[发明专利]在向量数据处理运算中从缺页故障中恢复的设备和方法

说明书

本发明总的来说有关数据处理系统，具体地说，有关能在虚拟存储器环境下实现向量运算的数据处理系统。

为了提高某些类型重复运算的性能，目前已开发出了向量数据处理运算技术。例如，把二个数据数组的相应元素进行相加可用向量相加运算，再把结果的和数存放在一个第三数组内。这个过程可与执行相同计算的标量指令作对照，而后者将要求重复地执行一个循环例行程序。向量处理具有在一次运算中规定对大量数据作处理而无需发出多条指令或执行循环迭代控制的优点。此外，由于对每组操作数施加相同的运算，可有效地使用流水线技术来提高性能。一般来说，目前使用的有二种向量处理模型，基于寄存器的模型和基于存贮器的模型。

在基于寄存器的模型中，各组操作数是从主存贮器传送（装入）的，并存入称为向量寄存器的专用寄存器内。每个向量寄存器可贮存多个操作数，每个操作数有一个预定的长度。当一个或多个向量寄存器在其内部贮存有所需的操作数时，则贮存在向量寄存器中的所有操作数由一个共同的算术运算所处理，由此处理运算所得到的操作数再贮存在一个目标向量寄存器内。由于对向量寄存器的所有操作数完成相同的运算，故只需向处理执行装置发出一条指令来管理多个操作数。在对操作数组完成所有所需的运算后，操作数被送回（或贮存在）主存贮器单元中。

在基于存贮器的模型中，操作数被直接从主存贮器单元传送至执行单元，运算所得到的操作数也被直接送回主存贮器单元。从理论上说，由于在开始运算之前不需要把信息贮存在向量寄存器中，结束运算后也不需要送回存贮器，这种基于存贮器的模型提供效高的性能。但是，当向量运算开始时，第一个操作数从存贮器而到来需要一定的时间，因此，当这一启动时间可以在一个很长的向量运算期间分摊的时候，基于存贮器的向量模型最有效。

一般来说，基于寄存器的向量模型具有很短的启动时间，因此对短的向量有较好的性能。操作数随着实际的向量运算而被装入和存贮，因此，短的启动时间的优点与最大程度的存贮器利用率得到结合，从而得到与在基于存贮器的向量模型中在长的向量运算时才能得到的相同的最大的向量运算的速率。

在现代数据处理系统中已很普遍使用虚拟存贮器，这已成为对数据处理系统的一个要求，在虚拟存贮器数据处理系统中，大量的为处理机所需的逻辑信号组贮存在大容量存贮单元（或称为后援存贮器）中。当数据处理系统需要指令和数据元素时，数据处理系统可以认为所需要的指令或数据元素贮存在主存贮器单元中，因此，数据处理系统将试图把所需的指令或数据元素从主存贮器单元中传送至要求指令或数据元素的那个数据处理单元。当数据处理系统确认，在主存贮器单元中没有所需的指令或数据元素，则产生一个页面故障。页面为贮存在海量存贮器中由数据处理系统管理的信息单位。页面故障使得数据处理系统设备贮存为对页面故障作出响应所必需的信息，然后把控制转移至操作系统，以便对页面故障作出响应。

为了对产生页面故障作出响应，数据处理系统将控制转移至操作系统的相应模块，它将确定所需的指令或数据元素的位置，再把包括所要求的指令和/或数据元素的一“页”指令或数据元素传送至主存贮器单元。此外，操作系统模块将建立把主存贮器地址与在海量存贮器中所需的指令或数据元素的位置相连系的表。

在标量（非向量）工作方式中，存贮器访问指令是依次顺序执行的，只能访问单个数据。当访问一个在存贮器中不存在的数据时，必要的信息就被贮存起来，产生一个页面故障异常信息。操作系统接过控制，把所要的页面读入存贮器，然后再恢复程序计数器使继续执行指令序列而重新执行程序。

与此相反，一个向量装入或贮存运算可读出或写入贮存在一个向量寄存器中的全部数量的数据元素操作数。当正在执行一个向量装入/贮存运算时，继续发出进一步的向量和/或标量指令是有利的。这样，与标量装入/贮存运算不同，在向量指令之后，但在缺页发生之前，可发出几个外加的指令。当所需的数据元素不存在于主存贮器单元中时，几项信息必须被贮存起来，以便当缺页被传送到主存贮器单元后，能重新开始或完成该指令的执行。

在执行向量运算时，数据处理系统的性能受到存贮器速度、能同时执行多少个向量装入和贮存运算、以及在完成向量运算时多少个功能或执行单元可以并行地工作所限制。很明显，根据标量和向量运算实现多次重迭的程度，数据处理系统的效率可以进一步提高。