10 erzeugt ein Befehlssignal für die Bedienungsperson, durch das eine bestimmte Information (z.B."Anbringen des Bandes N") angefordert wird. Da der Rechner 10 voraussetzt, daß die Daten in serieller Form auf einem Band gespeichert sind, braucht nur die Anfangs-Identifikation angegeben zu werden. Andere Elemente der Speicher-Anordnung, insbesondere der Steuer-Prozessor 24, sprechen auf die Information an, indem sie sämtliche Daten abrufen, die der geforderten Information entsprechen, und indem sie die Anordnung der Daten in serieller Form veranlassen-

Der Hauptrechner 10 fordert somit lediglich das Band N an, das nach dem in den Haupt-Rechner 10 eingegebenen Programm eine bestimmte Datengruppe enthält. Tatsächlich kann bei der erfindungsgemäßen virtuellen Speicher-Anordnung diese bestimmte Datengruppe über eine Anzahl verschiedener Platten und/oder auf eine Anzahl von Stellen einer einzigen Platte verstreut sein. Daher spricht die erfindungsgemäße virtuelle Speicher-Anordnung auf einen Operationsbefehl, beispielsweise "Befestigen des Bandes N" an, indem sie ihren eigenen Speicher nach Daten absucht, die anzeigen, wo die verschiedenen Teile der Aufzeichnung gespeichert sind, die der Haupt-Rechner 10 als "Band N" bezeichnet hat.

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Die Anordnung richtet daher nicht den Befehl an die Bedienungsperson, das Band N zu montieren, sondern ruft lediglich die Informationen hinsichtlich der Stelle oder Stellen der Datengruppen von ihrem Speicher ab, die als "Band N" identifiziert sind.

Wenn die Haupt-Schnittstelle 12 anzeigt, daß ein Befehl zur Befestigung des Bandes N vollendet ist, was im Vergleich mit der Befestigung eines wirklichen Bandes praktisch augenblicklich erfolgt, gibt der Hauptrechner 10 einen Befehl zur Schnittstelle 12 ab, wobei die spezifische Identität des zu lesenden Informationsblockes bezeichnet wird. Dieser Befehl wird durch die Haupt-Schnittstelle 12 direkt zum Steuer-Prozessor 24 übertragen, der die verschiedenen Bereiche identifiziert, in denen die Informationen gespeichert sind. Dies kann unter Verwendung eines Datenregisters 46 erfolgen, das an den Steuer-Prozessor 24 angeschlossen ist. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform enthält das Datenregister 46 einen Speicher mit willkürlichem Zugriff (der durch eine Bandeinheit und ein zugehöriges Band ergänzt sein kann für den Fall, daß Informationen aus dem Speicher verlorengehen) . In diesem Speicher wird die Stelle der verschiedenen Daten-Unterblöcke aufgezeichnet, die zusammen die vom Hauptrechner 10 angeforderten Daten bilden.

Wenn die Plätze der verschiedenen Daten-Unterblöcke durch den Steuer-Prozessor 24 identifiziert sind, werden den Steuerteilen der verschiedenen Platten-Schnittstellen 36 Signale zugeführt, worauf die Daten von den verschiedenen Platten-Speichereinheiten 20 abgefragt werden. Die Daten werden dann in den Puffer der Schnittstelle 16 ausgelesen und zur Übertragung

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zum Hauptspeicher 22 zur zeitweiligen Speicherung vorbereitet, wo sie verbleiben, bis sie von den verschiedenen Haupt-Schnittstellen 12 benötigt werden.

Wenn der Puffer 40 mit Daten gefüllt ist, wird von der Platten-Schnittstelle 16 ein Signal zum Steuer-Prozessor 24 ausgegeben, das diese Tatsache anzeigt. Zu dieser Zeit überträgt der Steuer-Prozessor 24 die gepufferten Informationen direkt zu einem zuvor zugeordneten Platz im schnell arbeitenden Hauptspeicher 22.

