JPH033263B2

JPH033263B2 -

Info

Publication number: JPH033263B2
Application number: JP56074564A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Iwata; Yutaka Hitai; Shigeki Shibayama; Shigeru Koyanagi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-05-18
Filing date: 1981-05-18
Publication date: 1991-01-18
Also published as: JPS57189247A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は関係モデルを扱うデータベースシステ
ムで必要な集合演算を高速に実行することのでき
る関係代数演算装置に関する。データベースシステムを構築する場合、現実世
界を抽象化して計算機内部に表現するデータをモ
デル化することが必要である。従来よりいくつか
のデータモデルが提唱されているが、その代表的
なものに階層モデル、網モデル、関係モデル等が
ある。この中で特に将来の発展が期待されている
関係モデルは、数学の集合論における関係の概念
を応用したもので、何らかの意味を有するデータ
の集まりを考えてデータベースを構成したもので
ある。上記階層モデルや網モデルは、ポインタの
チエーンで構成された複雑なデータ構造を有する
為、その応用プログラムに依存する度合が大きか
つた。これに対して上記関係モデルは、データを
集合として表現する為にデータ構造が単純である
上、各データの独立性が高く、応用プログラムの
生産性を高めると云う特徴を有している。ところで、このような関係モデルを用いて構築
されたデータベースを操作して目的とする情報を
取り出そうとすると、データの関係の集まりから
新しい関係を作り出す集合演算が必要となる。例
えば「２、10、15、６」なるデータ要素で構成さ
れた集合f₁（_2,10,5,6）と、「３、７、10、４、９、
６、12」なるデータ要素からなる集合₂（_{3,7,10,7,9,
6}
_，１２）との間の共通要素である集合f₃（_2,10,6）と取
り出す場合、その集合演算が必要となる。具体的
にはf₁なるキーワードによつてf₂なる特許キーワ
ードを検索する場合がこれに該当する。しかして
従来では、この種の演算を汎用の計算機を用いて
ソフトウエア的に実行されているが、大容量デー
タを扱うデータベースでは、演算プログラムが非
常に複雑になると共に、処理時間が長くなると云
う不具合があつた。この為、上記データベースシ
ステムにおける関係モデルの集合演算を効率良く
行い得るハードウエアの開発が強く望まれてい
た。本発明はこのような事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、関係モデルを扱
うデータベースシステムで必要とするデータの集
合演算を効率良く高速度に実行することができ、
しかもハードウエア構成が簡単で実用性の高い関
係代数演算装置を提供することにある。即ち本発明は、２つのバツフアメモリとFIFO
機能を持つメモリを用いてソート処理するプロセ
ツサからなる第１の処理エレメントを複数個縦続
に結合してソートエンジンを構成すると共に、バ
ツフアメモリとFIFO機能を持つメモリを用いて
マージ処理するプロセツサからなる第２の処理エ
レメントを２個並列に設けてマージエンジンを構
成し、データ数の少ない集合の前記ソートエンジ
ンによるソート結果を前記マージエンジンのバツ
フアメモリに格納した後、上記データ数と同じ数
の他の集合のデータに対する前記ソートエンジン
によるソート結果を前記マージエンジンのFIFO
機能を持つメモリに格納し、これらのメモリに格
納されたデータ間でのマージ処理を行うことによ
つて上記目的を効果的に達成するようにしたもの
である。以下、図面を参照して本発明の実施例につき説
明する。第１図ａ，ｂは本発明における集合演算の処理
アルゴリズムを示すもので、基本的には同図ａに
示すように２つの集合f₁，f₂からその共通するデ
ータ要素からなる集合f₃を取出すものである。そ
の処理アルゴリズムは、先ず第１ステツプとして
構成要素数の少ない集合を選び、その構成要素を
ソート処理する。この場合、集合f₁を選び、「２、
10、15、６」なる順序で入力された構成要素、つ
まりデータを所定の規則に従つて、例えば値いの
小さい順序に並び変えてデータ列「２、６、10、
15」なるソート処理された集合g₁を形成する。しかるのち第２ステツプとして集合f₂のデータ
を入力し、上記集合g₁と同じ構成要素数の組を構
成して、その組におけるデータをソート処理す
る。また上記データに連続して入力されるデータ
についても同様にしてソート処理する。今、集合
f₂としてデータが「３、７、４、10、９、６、
１、２」の順序で入力されたとき、データ列
「３、４、７、10」なるソートされた集合g₂と、
データ列「１、２、６、９」なるソートされた集
合g₃をそれぞれ形成する。その後、第３ステツプとして、上記集合f₂に対
する部分的なソート処理された集合g₂，g₃が生成
