JPH0512106A - メモリバンク切り替え方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】特権モード上のページ変換キャッシュ・フラッ
シュ命令の使用なしに、バンク切り替えの高速化を図っ
たメモリバンク切り替え方式の提供。 【構成】ページ変換機能をもつＣＰＵからなる情報処理
装置は、ページ・テーブルの項目を書き換えるユーザ・
モード上のソフトウェア手段２１と、前記ページ変換キ
ャッシュ内の項目を全てバンク切り替えの対象外の論理
ページに関する項目に置き換えるユーザ・モード上のソ
フトウェア手段２２とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、メモリのバンク切り替
え方式に係り、特に、ページ変換機能とページ変換用キ
ャッシュとを備えたＣＰＵにより構成された情報処理装
置において、ページ・テーブルの項目の書き換えによる
バンク切り替えをユーザ・モード上のプログラムから高
速に実現する場合に用いて好適な方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】ページ変換機能とページ変換用キャッシ
ュを備えたＣＰＵにより構成される情報処理装置におい
て、ページ・テーブルの書き換えによりバンク切り替え
を行うバンク切り替え方式の従来技術を図５に示す。こ
の技術は、ユーザ・モード上プログラムの発行するバン
ク切り替え命令をＣＰＵの機能によりトラップし特権モ
ードに移行させ、主メモリ上のページ・テーブルの項目
の書き換えを行い、そのページ・テーブルの項目の書き
換えによって生じるページ変換用キャッシュの以前の項
目データと主メモリにあるページ・テーブルの新しい項
目との不一致を、ページ変換用キャッシュ内の項目デー
タを全て無効にする処理（以後、キャッシュのフラッシ
ュと呼ぶ）により解消させる、という一連の特権モード
上のプログラム処理により、バンク切り替えを実現する
ものであった。以下、この従来技術を図面により説明す
る。

【０００３】図５において、１００はユーザ・モード上
のプログラム、２００は特権モード上のバンク切り替え
プログラム、１１０はバンク切り替え命令、１２０はそ
の次の命令である。

【０００４】いま、ユーザ・モード上のプログラム１０
０の実行に際して、バンク切り替え命令１１０に実行の
制御が移ったとする。そのとき、トラップ機能によりユ
ーザ・モードから特権モードに対するモード遷移３００
が生じ、実行の制御は特権モード上のプログラム２００
に移る。プログラム２００では、まず、命令の解析処理
２１０によりユーザ・モード上のプログラムの命令１１
０の解析が行われ、その命令１１０がバンク切り替え命
令であると判定される。そして、主メモリ上ページ・テ
ーブルのバンク切り替えの対象となる論理ページに関す
る項目の書換処理２２０により、論理ページと物理ペー
ジの対応づけを変更して意図するバンク切り替えを行
う。さらに、処理２２０によって書き換えられたページ
・テーブルの項目とページ変換用キャッシュの項目デー
タとの一貫性を保つために、ページ変換用キャッシュの
フラッシュ２３０が行われる。その後、特権モードから
ユーザ・モードへのモード遷移３０１が行われ、ユーザ
・モード上のプログラムの次の命令１２０に実行の制御
が移り、バンク切り替え処理が完了する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図５に示した従来例で
は、ページ・テーブルの書き換え処理２２０によって生
じたページ・テーブルとページ変換用キャッシュとの矛
盾を解消し、ページ変換用キャッシュのフラッシュ命令
２３０によりページ変換用キャッシュの項目データを全
て無効にすることによって一貫性を保っている。ここ
で、ページ変換用キャッシュのフラッシュ命令は、一般
に、特権モード上でしか実行できない特権命令となる。
その特権命令を使用するために、図５に示した従来例で
は、バンク切り替え命令１１０をトラップして、ユーザ
・モードと特権モード間をモード遷移させる必要があ
る。しかし、ユーザ・モードと特権モード間のモード遷
移（図５における３００および３０１）は、一般に、通
常の命令よりも多くの処理時間を必要とし、バンク切り
替えの処理に多くの時間がかかり、ユーザ・モード上の
プログラムの処理速度を低下させる。