Beim bekannten Bandsystem erfordert die anfängliche Anbringung eines Bandes normalerweise etwa 30 s bis 5 min. Die zur Ausführung eines Lesebefehls erforderliche Zeit variiert zwischen 1 bis 10 ms, je nach den Eigenschaften des einzelnen Geräts und der Länge der zu lesenden Aufzeichnung. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen virtuellen Speicheranordnung erfordert die Operation der Anbringung eines Bandes typisch weniger als 1 s. Die wirkliche Leseoperation dauert, wie beim Stand der Technik, 1 bis 10 ms, je nach der Länge der Aufzeichnung und den Eigenschaften des Speichers 22. Die zu lesende Information wird daher sehr schnell in den Haupt-Speicher 22 eingespeichert, wo sie gespeichert wird, bis ein Signal von der Speicher-Schnittstelle 12 dem Speicher 22 anzeigt, daß der Haupt-Rechner 10 zum Empfang der Daten bereit ist. Zu dieser Zeit wurden dann die Daten von den verschiedenen Stellen in den verschiedenen Platten 20, wo sie gespeichert waren, gesammelt und in der richtigen Reihenfolge in Serienform gebracht; sie können nun ohne Verzögerung für die Adressenzeit oder zum Suchen der Informationen auf den verschiedenen Platten in den Haupt-Rechner 10 eingegeben werden.'

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Die erfindungsgeinäße Speicher-Anordnung bietet somit bedeutende Zeitvorteile gegenüber Platten. Im Verleich mit Bandgeräten vermeidet sie die durch die Anbringung der Bänder bewirkten Zeitverzögerungen vollständig. Auf diese Weise verbindet die vorherige Pufferung durch den Hauptspeicher 22 die Vorteile von Platten und Bändern, da das Fehlen der Befestigung der Platten mit dem Serienformat von Bändern kombiniert wird. Es wird daher Rechnerzeit eingespart, weil die Daten vollständig im Speicher organisiert werden. Gleichzeitig wird infolge der überlegenen Organisation und des besseren Zusammenwirkens der verschiedenen Elemente ein sehr geringer Teil des vorhandenen Plattenspeicherplatzes dafür verwendet, die Lese-/Schreiboperation zu lenken oder die Daten im Plattenspeicher aufrechtzuerhalten und unterzubringen. Diese Zeit wird zuweilen als "Overhead"-Faktor der Plattenspeicher-Kapazität bezeichnet. Demnach steht ein wesentlich höherer Prozentsatz des vorhandenen Plattenspeicherraums für die Aufnahme der Daten zur Verfügung, als dies bei bekannten Systemen der Fall ist. Der Speicher-Ausnutzungsgrad von Plattenspeichern kann auf diese Weise auf eine Höhe gebracht werden, die ähnlich der bei Bändern erreichten ist.

Der in Fig. 4 dargestellte Schreibbetrieb verläuft im wesentlichen umgekehrt wie der Lesebetrieb gemäß Fig. 3» Wie in Fig. 3, sind die Steuersignale durch ausgezogene und der Datenfluß durch gestrichelte Linien dargestellt. Wenn der Haupt- oder Primärrechner 10 über herkömmliche Bandeinheiten-Codes anzeigt, daß Daten eingeschrieben oder gespeichert werden sollen, wird dieser Befehl· über die Schnittstelle 12 zum Steuer-Prozessor 24 übertragen. Dieser veranlaßt die Schnittstelle 12, den Befehl zu quittieren; gleichzeitig fragt

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er die Platten-Schnittstellen 16 ab, um einen Puffer 40 zu finden, der einige oder sämtliche Daten aufnimmt. Wenn diese Plätze bestimmt sind, werden sie durch den Steuer-Prozessor 24 im Datenregister 46 gesammelt.

