JPS6174041A - コンピュータ・メモリシステム - Google Patents

コンピュータ・メモリシステム

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JPS6174041A
JPS6174041A JP60119888A JP11988885A JPS6174041A JP S6174041 A JPS6174041 A JP S6174041A JP 60119888 A JP60119888 A JP 60119888A JP 11988885 A JP11988885 A JP 11988885A JP S6174041 A JPS6174041 A JP S6174041A
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memory
bank
cache
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static
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    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F12/00Accessing, addressing or allocating within memory systems or architectures
    • G06F12/02Addressing or allocation; Relocation
    • G06F12/08Addressing or allocation; Relocation in hierarchically structured memory systems, e.g. virtual memory systems
    • G06F12/0802Addressing of a memory level in which the access to the desired data or data block requires associative addressing means, e.g. caches
    • G06F12/0893Caches characterised by their organisation or structure

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Memory System Of A Hierarchy Structure (AREA)
  • Dram (AREA)
  • Memory System (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はメモリ7ステムに関し、さらに詳しくいえば、
スタティック・コラム型のDRAM(Dynamic 
 random  access  memory)を
用いたメモリシステムに関するものである。
〔開示の概要〕
以下に示すメモリシステム制御方法は、オンチップスタ
ティックバッファを具備するスタティック・コラム型D
RAMで構成されたバンクを複数個有するメモリシステ
ムにおいて、各々のバンクに関連するスタティックバッ
ファをそれぞれのキャッシュとして使用することによっ
て、システム全体の性能を高めるようにしたものである
〔従来技術〕
第6図に示すように代表的なマイクロコンピュータシス
テムはバス14を介してメモリ12に接続されたCPU
10を有する。メモリバンク16のデータをアクセスす
るため、CPUIDはメモリコントローラ18を使用す
る。メモリコントローラ18はDRAMのりフレッシュ
、バンクのインターリーブ、クロッキング、およびCP
U10との初期接続手順を遂行する。場合によってはン
ステムのスループットを増すためにキャラツユ(命令キ
ャッシュもしくはデータキャッシュまたはその双方)2
0を有するようなマイクロコンピュータもある。キャッ
シュは高速のメモリであって、通常、ハスの脇のCPU
に常駐する。キャッシュに関連する制御論理はキャツ/
ユへのアクセスの回数が最大になるように働く。キャッ
シュへのアクセスの成功は六ヒツト〃と呼ばれる。要求
されたワードがキャッシュにないとき(すなわち六ミス
〃)だけ主メモリがアクセスされる。
従来のシステムの例はたとえば米国特許第415629