される都度、前記集合g₁との間でマージ処理し、
共通するデータ要素を抽出する。この抽出された
データを要素とする集合f₃とすることによつて前
記した集合演算が終了する。このような処理アルゴリズムを実行する本実施
例装置は、例えば第２図に示す如く構成される。ソートエンジンSEは、複数（ｎ個）の第１の
処理エレメントPE₁，PE₂〜PE_oを縦続に接続し
て構成される。これらの第１の処理エレメント
PE_k（ｋ＝ｏ〜ｎ）は、それぞれ２つのバツフア
メモリMk₁，Mk₂とFIFO機能を有するメモリ
Bk₂を用いて入力データをソート処理するプロセ
ツサPkにより構成される。上記FIFO機能を持つ
メモリBk₂は、データの書込みと読出しとを同時
アクセス可能で、且つデータの書込み順序に従つ
てデータを読出す、所謂フアーストインフアース
トアウト（First In First Out）機能を呈する
RAMにより構成されるものである。そしてプロ
セツサPkは、２つのメモリMk₁とBk₂あるいは
Mk₃とBk₃に書込まれたデータを対比し、所定の
規則に従つて、例えば値の小さいデータから順に
データ読出しを行うことによつて、ソート処理を
行うものである。しかしてこのソートエンジンSEでは、１段目
の処理プロセツサPE₁にて、入力されたデータの
列のうち２つ毎に組を形成し、その組においてソ
ート処理する。２段目の処理プロセツサPE₂で
は、上記ソート処理された２組のデータを入力し
てこれをマージし、４つのデータからなる組を形
成して、その内部においてデータをソート処理す
る。以下同様にして各段の処理エレメントは、前
段で処理された２組のデータについてソート処理
を遂次実行する。これにより、一般的にはｎ段の
処理エレメントを介することによつて2ⁿ個の入力
データ列がソート処理されることになる。一方、マージエンジンMEは、２つの第２の処
理エレメントRP₁，RP₂を並列的に設けて構成さ
れる。これらの第２の処理エレメントRP₁，RP₂
は、１つのバツフアメモリM₀₁（M₀₂）とFIFO機
能を持つメモリB₀₁（B₀₂）とを用いて入力データ
の併合（マージ）処理するプロセツサP₀₁（P₀₂）
と、このマージ処理結合である一致したデータを
書込む出力バツフアメモリOB₁（OB₂）によつて
それぞれ構成される。プロセツサP₀₁（P₀₂）はメ
モリM₀₁（M₀₂）とB₀₁（B₀₂）にそれぞれ書込まれ
た組のデータを順次比較し、その一致を検出して
一致したデータを選択的に取出し、これを出力バ
ツフアメモリOB₁（OB₂）に書込む如く動作する
もので、２つの処理エレメントRP₁，RP₂は交互
に動作して、連続する組のデータを順次マージ処
理する。しかしてこのように構成されたマージエンジン
MEは、共通バスBUSを介して前記ソートエンジ
ンSEに接続されると共に、制御プロセツサCPに
接続されている。制御プロセツサCPはソートエ
ンジンSEによる、入力データに対する一連した
ソート処理を制御すると共に、ソートされたデー
タをマージエンジンMEに導き、このマージエン
ジンMEにて上記入力データのマージ処理を行わ
しめ、これによつて前記した集合演算の処理アル
ゴリズムをパイプライン動作させて制御するもの
である。次にこのように構成された装置に入力データの
集合f₁，f₂が入力され、その共通要素からなるデ
ータの集合f₃を求める処理プロセスを第３図に示
すタイミング図を用いて説明する。尚、ここでは
集合f₁はデータ「２、10、15、６」を要素とし、
集合f₂はデータ「３、７、10、４、９、６、１、
２」を要素とするもので、これらのデータを順次
入力して演算処理を実行するものとする。第３図
において横軸には時間（タイミング）の経過が示
され、縦軸には処理エレメントとその状態が示さ
れれている。今、集合f₁のデータ個数がｎ、集合f₂のデータ
個数がｍであるとすれば、先ずデータ個数の小な
い集合からデータ入力される。ここではｎ＝４、
ｍ＝８であることから集合f₁のデータから順にデ
ータ入力される。このようにして順次入力される
データは、第１の処理エレメントPE₁のメモリ
M₁₁，B₁₂，M₁₃に、M₁₁，B₁₂，M₁₃，B₁₂，M₁₁，
B₁₂…なる順序で順次振分けられて書込まれる。
プロセツサP₁では、２個の組を為すデータが入
力される都度、そのデータ比較を行い、例えば値
の小さいデータから順に読出すことによつてソー
ト処処理している。従つて第２段目の処理エレメ
ントPE₂には（２、10）（６、15）なる組のデー
タが導かれる。この処理エレメントPE₂ではこれ
らを相互に対比し、同様にして値の小さいデータ
から読出す。この場合、同じ組のデータについて
は既に前段のエレメントにてソート処理が行われ
ていることから、他方の組のデータとの間でデー
タ比較を行う。そして、他方の組の比較するデー
タがその読出しによつて無くなつた場合には、所
定値無限大（∞）とデータ比較してデータ読出し
を実行する。尚、値の大きいデータから順にソー
トする場合には、上記所定値として零（０）を用
いればよい。このようにして、集合f₁のソート処
理が行われると、その結果はマージエンジンME
に転送され、バツフアメモリM₀₁，M₀₂にそれぞ
れ書込まれる。また前記第１段目の処理エレメントPE₁には、
集合f₁のデータに続いて集合f₂のデータが続いて
入力される。この集合f₂のデータも同様にしてソ
