DE1147783B - Steuerwerk fuer elektronische Rechenmaschinen, Bueromaschinen u. dgl. - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

T18996 Kc/42m

ANMELDETAG: 10. SEPTEMBER I960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 25. A P R I L 1963

Bei elektronischen Rechenmaschinen werden nach Maßgabe eines Programms erforderliche Befehle, wie beispielsweise »Multiplikation«, die sich aus einer Folge von Einzelschritten, wie z. B. Wertübernahme, Additionen, Stellenverschiebungen usw., zusammensetzen, dadurch ausgeführt, daß die aus einzelnen oder simultanen Mikrooperationen bestehenden Einzelschritte durch Mikrobefehle nacheinander veranlaßt werden entsprechend einem Mikroprogramm, das dem betreffenden Befehl zugeordnet ist. Zur Mikroprogrammsteuerung sind sowohl Steuerwerke bekannt, in denen zur Auslösung der Mikrobefehle ein besonderer Entschlüsseier in Verbindung mit einer Matrix sowie einem sogenannten Operationshalter und einem Mikrobefehlszähler tätig wird, als auch solche, bei denen die Folge der Mikrobefehle durch eine Kette von binären Elementen bestimmt wird, in der jeweils mindestens ein Element in einen von dem der anderen abweichenden erregten Zustand gesteuert wird, der einen Wirkausgang aktiv macht. Für die Ausgabe eines Mikrobefehls ist dann im allgemeinen jeweils ein Element der Kette zu erregen (also z. B. ein Flip-Flop oder ein Magnetkern auf »L« zu stellen), und zur Durchführung eines Mikroprogramms muß die Sequenz der nacheinander zu erregenden Elemente entsprechend der Befehlsfolge geregelt sein, die für jedes Mikroprogramm verschieden und eine unsystematische Folge ist, die Vorwärts- wie Rückwärtssprünge und wiederholte Durchläufe enthalten kann. Eine Kette, die das leistet, sei zum Unterschied von den bekannten Schiebeketten, bei denen der Erregungszustand systematisch, insbesondere von Stelle zu Stelle, weiterwandert, als Sequenzkette bezeichnet. Es ist bekannt, für jedes Mikroprogramm eine derartige Sequenzkette vorzusehen, die zufolge der Organisation ihrer Gliedverbindungen sowie unter der Mitwirkung bedingender Eingriffe die für das Programm erforderliche Sequenz der Erregung der an die Befehlsleitungen jeweils in gleicher Reihenfolge angeschlossenen Einzelglieder liefert. Weiterhin ist es bekannt, zur Operationssteuerung Ketten von Verzögerungsgliedern vorzusehen, in denen ein durchlaufender Impuls die zwischen den Verzögerungsgliedern der Reihe nach angeschlossenen Befehlsleitungen erregen kann, wobei unter Mitwirkung von Koinzidenztoren auch eine Unterdrückung einzelner Ausgänge sowie Schleifen- und Verzweigungsbildung möglich ist und einander ähnliche Programme gegebenenfalls durch dieselbe Verzögerungskette erzeugt werden können, indem die zugehörigen Koinzidenztore in jeweils verschiedener Weise durch eine übergeordnete Operationsmatrix beeinflußt werden.

Steuerwerk

für elektronische Rechenmaschinen,
Büromaschinen u. dgl.

Anmelder:

Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3

Dr. rer. nat. Wolfgang Händler, Geißlautern/Saar,

und Dr.-Ing. Fritz Rudolf Güntsch, Konstanz,

sind als Erfinder genannt worden

Das bekannte Steuerwerk, das im wesentlichen für jede Mikrooperationsfolge eine eigene Sequenzkette vorsieht, besitzt den Nachteil des in bezug auf das logische Minimum großen Aufwands an Sequenzketten, während das Steuerwerk nach dem Matrixverfahren (nach Wilkes) zwar mit kleinem Aufwand auskommt, aber wegen der Verschachtelung aller Mikroprogramme in einer Matrix unübersichtlich ist, was besonders bei großen Rechenanlagen unerwünscht ist. Darüber hinaus ist hier das praktisch wichtige Problem der konstruktiven Unterteilung der Matrix in Teilebenen kaum befriedigend lösbar.