0号に開示されている。この特許は各々入力レジスタお
よび出力レジスタを具備した複数のメモリチップから成
るRAM(Randoma C’l:’el’fll 
 memory)について開示するものである。メモリ
コントローラは現アドレスの最も重要な部分を記憶する
静止化レジスタを有する。
静止化レジスタの出力はアドレス一致回路とRAMを構
成するチップの入力とに接続される。メモリの各アドレ
スは第1の部分および第2の部分から成る。各アドレス
の第1の部分は、それにより識別されるアドレスのとこ
ろに記憶されたメモリエレメントの全てのワードをアド
レス指定する。アドレス指定された全てのワードは対応
するアドレスレジスタに記憶される。各アドレスの第2
の部分により関連する出力レジスタを選択することがで
きる。このグロシージャによれば、1ブロツクの情報の
読取りオペレーションで、1回のメモリアクセス時間と
出力レジスタの読取り時間が消費される。
米国特許第4382278号は複数のレジスタと少なく
とも1つの作業スペースとを主メモリに具備したコンピ
ュータシステムについて開示している。さらに、CPU
内にも複数のレジスタで構成された作業スペースキャッ
シュメモリが在る。
これらのレジスタは主メモリの作業スペースの複数のレ
ジスタに対応するものである。コンピュータのオペレー
ションは作業スペースキャッシュレジスタの内容を用い
て遂行される。作業スペースキャッシュレジスタの内容
は、コンチクストスイッチングの際、主メモリの作業ス
ペースの対応する作業レジスタへ転送される。このよう
な作業スペースのシステムのアーキテクチャによれば、
高速のレジスタ間オペレーションおよび高速のコンチク
ストスイッチングが達成される。
ダイナミックメモリの新しい流れとして、幾つかの製造
業者からスタティック・コラム型DRAMが提供されて
いる。このDRAMは1行全体を記憶するオンチップの
スタティックバッファを具備するものである。たとえば
64にのDRAMは各々256ビツトから成る256個
の行を有するので、そのスタティックバッファは256
ビツトである。(この様子を第2図に示す)256にの
DRAMは各々512ビツトから成る512個の行を有
するので、そのスタティックバッファは512ビツトで
ある。スタティックバッファに1行が記憶されれば、そ
の行ではどのビットでも高速にアクセス(読取りまたは
書込み)できる。160t[F]秒のサイクルタイムを
有するDRAMの場合、スタティックバッファのサイク
ルタイムは第2図に示すように1わずか40すり秒であ
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、以下に示したコンピュータシステムは性
能改善の余地があり、特に最後に記したスタティック・
コラム型DRAMに関していえばまだ有効に利用される
に至っていないというのが現状である。
したがって本発明の目的はスタティック・コラム型のD
RAMを用いてコンピュータシステム全体の性能を大幅
に改善することにある。
C問題点を解決するための手段〕 この目的を達成するため、本発明のメモリシステム制御
方法は、オンチップスタティックバッファを具備するス
タティック・コラム型ダイナミック・ランダム・アクセ
ス・メモリで構成されたバンクを複数個有するメモリシ
ステムにおいて、各々のバンクに関連するスタティック
バッファをそれぞれのキャッシュとして使用し、アクセ
スされた各々のバンクの最新の行を関連するスタティッ
クバッファでそれぞれ保持するようにしたことを特徴と
する。
〔実施例〕
以下に示す実施例は、本発明の方法を用いたメモリシス
テムである。はじめにこれを簡単に説明する。このメモ
リシステムは複数のバンクとメモリコントローラとを有
する。各々のバンクはオンチップスタティックバッファ
を具備したスタティック・コラム型DRAMチップでア
レイ構成される。各々のバンクに関連する上記スタティ
ックバッファでそれぞれのキャッシュを構成してこれら
のキャッシュが関連するバンクに対してアクセスされた
最新の行をそれぞれ保持する。メモリコントローラはメ
モリバスで実アドレスを受は取ってそのアドレスからバ
ンクの番号と行の番号を抽出する。メモリコントローラ
はバンクに対してアクセスされた行が関連するキャッシ
ュになるかどうかを判断して、これが存在すればそのキ
ャッシュをアクセスし、そうでないときは、そのバンク
