[發明專利]虛擬存儲系統中的直接輸入/輸出

無效

• 申請號: 86103675.1
• 申請日: 1986-06-02
• 公開（公告）號: CN1006096B
• 公開（公告）日: 1989-12-13
• 發明（設計）人: 史蒂文·C·貝特納;威廉·R·布里格;戴維·V·詹姆斯;劉作凱;邁克爾·J·馬洪;特雷斯·C·米勒;小威廉·S·沃利
• 申請（專利權）人: 惠普公司
• 主分類號: G06F12/08
• 分類號: G06F12/08
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 匡少波,杜有文

本發明一般涉及虛擬存儲系統。由于其工作方式，使得計算系統處理器允許程序訪問輸入/輸出（I/O）設備。在先有技術中，計算機系統上運行的每一個程序都有其自己的虛擬地址空間。這使系統復雜化，且性能不為最佳。例如，要為每個程序保留一個單獨的頁表，該頁表用于將虛擬存儲地址映象到存儲器中的物理地址單元。此外，如果每個程序有其自己的虛擬地址空間，則每次變換計算機上的程序時，都必須使前一程序的轉換緩沖區和隱含存儲器（cache）入口無效。

另外，在先有技術的虛擬存儲系統中，有兩種方法可以訪問I/O設備。第一種方法是在計算機的指令集內提供控制I/O設備的特殊指令。第二種方法即所謂的內存映象I/O，是為每個I/O設備保留特定的地址。為每個I/O設備保留的地址稱做其地址空間。在內存映象I/O系統中，當處理器對I/O設備的I/O地址空間內的地址做讀或寫操作時，I/O設備將進行檢測并譯碼。I/O設備的每個寄存器都與地址空間內的一個地址相關聯。對寄存器的操作是這樣實現的，即每當對I/O設備地址空間內的一個地址做讀或寫操作時，其結果就是對與該地址相關聯的I/O設備中的寄存器做讀或寫操作。這樣，對I/O設備地址空間內地址的讀、寫操作可以用來控制I/O設備。

使用內存映象I/O系統的一個優點是，高級語言寫的過程可以訪問I/O設備。在某些先有技術的計算機結構中，應用程序可以直接訪問計算機I/O設備的全部或部分地址空間。但在多種任務環境中，這種方法會帶來某些困難。例如，如果一個應用程序誤初始化了可以進行直接內存訪問（DMA）傳輸的I/O設備，這將導致I/O設備讀或寫分配給其它應用程序的內存空間，從而使系統的安全性受到破壞。

在某些先有技術方案中，為避免在多任務環境中破壞系統的安全性，采用了不允許應用程序直接訪問I/O設備地址空間的措施。所有I/O地址只能被特權過程訪問。這些過程稱做I/O驅動程序。這種方法雖然提供了高級別的系統安全性，但也極大地增加了軟件開銷，效率不高并受到許多限制。與本發明相關的先有技術還可以在下列文獻中得到，US-A-4713755，US-A-4722047和US-A-4680702。

根據本發明的優選實施例，虛擬存儲系統中的地址空間是全程的。全程的意味著，不管處理器上運行的是什么程序，物理存儲單元映象到相同的虛擬地址空間。由寫禁止位伴隨的訪問碼用于控制程序訪問不同的地址。

另外，虛擬存儲系統的屬性用于控制對I/O設備地址空間的訪問。在虛擬存儲系統中，對處理器地址空間中頁的訪問分配在每個應用程序中。這種訪問可以是讀地址空間中存儲的信息（讀訪問），也可以是讀地址空間中存儲的信息并向地址空間中寫入信息（讀、寫訪問）。

在本發明的優選實施例中，分配給每個I/O設備兩頁的地址空間，其中一頁是特權頁，另一頁是非特權頁。由于頁可以很大，例如一頁可以包含512個地址，以致每一頁地址空間中的許多地址并沒有I/O設備的寄存器與其相關聯。

但是，每個I/O設備寄存器都與它的I/O設備兩頁地址空間中每一頁的一個地址相關聯。所有與某單個寄存器相關聯的各自頁中的地址都有相同的對該頁的偏移量。寄存器可以是特權的或非特權的。如果一個寄存器用于控制I/O設備的DMA操作，或用于對處理器產生中斷，或可用于其它破壞系統安全性的操作，則該寄存器被認為是特權寄存器。

非特權寄存器可在特權頁和非特權頁中做完全操作。在特權頁和非特權頁中的完全操作意味著，對特權頁或非特權頁中與非特權寄存器相關聯的地址的讀或寫，其結果都是對非特權寄存器的讀或寫。

特權寄存器只能在特權頁中做完全操作。這就是說，對與特權寄存器相關聯的地址的讀或寫，只有在特權頁中才導致對特權寄存器的讀或寫。對應不同的設置，特權寄存器在非特權頁中可以是只能讀不能寫，或者是既不能讀也不能寫。

圖1示出了耦合到總線上的系統處理器、系統存儲器和各種I/O設備。

圖2A和圖2B示出了存儲器地址空間中的一頁。

圖3示出了與本發明優選實施例對應的計算機存儲器地址空間。

圖4示出了圖1中各種I/O設備之一的方框圖。

圖5示出了用于將虛擬存儲地址轉換為物理存儲地址的表的兩個入口。

圖6示出了圖1中系統處理器的控制寄存器。

圖7示出了包括圖5中入口的表。

圖8示出了與圖7中的表耦合的散列設備。