Die Erfindung schlägt demgegenüber ein Steuerwerk vor, das bei großer Flexibilität einen einfachen und in seiner Organisation übersichtlichen, z. B. mit Schaltplatten (etwa gedruckten »Karten«) leicht zu realisierenden Aufbau mit ökonomischer Leitungsführung ergibt. Die verwendeten Aufbauprinzipien führen nicht nur zu einem für Befehlssteueraufgaben wie die vorgenannte Mikroprogrammsteuerung geeigneten Werk, sondern auch zu Erweiterungen, die die Durchführung wesentlich komplexerer Steueraufgaben möglich machen. Zunächst sei die Folgesteuerung von Mikroprogrammen genannt. Weiterhin aber soll das Steuerwerk gemäß der Erfindung unter anderem Aufgaben lösen, wie sie aus den in neuerer Zeit gestellten Problemen der Simultanarbeit er-

309 577/263

3 4

wachsen, die darin besteht, daß zur Erledigung sehr ordnet, während eine zweite matrixgesteuerte Sequenzumfangreicher und schnell zu bewältigender Infor- kette die Werte entsprechend Rangklassen den Ausmationsverarbeitungen mehrere Rechner oder Ein- gangen zuordnet.

heiten eines Rechners korrespondierend zusammen- Im nachfolgenden sollen die Erfindungsgedanken

arbeiten. Hierbei müssen dann unter anderem An- 5 an Hand der zeichnerischen Darstellungen weiter ermeldungen der korrespondierenden Werk© zur Aus- läutert werden.

führung in einer zeit- oder auch rangbedingten Folge Eine Sequenzkette der vorerläuterten Art, in der

koordiniert werden. jeweils nur ein Element erregt ist, sei als (^)-Kette

Bei dem Steuerwerk gemäß der Erfindung werden (1 aus n) bezeichnet. Jedoch ist es bei einem Steuerdie Wirkausgänge einer ersten Sequenzkette parallel io werk gemäß der Erfindung auch möglich, mit (;)-Ketin einer Mehrzahl von Matrizen, die einen Matrix- ten zu arbeiten, in denen von insgesamt η Elementen quader bilden, wirksam, während die Wirkausgänge jeweils r Elemente erregt sind. Diese leisten dann, einer zweiten Sequenzkette eine oder mehrere von zugleich mit der Sequenzerzeugung, eine Entschlüssediesen Matrizen auswählen, wobei die von einer lung. Hierauf wird später kurz (weil Entschlüsselungs-Matrix ansteuerbare Folge von Mikrooperationen 15 prozesse im Prinzip als bekannt vorausgesetzt werden einer Auswahl von Mikroprogrammen angehört. können) zurückgekommen, zur Vereinfachung der

In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, Beschreibung der Steuerwerkprinzipien werden im jede Matrix wie in dem bekannten Matrixverfahren nachfolgenden ©-Ketten zugrunde gelegt, zu unterteilen in einen die Mikrooperationen be- in Fig. 1 ist K₁ (y) eine derartige Kette, bestehend

stimmenden Funktionsteil und einen weiteren Funk- 20 aus neun binären Elementen y₀ ... y₇, y₁₀. Ihre Wirktionsteil, der über Rückverbindungen in die Ketten- ausgänge w (y) führen in eine Matrix, nämlich sowohl elemente die Reihenfolge der Erregung von Ketten- in einen Funktionsteil Z^x als auch in einen Funktionselementen bestimmt, wobei die zweite Sequenzkette teil Ä^x, wo sie sich an Konjunktionen beteiligen, nur bei Übergängen zwischen Matrizen umgeschaltet Solche können, wie bekannt ist, insbesondere durch wird. Die beiden Sequenzketten spannen damit zu- 25 Dioden in Und-Schaltung, aber z. B. auch durch sammen mit den Matrizen einen Matrixquader auf, Transistoren oder Widerstände gebildet werden. Die der bei der weiteren Darstellung auch so bezeichnet an den Knotenpunkten eingetragenen notenartigen wird, wobei allerdings zu bemerken ist, daß es sich, Zeichen stellen demgemäß nicht Lötverbindungen wie später näher ersichtlich wird, hierbei um eine zur dar, sondern Konjunktionen. Die ausgefüllten Verständlichkeit der Verhältnisse gewählte Darstel- 30 »Viertelnoten« sollen einfache Konjunktionen in lungsform handelt, der wie auch bei weiteren der nach- einem weiter unten ersichtlichen Sinne symbolisieren, folgenden Darstellungen der tatsächlich räumlichen die ausgesparten »halben Noten« geben an, daß zuAnordnung der Schaltelemente nicht zu entsprechen sätzliche Bedingungen an die Konjunktion anlegbar braucht. sein sollen, die am Notenhals notiert sind. Auch die