に対してアクセスされた行の内容と関連するキャッシュ
の内容とを入れ換える。このため、メモリコントローラ
は、全てのバンクに対して、キャッシュに現に存在する
行の番号を含むフィールドと、キャッシュのための有効
エントリフラグを含むフィールドとを保持する。
本実施例によれば、DRAMに具備されたオンチップス
タティックバッファは現にアドレス指定された行のため
のオンチップキャッシュとみなすことができる。新しい
アクセスにより異なる行のビットが必要なときは、スタ
ティックバッファにある古い方のビットがDRAMのセ
ルのマトリックスへ書き戻されスタティックバッファへ
新しいビットがわずか130すの秒で自動的にロードさ
れる。したがって、オペレーションのサイクルタイムは
この入換えが必要なときは(それ程頻繁にはない)13
0tの秒であるがそれ以外はスタティックバッファの4
0す・ノ秒となる。
第1図に実施例の構成を示す。メモリ12は16個のバ
ンクを有する。各バンクは64KX4のDRAMチップ
が8個で構成される。各バンクは256フード(すなわ
ち1にバイト)のスタティックバッファ221ないし2
216をそれぞれ有する。バンクに関連したスタティッ
クバッファで構成されたキャッシュのことをここでは、
分散型のキャッシュという意味で、N分散キャッシュ〃
24と呼ぶことにする。分散キャッシュ24はバンクに
関連する高速のバッファである。分散キャッシュ24は
関連するバンクのアドレス指定された最新の行を保持す
る。分散キャッシュ24は物理的にはDRAMチップ上
に存するものでありシステムの外部からは付加されない
。分散キャッシュ24は、データ、命令およびスタック
等の何に対してもキャッシュとして機能する。六分散〃
という用語は次の2つのことを示唆するために用いた。
1つは分散キャッシュがCPU側でなくメモリ側に存在
するということ、もう1つは分散キャッシュ24を構成
する1つ1つのブロック(スタティックバッファ22 
ないし2216)が厳密にそれぞれのメモリバンクだけ
にしか関連しないということである。したがって以下の
説明では分散キャッシュという用語は、分散キャッシュ
を構成する1つ1つのブロックまたはその全体である分
散キャッジ1240両方の意味で使う。
第4図は第1図の構成をより一般的に示しだものである
。第4図ではメモリ12はn個のバンクで構成される。
第4図では、さらに、メモリコントローラ18の入出カ
ラインが詳細に示しである。
メモリコントローラ18はCPUIC1(またはバス1
4上の他のDMAユニット24)から実アドレスを受は
取って読取シオペレーションマタは書込みオペレーショ
ンのためにDRAMをアクセスする。メモリコントロー
ラ18は分散キャッシュに現に入っている各バンクの行
を追跡する。メモリコントローラ18は、さらに、DR
AMのりフレッシュ期間およびアクセスタイムの全ての
タイミングを制御する。メモリコントローラ18は、こ
の他、バス14との適切な初期手続き手順のプロトコル
も提供する。メモリコントローラ18は各バンクに対し
2つのフィールドを保持し、これにより下記の第1表(
分散キャッシュ制御テーブル)に示すように、分散キャ
ラツユに現に入っている行の番号と、分散キャッシュの
ための有効二ントリフラグ(有効ビット)とを記憶する
第1表 (分散キャッシュ制御テーブル) Fl :行番号フィールド F2:有効エントリフラグフィールド バンクの標識ビット(有効エントリフラグフィールドの
ビット)は電源投入後金て無効化される(ゼロにセント
される)。DRAMはリフレッシュオペレーションの間
中もスタティックバッファを使うので分散キヤツシユの
内容は破壊される。したがって1バンク内におけるリフ
レッシュオペレーションの後もその標識ビットはゼロに
セントされる。
バス14からメモリ12をアクセスする際、メモリコン
トローラ18はそのアドレスからバンクの番号および行
の番号を抽出する。このアドレスの構成は下記のとおり
である。
バンクの   分散キャッシュ内 行アドレス   のアドレス メモリコントローラ18は、そのバンクに対してアクセ
スされた行が分散キヤツシユに入っているかどうか(ヒ
ツトしたかどうか)を判断し、ヒツトすれば、列アドレ
ス(分散キャッシュ内の場所)を送出してそのバンクの
列アドレス選択(以下CASという)ラインを活動化す
る。このようなヒツトアクセスは、35ないし40す・
ノ秒のオーダーできわめて高速になされる。アクセスさ