【０００６】本発明の目的は、ページ変換用キャッシュ
のフラッシュを行う特権命令を使用することなくページ
変換用キャッシュの一貫性を保ち、また、特権命令の使
用に伴うユーザ・モードと特権モード間のモード遷移に
よる速度低下を招くことなく、高速にバンク切り替え処
理を行う、バンク切り替え方式を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】従来例では、ページ変換
用キャッシュのフラッシュを行う特権命令によって、ペ
ージ変換用キャッシュに格納されている項目データを全
て無効にし、そのキャッシュ・フラッシュ以前に書き換
えられたページ・テーブルの項目が、キャッシュ・フラ
ッシュ以後のページ変換において必ず使用されることを
保証している。

【０００８】本発明は、ユーザ・モード上のプログラム
によってページ変換用キャッシュの旧項目データを全て
バンク切り替えの対象外の論理ページに関する項目デー
タに置き換えることにより、ページ・テーブルに対して
書き換えを行ったバンク切り替えの対象となる論理ペー
ジに関する項目が以後のバンクメモリへの参照において
必ず使用されることを保証し、ページ変換用キャッシュ
のフラッシュを行う特権命令の使用を必要としない。

【０００９】

【作用】本発明によれば、ユーザ・モード上のプログラ
ムのみで、ページ変換用キャッシュとページ・テーブル
との一貫性を保つことができ、特権モード上のページ変
換用キャッシュをフラッシュする特権命令を使用しなく
て済むため、ユーザ・モードと特権モード間のモード遷
移時間を削減でき、より高速なバンク切り替えが行え
る。

【００１０】

【実施例】以下、本発明によるメモリバンク切り替え方
式の一実施例を図面により詳細に説明する。

【００１１】図１は、本発明によるメモリバンク切り替
え処理を行うユーザ・モード上のプログラムのフローチ
ャートである。図１において、１１はバンク切り替えを
行うユーザ・モード上のメイン・ルーチン、２１は主メ
モリ上ページ・テーブルのバンク切り替えの対象となる
論理ページに関する項目の書き換え処理、２２はページ
変換用キャッシュにある全ての項目データをバンク切り
替え対象外の論理ページに関する項目データに置き換え
る処理である。

【００１２】図１において、メモリバンクの切り替え
は、次の手順で行われる。すなわち、まず、処理２１で
主メモリ上のページ・テーブルを書き換え、論理ページ
と物理ページの対応関係を変更し意図したバンク切り替
えを行う。次の処理２２では、ページ変換用キャッシュ
上の全ての項目データをバンク切り替え対象外の論理ペ
ージに関する項目データに置き換える。そのため、ペー
ジ変換用キャッシュがバンク切り替えの対象外の論理ペ
ージに関する項目データで全て満たされるために、その
後のユーザ・モード上のプログラムによるバンクメモリ
への参照において、ページ変換用キャッシュへのヒット
が生じることがなく、処理２１が更新した主メモリ上の
ページ・テーブル上の項目が参照され、ユーザ・プログ
ラムが意図したメモリバンクに正しくアクセスすること
ができる。

【００１３】次に、図１におけるページ変換用キャッシ
ュのデータ置き換え処理２２の具体的な手順を図２に示
す。データ置き換え処理２２はユーザ・モード上のプロ
グラムで構成され、具体的には、図３に示すページ変換
用キャッシュの項目データ格納領域選択アルゴリズムを
前提として、注意深くバンク切り替え対象外の異なる論
理ページに対しデータ参照命令と分岐命令の実行を繰り
返すことによって、ページ変換用キャッシュの全ての項
目データ領域をバンク切り替え対象外の論理ページに関
する項目データに置き換える。

【００１４】次に、図３によってページ変換用キャッシ
ュの項目データ格納領域選択アルゴリズムを説明し、次
に図２に示すページ変換用キャッシュの項目データ置き
換え処理の流れを説明し、その正当性を図４に示す。

【００１５】図３において、ページ変換用キャッシュ
は、項目データの格納領域を四つ持っているとし、これ
ら四つのデータ格納領域をそれぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３、
Ｌ４とする。また、同図において、Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２は
それぞれ四つのデータ格納領域の更新または参照状態を
表す１または０の状態を持つフラグ変数である。