Der Steuer-Prozessor 24 steuert dann die Haupt-Schnittstelle 12 so, daß sie Daten vom Haupt-Rechner 10 aufnimmt und sie im Datenpuffer 30 der Haupt-Schnittstelle 12 zu den geeigneten Plätzen gelenkt werden. Sollte der Puffer 30 gefüllt sein, bevor entsprechender Speicherplatz in den Puffern 40 der Platten-Schnittstellen 16 zur Verfugung steht, wird ein Befehl "Zuweisung von Speicherplatz" durch den Steuer-Prozessor 24 zum Hauptspeicher 22 übertragen, wonach Daten vom Puffer der Haupt-Schnittstelle 12 dem Haupt-Speicher zugeführt werden. Wenn in einer oder mehreren Platten-Schnittstellen 16 genügend Pufferkapazität zur Verfügung steht, gibt der Steuer-Prozessor 2Λ gewisse Zeit später einen Befehl zum Hauptspeicher 22, der darauf die gespeicherten Daten zu den geeigneten Puffern der Platten-Schnittstellen leitet, so daß die Daten auf den Platten der zugehörigen Püatten-Einheiten 20 gespeichert werden.

Da jeder Datenblock vom Haupt-Speicher 10 einer Haupt-Schnittstelle 12 zugeführt wird, bestimmt der Speicher-Schnittstellenmadul 34, wo die neu empfangenen Informationen im zugehörigen Puffer 30 gespeichert werden; er komprimiert die Daten in Serienform und erzeugt beispielsweise acht Datenkanäle; er addiert ein Identifikations-Bit oder mehrere Identifikations-Bits zum Informationsblock, die die Größe des Blockes anzeigen. Auf diese Weise werden die Daten den Puffern 30 kontinuierlich zugeführt, bis ein bestimmter Datenblock aufgefüllt ist oder bis der Haupt-Rechner 10 ein Signal erzeugt, das das Ende einer bestimmten Aufzeichnung

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anzeigt. Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung wird ein derartiges Signal durch das örtliche Steuergerät 28 als Ende der Signalübertragung gedeutet, worauf kein weiterer Puffer-Speicherplatz mehr zugeteilt zu werden braucht.

An dieser Stelle leitet der Steuer-Prozessor 24 die nun im Datenpuffer 30 gespeicherten Daten zu dem mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden, als Puffer wirkenden Haupt-Speicher 22. Während der Haupt-Rechner 10 in der oben beschriebenen Weise Daten im Datenpuffer 30 speichert, kann der Steuer-Prozessor 24 nach ausreichendem Speicherplatz auf den Platteneinheiten 20 suchen und diesen Platz den Daten zuweisen, die darauf im Dacenpuffer 30 gespeichert werden. Wenn daher das Aufzeichnungsend-Signal im Steuer-Prozessor 24 empfangen wird, können die Daten in Serienform umgesetzt und dem Hauptspeicher 22 als Pufferspeicherraum zugeführt und dann zur Speicherung den Platteneinheiten 20 zugeführt werden.

Anders ausgedrückt, wenn der Haupt-Rechner 10 anfänglich einen Befehl zur Anbringung eines Bandes erzeugt, d.h., die Bedienungsperson zur Datenspeicherung ein leeres Band auflegen soll, so wird dieser Befehl über die Haupt-Schnittstelle 12 zum Steuer-Prozessor 24 übertragen. Der Steuer-Prozessor 24 spricht auf diesen Befehl an, indem er nach Speicherplatz auf einer oder mehreren Platten 20 sucht, und indem er in einem oder mehreren der Puffer 30 der Platten-Schnittstellen 16 Speicherplatz reserviert. Ist dies geschehen, so instruiert der Steuer-Prozessor 24 die Haupt-Schnittstelle 12, Daten vom Haupt-Rechner 10 aufzunehmen, sie zu deserialisieren und im zugehörigen Puffer 30 zu speichern. Ist dieser Puffer 30 voll, wenn kein weiterer Pufferraum mehr zur Verfügung steht, werden diese Daten zum Hauptspeicher 22 weitergeleitet. Steht aus-

