[发明专利]在虚拟存储系统中进行页面置换的装置和方法

说明书

本发明是关于数据处理系统，特别是有关采用虚拟地址技术与主存单元相互联系的多CPU数据处理系统。

近代数据处理系统通常采用分层次的存储器结构。能为一个数据处理系统所访问的大部分数据均存储在诸如磁带、磁盘或其它能存储大量数字信息的海量存储介质上。一般由于这些介质的存取速度太慢，无法实现CPU对所存数据的直接寻址。通常，一个作为主存的存储单元均能用快速存取技术实现存取，它存储了数据处理系统所需的数据部分。（虽然与本发明无直接关系，但一般数据处理系统中均包含有用来存储对CPU有直接联系的数据的更快速的存储器，并装置在CPU内。处理器内的存储单元多被用作缓冲器或高速缓冲存储器。）

借助于操作系统，每个处理器均可访问全部与数据处理装置相关联的有用数据，在需要时可利用这些数据。实际上由于适用于处理器的数据的规模，由海量存储装置检索所需的数据成了处理工作进程中的一个不利的因素。数据处理系统所直接需要的一些数据被存储在主存单元中，但是将所有这些数据存放在主存单元中是不现实的，因而将这些数据分成称之为页面的数据块，并以它作为进入主存单元的单元实体。

在虚拟存储器技术中，数据处理单元开始工作时，操作系统在主存单元中指定可用的空间。主存单元空间将针对数据处理工作的需要而被分配给程序、表格和数据处理系统工作所需的部分操作系统。存储器中的这一区域并不包含如象通常作为被存储在主存单元中的数据的剩余部分的可置换的存储信息。存储单元的其余部分则被分成相等的块区，用以存储一些对数据处理系统重要的有关数据信息组元。这些信号组元称之为页面。与每一页面相应的是一个被称之为页面解说符的有关信号表中的一组数据信号。操作系统可以引用这些页面解说符。该页面解说符识别或指定有关页解说符的位置。页解说符包含有关虚拟或符号地址的信息。数据处理系统的处理器则将它们变换存放原始信息的实际或物理地址。每一页解说符还涉及有关状态信息方面的信号。该页面解说符还包括一个称为链节（Linker）的存储单元中的数据信号，它可以用来按照一种予定的确定页面顺序的算法来指定页面的次序。

在数据处理系统初始化之后，处理器将需要一组数据信号。软件程序将为所需的数据信号组从符号地址提供有关的物理地址信息。有关这些参数的信息被存储在页解说符中。相应的信息被送入页面解说符的链节部分，并指明其为页面序列中的首位。在增加其它页面时，链节信息即标明该页面在此序列中的顺序。当所有的页面均占有数据后，处理器继续要求访问一个新的数据，则需要一个已存有数据的页面中的旧数据被新数据所替换，本发明就是有关这种这种页面数据替换的实现措施。

由链节信息可以确定页面序列中的下一个可能的页面。根据链节信息，可识别与该页面相关的页解说符，此页解说符可进入处理器。处理器在现有技术的软件控制下来检验页解说符中的状态信号值，并根据此信号值来确定该页面中的数据是否可予替换。例如，一个经常采用的状态信号，它涉及数据置换的最佳决策经验，以置换那些目前最少会用到的数据。为了实现这种针对目前最少应用情况的策备，必然在处理过程中要付出难以承受的额外代价。典型的做法是按照予定的过程，将“用过的数据”信号移到别处，而当要用到与某一页面有关的该数据时，再将此“用过的数据”置入页解说符。在这种情况下，软件过程可以确定该数据已经在某一既定的时间周期内被用过。

此外，与页面相关的还有其它状态信号。由于状态信号的多样性，因而对相关数据组的置换作出决定的软件过程也可能复杂化，需要进行数量相当可观的处理操作。

当控制数据处理系统工作的程序所需要的信号组没有存储在主存储器中时，则要调用置换算法。在现有技术中，此置换算法是由软件处理来完成，这时需要对数个状态信号加以分析。在确定欲置换的页面数据时，要停止对该页解说符的访问，以防止所应用的数据在此过程中发生变化。一种防止在此访问期间使数据发生变化的技术就是给该存储器的部分存储装置设置存储“闭锁”，这种存储器的闭锁阻止了对主存或其它被选定部分的访问。这种技术对保证处理器所用的数据的正确是有效的，但由于软件置换算法的执行速度较慢，因而可能严重影响整个数据处理系统的运行性能。（正如这一技术领域的专业技术人员将清楚地看到，这种存储闭锁一般要涉及到很多存储区域，因而既使并没有对某一正在作置换算法分析的存储地址进行访问，也会影响其运行性能。）