【００１６】図３において、まず、判断８０によって四
つのデータ領域Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４が全て有効なデ
ータで満たされているか判定される。もし四つのデータ
領域のいずれかに無効なデータが存在する場合には、処
理８１によって、まだ満たされていない領域がページ・
テーブルから読み込まれた項目データの格納に使用され
る。もし四つのデータ領域が全て有効な項目データで満
たされているならば、次に示す手順で四つのデータ領域
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４のいずれかが選択されてデータ
格納に使用され、処理を終了する。

【００１７】図３において、判断８２によってフラグ変
数Ｂ０の値が０であるかどうかが判定される。もし、フ
ラグ変数Ｂ０が０の場合は、直前にＬ３ないしはＬ４が
データ格納用に選択されたか、または、参照されと判断
され、直前に参照されていないＬ１ないしはＬ２を選択
する処理に移行する。つまり、処理８３によってＢ０に
値０が代入され判断８５に続く。もしフラグ変数Ｂ０が
１の場合は、直前にＬ１ないしはＬ２がデータ格納用に
選択されたか、または参照されと判断され、直前に参照
されていないＬ３ないしはＬ４を選択する処理に移行す
る。つまり、処理８４によってＢ０に値０が代入され判
断８６に続く。

【００１８】判断８５によってフラグ変数Ｂ１の値が０
であるかどうかが判定される。もし、フラグ変数Ｂ１が
０の場合は、直前にＬ２がデータ格納用に選択された
か、または参照された判断され、直前に参照されていな
いＬ１を選択する処理に移行する。つまり、処理８７に
よってＢ１に値１が代入され、処理９１によってデータ
領域Ｌ１に項目データが格納され、処理を終了する。も
し、フラグ変数Ｂ１が１の場合は、直前にＬ１がデータ
格納用に選択されたか、または、参照されと判断され、
直前に参照されていないＬ２を選択する処理に移行す
る。つまり、処理８８によってＢ１に値０が代入され、
処理９２によってデータ領域Ｌ２に項目データが格納さ
れ、処理を終了する。

【００１９】判断８６によってフラグ変数Ｂ２の値が０
であるかどうかが判定される。もし、フラグ変数Ｂ２が
０の場合は、直前にＬ４がデータ格納用に選択された
か、または参照されと判断され、直前に参照されていな
いＬ３を選択する処理に移行する。つまり、処理８９に
よってＢ２に値１が代入され、処理９３によってデータ
領域Ｌ３に項目データが格納され、処理を終了する。も
し、フラグ変数Ｂ２が１の場合は、直前にＬ３がデータ
格納用に選択されたか、または参照されと判断され、直
前に参照されていないＬ４を選択する処理に移行する。
つまり、処理９０によってＢ２に値０が代入され、処理
９４によってデータ領域Ｌ４に項目データが格納され、
処理を終了する。

【００２０】以上の手順によって、ページ変換用キャッ
シュの四つのデータ領域であるＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４
のうちいずれかのデータ領域が選択される。つぎに、ペ
ージ変換用キャッシュの置き換え処理ルーチンの一実施
例を図２により説明する。

【００２１】図２において、３０は論理アドレス、４
０，４１，４２，４３は論理アドレス３０上の異なる論
理ページ、５０，５１は図１に示したデータ置き換え処
理２２の一実施例を示す処理ルーチンである。データ置
き換えルーチン５０が実行されると、まず、論理ページ
４１の参照命令が実行され、論理ページ４１に対するデ
ータ参照６０が行われる。次に、論理ページ４２への分
岐命令が実行され、処理ルーチン５１に制御が渡され
る。処理ルーチン５１では、まず、論理ページ４３の参
照命令が実行され、論理ページ４３へのデータ参照６１
が行われる。次に論理ページ４０への分岐命令が実行さ
れ、データ置き換えの本体ルーチン５０に再び制御が戻
される。ここで、図２で、論理ページ４０，４１，４
２，４３は、バンク切り替えの対象とならない異なる論
理ページであればよく、必ずしも連続している必要はな
い。