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reichender Platten-Spsicherrauia zur Verfügung, so ist der nächste Schritt des Steuer-Prozessors 24, die Platten-Steuerschnittstelle 42 der Platten-Schnittsteile 16 zu instruieren, die Daten auf die zugehörige Platten-Einheit 20 einzuschreiben, wonach der Schnittstellen-Modul 44 die Information liest und serialisiert und sie in seinen zugehörigen Puffer 40 bringt, von wo sie auf die zugehörige Platte 20 geschrieben wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Daten auf eine herkömmliche Bandeinheit zu kopieren oder zu speichern, wenn beispielsweise eine Duplizierung für wünschenswert gehalten wird. Das heißt, die erfindungsgemäße Datenspeicher-Anordnung kann parallel mit einem herkömmlichen Bandsystem betrieben werden.

Die Verbindung des mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Pufferspeichers 22 mit dem Steuer-Prozessor erlaubt zusammen mit der Haupt-Schnittstelle und den Platten-Schnittstellen sowie den zugehörigen Steuer-Moduln eine Kombination der Vorteile der bekannten Band- und Platteneinheiten. Das heißt, die leichte . Zugänglichkeit von Platten-Einheiten wird kombiniert mit dem hohen Speicherwirkungsgrad von Bandeinheiten, so daß sich ein schnelles und hochwirksames virtuelles Speichersystem ergibt, dessen. Plattensystem bei Anwendung der Erfindung für den Zentralrechner wie eine Bandeinheit erscheint, jedoch ohne deren Kachteile. Da die erfindimgsgemäßen Speicherplatten dauernd befestigt sind, erübrigt sich ein Eingriff der Bedienungsperson, wenn eine bandartige Aufzeichnung, d.h. eine sequenzielle Aufzeichnung gesucht wird. Darüber hinaus können bekannte Platten-Einheiten ohne Änderung mit dem erfindungsgemäßen virtuellen Speichersystem verwendet werden, d.h., das erfindungsgemäße System kann als Einheit oder Schnittstelle betrachtet werden, die zwischen einen bekannten Hauptrechner und bekannte

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Platten-Einheiten eingefügt ist. Die Platten-Einheiten oder der Hauptrechner brauchen daher nicht abgewandelt zu werden, um sie zusammen mit der erfindungsgemäßen virtuellen Speicher-Anordnung zu betreiben.

Weiter ist zu vermerken, daß die erfindungsgemäße Speicher-Anordnung als Schnittstelle zwischen beliebig vielen Hauptrechnern und beliebig vielen Platten-Einheiten verwendet v/erden kann. Hat daher eine Bedienungsperson mehr als einen Haupt-Rechner zu betreuen und steht eine begrenzte Anzahl von Platten-Einheiten zur Verfugung, so läßt sich durch die erfindungsgemäße virtuelle Speicher-Anordnung eine maximale Speicher-Ausnutzung errreichen und eine unzulässige Muliplikation der Platten- oder Bandspeichersysteme vermeiden. Die erfindungsgemäßen Haupt-Zwischenstellen-Einheiten können mit mehr als einem Hauptrechner verbunden werden. Darüber hinaus ist die Bereitstellung eines mit hoher Geschv/indigkeit arbeitenden Speichers oder Puffers für die "vorwegnehmende Pufferung" wesentlich, die ein wichtiges Merkmal der Erfindung darstellt. Durch Verwendung des Hauptspeichers 22 als Zwischenpuffer zwischen der Hauptrechner-Schnittstelle und den verschiedenen Platten-Ejnheiten-Schnittstellen lassen sich Multiplex-Daten puffern. Das heißt, erfindungsgemäß können die auf einer Anzahl von Plätzen auf einer Anzahl von Platten-Einheiten (in willkürlicher Form) gespeicherten Daten zusammengefügt, hintereinander aufgereiht und zeitweilig in dem mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Hauptspeicher gespeichert werden, bis sie vom Haupt-Rechner 10 abgerufen werden. Auf diese V/eise erübrigen sich Verzögerungen beim Einlesen der Informationen vom Speicher in den Hauptrechner. In ähnlicher Weise lassen sich die Ausgangsdaten vom Hauptrechner anordnen, teilen und im Hauptspeicher speichern, bis verschiedene Plattenspeicher-Bereiche zur Informationsspeicherung zur

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Verfügung stehen.