ート処理される。しかして、前記集合f₁のデータ
個数と同じ数のデータがソート処理されたとき、
そのデータの組はマージエンジンMEのメモリ
B₀₁に書込まれる。これによつてプロセツサP₀₁は
メモリM₀₁とB₀₁との間のデータ対比を順次行い、
部合集合組における共通するデータを検出してい
る。またこの処理エレメントRP₁におけるマージ
処理実行中には、ソートエンジンSEにおいて前
記集合f₂の残されたデータについてソート処理を
行つている。この組のデータは、マージエンジン
MEのメモリB₀₂に順次格納され、この処理エレ
メントRP₂においても同様にマージ処理が行われ
ることになる。そして、集合f₁のデータ個数と同
じ数のデータからなる集合f₂の部分集合のデータ
組が得られる都度、そのデータはメモリB₀₁，
B₀₂に交互に書込まれてマージ処理に供される。
しかして出力バツフアメモリOB₁，OB₂には、こ
れらのマージ処理によつて得られた共通データが
書込まれ、入力された全てのデータに対する処理
が終了したとき、集合演算によつて得られた集合
f₃のデータとして読出される。かくしてこのような処理ブロセスを実行する本
装置によれば、極めて高速度に処理結果をを得る
ことができる。即ち、前記集合f₁，f₂のデータ数
をｎ、ｍ（ｎ＜ｍ）とした場合、データ転送の終
了後、 log₂n＋2n なるタイミング数（ステツプ）で演算が完了す
る。例えば第３図に例示するようにｎ＝４、ｍ＝
８の場合、 log₂4＋２・４＝10 として、10ステツプで演算を終了する。また、デ
ータ転送には（ｎ＋ｍ）ステツプを要するから、
結局22ステツプで全ての処理を完了することにな
る。ちなみに、集合f₁で示される検索キーワード
数が８個、集合f₂で示される検索対象となる特許
情報のキーワードが１万個である場合には、デー
タ転送後19ステツプで検索が終了することにな
る。このことは、集合f₂の要素が１万個も存在す
るにも拘らず極めて高速度な処理が可能なことを
意味する。また別の大きな特徴として、メモリ容量が小さ
くて良いことである。即ち、第３図に示されるよ
うに、入力データは集合f₁のデータ数によつて定
められる組のデータを格納するに十分な容量を備
えていればよく、この場合、各メモリは８ワード
の容量を持てばよい。そして、１万個ものデータ
を有する集合f₂は、８個のデータ毎に区分され、
その中でソート処理されたのちマージエンジン
MEのメモリB₀₁，B₀₂に交互に格納されるので、
その構成を非常に簡単にすることができる。その
上、出力バツフアメモリOB₁，OB₂も、第３図中
○印で示すように、一致データのみを抽出してこ
れを格納すればよいものであるから、小容量化す
ることが可能である。このことは、マージエンジンMEが並列構成さ
れた２個の処理エレメントRP₁，RP₂が並列動作
する構成としたことによる。仮りに１個の処理エ
レメントのみでマージ処理を行わんとすれば、マ
ージ処理に要する時間がソート処理に要する時間
よりも長くなるので、その差を吸収する大容量メ
モリが必要となり、具合が悪くなるが本装置では
このような不具合が懸念されることがない。逆に
処理エレメントRPの数を更に増した場合には、
ソート処理時間がマージ処理時間より長くなるの
で、結局入力データの入つてこないエレメントは
何ら機能しないことになる。従つて、実施例のよ
うに処理エレメントRPを２つ用いれば、そのマ
ージ処理とソート処理が調和するので最適な動作
が期待できることになる。またソートエンジンSEにあつては、入力され
たデータを、集合f₁によつて規定されるデータ数
毎に組を形成し、パイプライン動作によつて連続
的にソート処理するので、ソート処理結果を得る
に要する時間も非常に短くてよい。しかも、集合
f₁のソート結果を得たのち、同じデータ数の集合
f₂のソート結果を得てすぐにマージ処理を開始
し、この間に併行して残るデータのソート処理を
行うので、極めて処理効率が高い。集合f₁のデー
タ数が上記した例より多い場合であつても、その
数に応じたステツプ数で連続処理できるので、そ
の効果は絶大である。このように本装置によれば、関係モデルを扱う
データベースシステムの大容量のデータに対する
集合演算を極めて効率良く、高速度に実行するこ
とができる。また本装置は第２図に示すように、簡易な構成
によつて実現され、その動作制御も簡単に行うこ
とができる。特に、同じ構成の処理エレメントを
縦続に結合してこれらを共通バス介して駆動し、
ソート処理結果を任意の処理エレメントから取出
す構成なので、システム設計、実装設計等が非常
に容易である。その上、扱うデータ量に応じてソ
ートエンジンの構成段数を適宜増減できるので、
その利点も非常に大きい等の効果も奏し、実用性
が大である。以上、上記実施例では、共通集合の演算処理に
つき説明したが、他の集合演算を行うこもでき
る。例えば関係データベースで最も複雑といわれ
ている結合（JOIN）演算を高速度に実行するこ
とも可能である。この結合演算は、例えば異つた
２つの関係から共通の属性を利用して新しい関係
を作り出すものである。例えば次表第１表に示さ
れるレコード番号と作曲家の関係、第２表に示さ
れるレコード番号とその作品の関係と云う別個の
属性に従つて構成された集合から、第３表に示す
如き作曲家と作品とからなる新たな属性に従う集
合を作り出すような集合演算が、この結合演算で
ある。