【００２２】次に、図２で示したアルゴリズムによって
ページ変換用キャッシュの全ての項目データ領域が置き
換えられる過程を図４によって説明する。図４の
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）はそ
れぞれページ変換用キャッシュのフラグ変数Ｂ０、Ｂ
１、Ｂ２の値と、四つのデータ格納領域Ｌ１、Ｌ２、Ｌ
３、Ｌ４に格納されている項目データどの論理ページに
関するものかを表す。以下、この図３を用いて、図２に
よるページ変換用キャッシュの項目データ置き換えルー
チンの処理過程を説明し、その正当性を示す。

【００２３】まず、（ａ）は初期状態であり、Ｂ０＝
０、Ｂ１＝０、Ｂ２＝０であるのでデータ領域Ｌ４が直
前に更新または参照されたことを表す。同図（ａ）にお
いて、データ領域Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の項目データ
はそれぞれ、ある適当な論理ページ４５，４６，４７，
４８を指しているとする。

【００２４】図２に示した論理ページ４０にあるルーチ
ン５０に制御が渡るときに、フラグ変数がＢ０＝０、Ｂ
１＝０のため図３に示したアルゴリズムに従いデータ領
域Ｌ１が使用され、論理ページ４０に関する項目データ
がデータ領域Ｌ１に格納される。そして、直前にデータ
領域Ｌ１が更新されたことを表すためにフラグ変数がＢ
０＝１、Ｂ２＝１となり、図４の（ａ）から状態（ｂ）
に移行する。

【００２５】図２に示したルーチン５０の論理ページ４
１への参照命令が実行されるときに、フラグ変数がＢ０
＝１、Ｂ２＝０のため図３に示したアルゴリズムに従っ
てデータ領域Ｌ３が使用され、参照された論理ページ４
１に関する項目データが格納される。そして、直前にデ
ータ領域Ｌ３が更新されたことを表すためにフラグ変数
がＢ０＝０、Ｂ２＝１となり、図４の状態（ｂ）から状
態（ｃ）に移行する。

【００２６】図２に示したルーチン５０の論理ページ４
２への分岐命令が実行されるときに、フラグ変数がＢ０
＝０、Ｂ１＝１のため図３に示したアルゴリズムに従い
データ領域Ｌ２が使用され、分岐先である論理ページ４
２に関する項目データが格納される。そして、直前にデ
ータ領域Ｌ２が更新されたことを表すためにフラグ変数
がＢ０＝１、Ｂ１＝０となり、図４の状態（ｃ）から状
態（ｄ）に移行する。

【００２７】図２に示したルーチン５０の論理ページ４
２への参照命令が実行されるときに、フラグ変数がＢ０
＝１、Ｂ２＝１のため図３に示したアルゴリズムに従い
データ領域Ｌ４が使用され、参照された論理ページ４２
に関する項目データが格納される。そして、直前にデー
タ領域Ｌ４が更新されたことを表すためにフラグ変数が
Ｂ０＝０、Ｂ２＝０となり、図４の状態（ｄ）から状態
（ｆ）に移行する。

【００２８】この図４の状態（ｆ）に至り、ページ変換
用キャッシュの４つのデータ領域Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ
４が、それぞれ以前のデータである論理ページ４５、４
６、４７、４８に関する項目データから、論理ページ４
０，４１，４２，４３に関する項目データとなり、すべ
ての項目データ格納領域のデータ置き換えが完了する。

【００２９】最後に、図２のルーチン５１の論理ページ
４０にあるルーチン５０への復帰命令によって、ページ
変換用キャッシュの項目データ置き換えルーチン５０の
処理が終了する。

【００３０】以上、図２に示したデータ置き換えルーチ
ンの実行によって、ページ変換用キャッシュに格納され
ている全ての項目データが新しいデータに更新され、以
前のデータと異なるものに置き換えられる。

【００３１】従って、図１におけるページ・テーブルの
書き換え処理２１で発生した、ページ変換用キャッシュ
と主メモリ上のページ・テーブルとの間の矛盾が解消さ
れ、ページ・テーブルに対して変更した項目が有効にな
り、バンク切り替え処理が正常に終了する。