れたワードが分散キャッシュにないときは(ミス)、分
散キャッシュの内容を入れ換える。このだめ、そのバン
クの行アドレス選択(以下RASという)ラインが非活
動化され、新しいアドレスの行番号で再び活動化される
。このオペレーションで、分散キャッシュの内容をDR
AMのセルのマトリックスへ書き戻して新しい行全体を
分散キャッシュにロードする。このオペレーションはわ
ずか130なの秒しか要しない。このように分散キャッ
シュの内容の入れ換えは非常に短い時間ですむ。アクセ
スされたワードはメモリ12からラッチ26へ読み取ら
れて、ストローブ信号により普通のやり方でバス14へ
送られる。
ダイナミック型のRAMはどんなものでも必ずリフレッ
シュオペレーションが必要でアル。標準的なりRAMな
ら、4ミリ秒ごとに全ての行をリフレッシュしなければ
ならない。256行の場合、平均的にいえば、1つのバ
ンクの1行は16マイクロ秒ごとにリフレッシュしなけ
ればならない。
1回(7)’Jフレッシュクペレーションで分散キャッ
シュの内容が破壊されるので、16マイクロ秒ごとに分
散キャッシュは無効化されリフレソ/ユ後の最初のアク
セスはミスとなる。以上のようにリフレッシュがあるた
め、分散キャッシュの内容は最高16マイクロ秒しか維
持されない。64ミリ秒ごとのリフレッシュでよいよう
な良好なりRAMを使えば、この点は256マイクロ秒
まで改善される。さらにシステム全体の性能を向上させ
るため、全てのバンクの同じ番号の行を同時にリフレッ
シュする。しだがってバンクの個数にかかわらず、メモ
リ全体に対して4ミリ秒で合計256回ノリフレッシュ
オペレーションシカ要ラナう。すフレツ/ユオベレーン
ヨン’f: tl−自体ハ、  RA S ラインを活
動化すること、およびRASラインを再び非活動化する
ことを含む。これは130なの秒でよい。
メモリコントローラ18はバンクを16個までアドレス
指定できる。各バンクが64にワード(256にバイト
)を有するなら、1Mワード(4Mバイト)までアドレ
ス指定できる。この場合、合計4にワード(16にバイ
ト)マでの分散キヤツシユが提供されろ。1つのバンク
につき1ブロツクの分散キヤツシユしか提供されないか
ら、分散キヤツシユのブロック数を増やす目的でメモリ
を多数のバンクに分けることは非常に重要である。
256K DRAMを64KX4で構成すれば、256
KX1で構成するものよりも多くのバンクが提供される
。メモリコントローラ18は、各バンクのRASライン
を活動状態に維持することによって、全てのバンクの分
散キャッシュを高速アクセスのために活動状態すなわち
レディ状態に保つ。
メモリコントa−ラ18はCASラインを使ってアクセ
スしたいバンクを選択する。こうしてプログラムに関し
て現に使用されている作業領域全体(コード、データ、
スタック等)を分散キヤツシユに入れることができる。
複数のバンクなら、それにより1以上の冗長なバンクを
提供できるという利点もある。こうすれば現に走行中の
バンクのうちの1つに障害があると検知されたときに適
当なアクノヨンを採ることができる。メモリコントロー
ラ18は、CPUから受は取ったバンク番号を現に動作
中のバンクへ動的にマツピングすることができる。
第5図はメモリコントローラ18の構成を示す図である
。バス制御ユニット28はシステムバス14とインター
フェースする。バス制御ユニット28は実アドレスを受
は取ってシステムバス14とデータのやりとりを行う。
CPUまたは/ステムバス14上の他のユニットとのト
ランザクションは、全て、制御回路30のバスクロック
で同期化される。CPUまたは他のユニットは新たな読
取シ要求または書き込み要求で、バスサイクルごとにメ
モリコントローラ18をアドレスすることができる。メ
モリコントローラ18がビジー状態にあって要求が受諾
できない場合は、バス制御ユニット2日は、再試行信号
を要求元に戻して次のサイクルでその要求を繰り返すよ
う要請する。メモリコントローラ18が前の要求のため
のデータを返す準備を完了している場合は、メモリコン
トローラ18は、1サイクル前に、データ伝送のためシ
ステムバス14を予約するよう7ステムのユニットへ知
らせる。読取シであれ書込みであれいかなる要求もリフ
レッシュ、分散キャッシュのヒツトまたはミス等の様々
な状況に依存するから、メモリコントローラの処理すべ
きサイクル数は未知であるかもしれないが、その実行の