Eine besonders bezeichnende Möglichkeit, die durch die erfindungsgemäße Speicher-AnOrdnung geboten wird, ist die der Daten-Kompression. Bisher war ein gemeinsames Schema der Daten-Kompression, bei dem eine lange Reihe digitaler 1 oder O durch Symbole ersetzt wurde, die die Länge der Reihe angeben, bei Platteneinheiten nicht brauchbar, da bei diesem Schema sowohl Adressen-Informationen als auch Daten komprimiert werden. Da jedoch nach der Erfindung Platten-Einheiten als Bandeinheiten erscheinen, wird diese Schwierigkeit des Standes der Technik vermieden und die Datenkompression auch mit Plattenspeichern kompatibel gemacht. Die Daten-Kompression erfolgt vorzugsweise im Haupt-Zwischenspeicher. Das heißt, während einer Schreib-Operation können durchgehende Reihen von 1 oder O erfaßt und durch kürzere Symbole ersetzt werden. Beim Lesen werden diese Symbole erfaßt und durch die so definierten Daten ersetzt»

DE/Ca.

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Leerseife

Claims

Pt TC N-ANWÄLT3

SCHIFF ν. FÜNER STREHU SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95

ALSO PROFESSIONAU REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE

KARL LUDWIG SCHIFF (19S4-1978)

DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. FÜNER

DIPL. ING. PETER STREHL

DIPL. CHEM. DR. URSUlA SCHÜBEL-HOPF

DIPL. ING. DIETER EBBINGHAUS

DR. ING. DIETER FINCK

TELEFON (OSEl) 48 2Ο54

TELEX 5-23 565 AURO D

TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN

STORAGE TECHNOLOGY CORPORATION DEA-20495

17. Oktober 1980

DATENSPEICHER-ANORDNUNG UND DATENSPEICHERVERFAHREN

Patentansprüche

[Λ2) Datenspeicher-Anordnung zur Verwendung mit wenigstens einem Haupt-Digitalrechner (10), gekennzeichnet

durch wenigstens eine Haupt-Schnittstelle (12), die auf Befehle von dem wenigstens einen Hauptrechner (10) zur Speicherung und zum Zugriff serieller Informationen anspricht, wobei die Hauptschnittstellen (12) je einen ersten Datenpuffer (30) zur Speicherung von Daten enthalten, die vom Hauptrechner (10) empfangen oder diesem zugeführt werden,

durch einen Hauptspeicher (22),

durch wenigstens eine Platten-Speichereinheit (16), die je mehrere Platten zur Speicherung von Digitalinformationen enthalten, sowie einen zweiten Datenpuffer (40), der mit der Platten-Speichereinheit und dem Hauptspeicher zur Speicherung der von der Platten-Speichereinheit erhaltenen oder zu dieser ge-

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richteten Daten verbunden ist, und

durch eine mit der Haupt-Schnittstelle und den Platten-Speichereinheiten verbundene Steuereinheit (24), die bewirkt, daß die Haupt-Schnittstellen Daten in serieller Form empfangen und annehmen und daß die Piatten-Speichereinheiten die Informationen in willkürlicher Form speichern und abrufen.

2. Datenspeicher-Anordnung zur Verwendung zusammen mit einem oder mehreren Hauptrechnern und Platteneinhei— ten, gekennzeichnet

durch einen Datenspeicher mit einer mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Speichereinheit (22),

durch eine Anzahl von Haupt-Rechner-Schnittstellen, deren Zahl wenigstens gleich ist der Anzahl der Hauptrechner und die je ein lokales Steuergerät und Schnittstellen zur Verbindung der Rechner-Schnittstellen mit dem bzw. den Rechnern und dem Datenspeicher enthalten,

durch eine Anzahl von Platten-Schnittstellen (38), die je ein lokales Steuergerät und Schnittstellen zur Verbindung der Platten-Schnittstellen mit den zugehörigen Platteneinheiten und dem Datenspeicher enthalten, und

durch ein Steuergerät zum Koordinieren des Betriebs der Hauptrechner-Schnittstellen, der Platten-Schnittstellen und des Datenspeichers.