【００３２】図２は、ページ変換用キャッシュのデータ
格納領域が四つである場合の、ページ変換用キャッシュ
のデータ置き換え処理ルーチンを示しているが、一般に
は、ページ変換用キャッシュは四つの項目データの格納
領域を一セットとして、その整数倍のデータ領域のセッ
トを持つように構成される。従って、四つの項目データ
の格納領域を一セットとして、そのＮ倍のデータ領域の
セットをＣＰＵのページ変換用キャッシュが持っている
場合には、図２に示したページ変換用キャッシュのデー
タ置き換えルーチンを基本単位として、そのＮ個の処理
ルーチンを繋いだ形で実現すれば良い。このとき、Ｎ個
の連続したページ変換用キャッシュのデータ置き換えル
ーチンのそれぞれの分岐命令と参照命令は、バンク切り
替えの対象外の異なる論理ページに対して行われるよう
にする。

【００３３】本発明の実施例における、図１のルーチン
２２の処理およびその具体例である図２のアルゴリズム
は、ページ・テーブル書き換えによるページ・テーブル
とページ変換用キャッシュの矛盾を解消するものであ
り、従来技術を示す図５の内部キャッシュのフラッシュ
２３０の代用を果たすことになる。そのため、図２にお
ける、ユーザ・モードから特権モードへのモード遷移３
００と、モード遷移に伴う命令の解析２１０と、特権モ
ードからユーザ・モードへのモード遷移３０１とが必要
なくなる。

【００３４】一般に、ＣＰＵの各モード間の遷移には、
通常の命令の実行と比較して、より多くの処理時間が掛
かる。従って、実施例によれば従来技術より高速なバン
ク切り替えが実現できる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、ユーザ・モード上のペ
ージ変換用キャッシュの項目データ置き換え処理によっ
て、ページ変換用キャッシュ・フラッシュのための特権
命令を使用することなく、それに伴うモード遷移による
速度低下を招くことなく、より高速なバンク切り替えを
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による全体構成のフローチャ
ート、

【図２】図１におけるページ変換用キャッシュの項目デ
ータ置き換え処理のフローチャート、

【図３】ページ変換用キャッシュの更新の際にデータ格
納領域が選択されるアルゴリズムを示す説明図、

【図４】図２に示したページ変換用キャッシュの項目デ
ータ置き換え処理の説明図、

【図５】ページ変換機能を用いたバンク切り替え処理の
従来例の説明図。

【符号の説明】

１１…バンク切り替え処理メイン・ルーチン、２１…ペ
ージ・テーブル書き換え処理、２２…ページ変換用キャ
ッシュの項目データ置き換え処理、５０，５１…ページ
変換用キャッシュの項目データ置き換え処理ルーチン、
１００…ユーザ・モード上のバンク切り替えを指示する
プログラム、２００…特権モード上のバンク切り替え処
理ルーチン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】主メモリ上のページ・テーブル内の項目に
   基いて論理アドレスから物理アドレスへの変換をページ
   単位で行えるページ変換機能と、前記ページ変換を高速
   に行うために前記ページ・テーブル内の項目を格納する
   データ領域を複数備えたページ変換用キャッシュと、特
   権モードとユーザ・モードと、命令のトラップにより前
   記両モード間を遷移するモード遷移手段と、主メモリ上
   のページ・テーブルの項目の書き換えにおいてページ・
   テーブルの項目とページ変換用キャッシュ内の項目デー
   タとの間の一貫性を保証するために前記ページ変換用キ
   ャッシュ内の項目を全て無効にする特権モード上の命令
   と、前記ページ変換用キャッシュ内の項目を格納するた
   めのデータ領域をある特定のアルゴリズムに従って選択
   する手段とをもつＣＰＵにより構成された情報処理装置
   において、 前記ページ・テーブルの項目を書き換えるユーザ・モー
   ド上のソフトウェア手段と、前記ページ変換用キャッシ
   ュ内の項目データを全てバンク切り替えの対象外の論理
   ページに関する項目データに置き換えるユーザ・モード
   上のソフトウェア手段とにより、前記ページ・テーブル
   のバンク切り替えの対象である項目の書き換えに伴って
   生じるページ変換用キャッシュと前記ページ・テーブル
   との矛盾を解消するために前記特権命令を使用すること
   なく、前記特権命令の使用のために前記モード遷移で生
   じる速度低下を招くことなく、高速にバンク切り替えを
   行うことを特徴とするメモリバンク切り替え方式。