7−ケンスは要求のンーケンスと全く同じである。
バッファ32およびアドレスレジスタ34を設けること
により、システムバス14から分散キャッシュ制御部6
6およびE CC(Error  Chekingan
d  Correcjjng )ユニット38へのアド
レスおよびデータのパイプラインによるフローと、EC
Cユニット38からシステムバス14へのアドレスおよ
びデータのパイプラインによるフローとを維持する。分
散キヤツシユ制御部36は、メモリの各バンクを構成す
るDRAMチップをリフレッシュテキルヨウ、リフレッ
シュコントローラ40とインターフェースする。前述の
第1図の例では、分散キャッシュ制御部はDRAM側の
32ビツトハスとインターフェースして16([1i1
t17)バンクを駆動する。各バンクは、10個または
40個のメモリチップから成シ(“×1〃まだは一曳×
4〃で構成するかどうかによってその個数が異なる)F
CCビットを具備した62ビット幅のメモリを構成する
。分散キャッシュ制御部36は、各バンクにおいて活動
中の行アドレスを追跡する行アドレステーブルを保持す
る。ロード要求および記憶要求の全てのアドレスは、高
速アクセスが可能かどうかを判断するために、行アドレ
ステーブルのエントリと比較される。分散キャッシュ制
御部36は各バンクに対してRASラインおよびCAS
ラインの1つのペアを有する。RASを使ってDRAM
の行から分散キャッシュへのロードおよびアンロードを
行い、CASを使ってそのバンクを選択する。
メモリクロックはバスクロックに対し非同期的であり、
それはD RA Mのアクセスタイムを最適化するよう
に選択する。バスクロックはプロセッサの速度に整合す
るように選択する。
リフレッシュコントローラ4oはD RA Mノ全ての
行の行アドレスを回帰するりフレッシュカウンタを有す
る。リフレッシュコントローラ40は、さらに、リフレ
ッシュの周期を知らせるだめのクロックカウンタを具備
する。そうしたリフレッシュの周期ごとに、/ステムの
全てのDRAMにおいてリフレッシュカウンタの内容で
指定される行がリフレッシュされ、次のりフレノノユに
備えてリフレノツユカウンタが増分される。リフレッシ
ュが行われると、分散キャッシュ制御部660行アドレ
ステーブルの内容は無効化される。
ECCユニット38はパス書スルー(pass−thr
ough )の生成、エラーの検出および訂正を行う。
1ビツトエラーは訂正されて、記録のためフラグが立て
られる。2ビツトエラーはシステムバス14上のユニッ
トに通知される。バッファリング、RAMのアクセス、
およびFCCはパインプライン形式で遂行される。した
がって、ひとたびパイプラインが確立すれば、1バスサ
イクルにつき1回の割合いでアクセスができる。
以下、実施例の評価結果について説明する。性能の評価
は32ビツトのマイクロプロセッサに本メモリシステム
を接続したモデルについて行った。
ベンチマークプログラムとしてPL/1タイプのコンパ
イラを使用した。この評価の目的は、DRAMチップで
構成されたバンクの数が増えるにつれてシステムの性能
および分散キャッシュのヒツト率がどれだけ改善される
かを判断することである。
この改善の評価は、1/2にバイトまたは1にバイトの
オンチップ命令キャッシュを具備したプロセッサにスタ
ティック・コラム型のDRAMを接続したものについて
も行った。下記の第2表は、命令キャッシュを具備しな
いプロセッサに、スタティック・コラム中モードを使わ
ないDRAM(すなわち普通のDRAM)を接続した7
ステムの性能を1としたときの相対性能を示すものであ
る。
この表から、システムの性能がプロセッサの命令キャッ
シュおよびメモリのバンク数(1,2,4,8および1
6)によっていかに向上するかがわかる。
第2表で、メモリのバンクの数NO〃は、スタティック
・コラム・モードを使わないDRAMを接続した/ステ
ムであることを意味する。
第2表 相対的性能 第6図は分散キャッシュのヒント率を示す。以上の性能
評価から、幾つかの結論を導引き出すことができる。第
1に、分散キャッシュ式DRAMは標準的なりRAMの
性能をはるかに上回る。第2に、命令キャッシュを具備
したマイクロプロセッサの性能は分散キャッシュ式D 
RA Mによって大幅に向上する。第3に、回層な分散
キャッシュの量はバンクの個数に応じて増えるから、そ
の性能はバンクの個数の関数になる。したがって回層な
量のメモリを多数のバンクに分けることによシさらに高