3. Datenspeicher-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf Operator- und Maschinenbefehle anspricht.

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4. Datenspeicher-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Datenkompression und Einrichtungen zur Datendekompression.

5. Datenspeicher-AnOrdnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Hauptrechner-Schnittstellen einen Datenpuffer (30) enthält.

6. Datenspeicher-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Platteneinheiten-Schnittstellen einen Datenpuffer (40) enthält.

7. Datenspeicher-Verfahren, dadurch gekennzeichnet , daß die Daten in einem Hauptspeicher (22) empfangen werden, daß geeignete Speicherplätze auf Platten-Speichereinheiten (20) bestimmt werden, daß die Daten zu den Platten-Speichereinheiten zugeordneten Platten-Schnittstellen übertragen v/erden, und daß die Daten von den Platten-Schnittstellen auf die Platten-Speichereinheiten eingeschrieben werden.

8. Datenspeicher-Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Daten über eine Haupt-Schnittstelle (12) vom Hauptrechner (10) empfangen, vor der Übertragung zum Hauptspeicher deserialisiert und vor dem Einschreiben in die Platten-Speichereinheiten reserialisiert werden.

9. Datenspeicher-Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Daten komprimiert werden.

10. Datenspeicher-Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Adressen der Speicherplätze, auf denen die Daten in den Platten-

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einheiten gespeichert werden, in einem Speicher mit willkürlichem Zugriff gespeichert v/erden.

11. Datenspeicher-Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Adressen zusätzlich in weiteren Speichern gespeichert werden.

12. Verfahren zum Abrufen von in mehreren Platteneinheiten gespeicherten Daten, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmt wird, wo die Daten gespeichert sind, daß die Daten von den Platten-Speichern abgerufen und in einen Hauptspeicher eingeschrieben v/erden, daß die Daten im Hauptspeicher in eine Wartereihe eingereiht warden, und daß die Daten zu einem Hauptrechner übertragen werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Daten vor dem Einschreiben in den Hauptspeicher deserialisiert und vor der Übertragung in den Hauptrechner reserialisiert werden.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten dekomprimiert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten in einem Puffer zwischen dem Hauptspeicher und dem Hauptrechner gespeichert werden.

16. Verfahren nach Anspruch 7 oder 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Datenfluß zwischen den Platteneinheiten, dem Hauptspeicher und dem Hauptrechner durch ein System-Steuergerät gesteuert wird.

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17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät auf Operator- und Maschinenbefehle anspricht.

18. Datenspeicher-Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß seriell organisierte Daten von einem Hauptrechner in einer Haupt-Schnittstelle empfangen werden, daß bestimmt wird, welche Teile des Plattenspeichers zur Speicherung der Daten zur Verfügung stehen, daß die Daten entsprechend den Teilen in Blöcke unterteilt werden, und daß die Daten in den Teilen in Blockform gespeichert werden.

19. Datenspeicher-Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß die Daten in der Haupt-Schnittstelle deserialisiert werden.

20. Datenspeicher-Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten vor der Speicherung in den Teilen in einem Hauptspeicher gespeichert werden.

21. Datenspeicher-Verfahren nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die Daten in der Haupt-Schnittstelle komprimiert werden.

22. Datenspeicher-Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß die Adressen der Plätze, an denen die Daten gespeichert sind, in einem Speicher mit willkürlichem Zugriff gespeichert werden.

23. Datenspeicher-Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die seriell organisierten Daten zusätzlich in einem herkömmlichen Bandspeicher gespeichert werden.

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