【表】

【表】この場合、共通する属性がレコード番号である
ことから、このレコード番号の属性に従つてソー
ト処理したのち併合処理を行つて共通するレコー
ド番号を抽出し、しかるのち、これらのレコード
番号によつて示される作曲家、および作品のデー
タをそれぞれ抽出するようにすればよい。以上、本発明につき説明したが、本発明は上記
実施例にのみ限定されるものではない。例えば取
扱うデータ量に応じて各メモリの容量やソートエ
ンジンの構成段数定めればよい。またソート処理
の規則性も仕様に応じて定めればよい。要するに
本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形
して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示すもので、第１図
ａ，ｂは本発明に係る集合演算の概念を示す図、
第２図は実施例装置の概略構成図、第３図は実施
例装置の動作処理プロセスを示すタイミング図で
ある。 SE…ソートエンジン、ME…マージエンジン、
PE₁，PE₂〜PE_o…第１の処理エレメント、RP₁，
RP₂…第２の処理エレメント、CP…制御プロセ
ツサ、BUS…共通バス、M₁₁，M₂₁〜M_o1，M₁₃，
M₂₃〜M_N3…バツフアメモリ、B₁₂，B₂₂〜B_n2…
FIFO機能を持つメモリ、P₁，P₂〜P_o…プロセツ
サ（ソート処理）、M₀₁，M₀₂…バツフアメモリ、
B₀₁，B₀₂…FIFO機能を持つメモリ、P₀₁，P₀₂…
プロセツサ（マージ処理）、OB₁，OB₂…出力バ
ツフアメモリ。

Claims

【特許請求の範囲】１２組の入力データをその組間で相互に比較
し、所定の規則に従つて上記入力データを順に出
力して新たな１組のデータを生成する処理エレメ
ントを複数個縦属に接続し、これらの処理エレメ
ントをパイプライン動作させて入力データの列を
ソート処理するソートエンジンと、２組の入力デ
ータを統合して新たな１組のデータを生成するマ
ージエンジンとを備え、前記マージエンジンは、バツフアメモリと
FIFO機能を持つメモリとを備え、データ数の少
ない集合の前記ソートエンジンによるソート結果
を前記バツフアメモリに格納した後、上記データ
数と同じ数の他の集合のデータに対する前記ソー
トエンジンによるソート結果を前記FIFO機能を
持つメモリに格納し、これらのメモリに格納され
たデータ間でのマージ処理を行うことを特徴とす
る関係代数演算装置。