い性能が得られる。第4に、命令キャッシュなしのシス
テムの性能は実際には命令キャッシュを具備したものよ
シ良くなる場合がある。というのは命令キャッシュは時
々使用されないかもしれないワードをそのキャッシュの
バッファに順次的にロードするというオーバーヘッドを
必要とするからである。分散キャッシュのロードの時間
はその中の最初のワードをアクセスする時間と同じであ
るから、分散キャッシュにはこのオーバーヘッドが全く
ない。高性能が得られる理由とじて他に、分散キャツ/
ユはコード、データ、スタック等のあらゆるタイプの情
報が入るということがある。したがってあらゆるタイプ
の情報へのアクセスが高速化される。第5に、分散キャ
ッシュのヒント率は非常に高い。これは合計のアクセス
に対する高速のアクセスの比である。プロセッサがオン
チップ命令キャッシュを具備する場合でも具備しない場
合でも、バンクの個数が増えるにつれてヒント率は高く
なる。最後に、ンステムの性能およびヒント率に対する
メモリリフレノシュの影響は重要でないということもわ
かった。本実施例に従ったメモリコントローラを用いれ
ばスタティック・コラム型DRAMによる7ステムの性
能は、標準的なりRAMによる7ステム(たとえそれが
オンチップ命令キヤノンユを具備するプロセッサによる
ものであっても)に比べて50%以上も向上する。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によればコンピユータフス
テムの全体としての性能が従来に比べて大幅に向上する
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の詳細な説明する図、第2図はスタティ
ック・コラム型DRAMの構成とそのタイミングを簡単
に説明する図、第3図は代表的なマイクロコンピュータ
7ステムの構成を示す図、第4図はメモリコントローラ
の入出カラインを詳細に示す図、第5図はメモリコント
ローラの構成を示す図、第6図は分散キャッシュのヒツ
ト率とメモリパンクの数との関係を示す図である。 出願人インターナソヨナルφビジネス・マシーンズ・コ
ーポレー/ヨン第4図 第5図 メモリコントローラ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1行全体を記憶するためのオンチップスタティックバッ
    ファを具備するようなスタティック・コラム型ダイナミ
    ック・ランダム・アクセス・メモリで構成されたバンク
    を複数個有するメモリシステムにおいて、前記各々のバ
    ンクに関連する前記スタティックバッファをそれぞれの
    キャッシュとして使用し、アクセスされた前記各々のバ
    ンクの最新の行を関連する前記スタティックバッファで
    それぞれ保持するようにしたことを特徴とするメモリシ
    ステム制御方法。
JP60119888A 1984-09-18 1985-06-04 コンピュータ・メモリシステム Granted JPS6174041A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US651562 1984-09-18
US06/651,562 US4725945A (en) 1984-09-18 1984-09-18 Distributed cache in dynamic rams

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS6174041A true JPS6174041A (ja) 1986-04-16
JPH0359458B2 JPH0359458B2 (ja) 1991-09-10

Family

ID=24613332

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP60119888A Granted JPS6174041A (ja) 1984-09-18 1985-06-04 コンピュータ・メモリシステム

Country Status (5)

Country Link
US (1) US4725945A (ja)
EP (1) EP0175080B1 (ja)
JP (1) JPS6174041A (ja)
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