Es kann im weiteren zu einer Bewältigung zuneh- 35 weiteren Figuren außer Fig. 3 beruhen auf dieser mend komplizierter Steueraufgaben unter Anwendung systematischen kurzschriftlichen Darstellungsform der erfindungsgemäßen Mittel fortgeschritten werden. und stellen daher, wie bereits erwähnt, kein Abbild Sie wird möglich durch die Kombination von über der räumlichen Anordnung dar. Die Ausgänge der eine oder mehrere Sequenzketten gesteuerten Matrizen Zeilen 1... 21 des ^l^-Teiles der Matrix können bzw. Matrixquadern miteinander derart, daß die 40 Mikrooperationen auslösen. Es sei angenommen, daß Ausgänge einer Matrix bzw. eines Matrixquaders die jeweils zweiten Bedingungen der einfachen Konkonjunktiv in einer anderen Matrix bzw. einem ande- junktionen (Viertelnoten) erfüllt sind. Wird dann ren Matrixquader wirksam werden. über die unterste Zeile des Matrixteiles Z* das EIe-

In allen Fällen können mindestens einzelne der mit ment y₀ erregt, so löst sein Wirkausgang w Cy₀) über den Wirkausgängen der Kettenelemente verknüpften 45 die Konjunktion im /4*-Teil und dessen Zeile 17 die Matrizen einen dritten Funktionsteil aufweisen, dessen entsprechende MikroOperation aus. Die Konjunktion Ausgänge mit den Stellen eines Zählers zur Abzäh- . im Z^-Teil hingegen bewirkt oder ermöglicht über die lung von Wiederholungen verbunden sind, wobei zweitunterste Zeile des Z^x-Teiles, die durch eine dann zweckmäßig der die Rückverbindungen in die Rückführung mit dem Erregereingang e Cy₁) des näch-Sequenzketten herstellende Funktionsteil Ausgänge 5° sten Kettenelements V₁ verbunden ist, die Erregung sowohl zum Erregen als auch zum Aberregen der dieses zweiten Kettenelements. Dessen Wirkausgang Kettenelemente aufweist, die an diese über Konjunk- w Cy₁) löst über die Konjunktionen im ^-Teil die tionen angeschlossen sind, deren zweiter Eingang am Mikrooperationen 6 und 7 aus. Die Konjunktion im Ausgang des Wiederholungszählers liegt. Z*-Teil, dritte Zeile von unten, führt über diese Zeile

Zur Steuerung von Simultanarbeit ist vorgesehen, 55 und eine Rückführung zum Eingang e Cy₂) des Kettendaß die durch die Schaltfolgeschritte aufrufbaren elements y₂, so daß nun dieses erregt wird. Dessen Operationen durch mindestens eine weitere Sequenz- Wirkausgang w Cy₂) liegt im ^_x-TeU an zwei zusätzkette über Matrixkonjunktionen unterschiedlichen, lieh bedingten Konjunktionen. Je nachdem, ob eine insbesondere für Simultanarbeit zu koordinierenden, Größe (z. B. die niedrigste Stelle in einem Multiplianmeldenden Werken nacheinander zuordenbar bzw. 60 katorregister) »Null« oder »Eins« ist, wird entweder für diese durchschaltbar sind und insbesondere daß MikroOperation 19 oder 20 ausgelöst. Außerdem die Zuordnung bzw. Durchschaltung der anmelden- wird über die der viertuntersten Zeile des Z^x-Teiles den Werke über zwei Sequenzketten mit zugeordne- zugeordnete Rückführung das nächste Kettenelement tem Matrixquader nach Maßgabe einer doppelten v₃ wirksam gemacht, das seinerseits die Mikroopera-Folgeauswahl bewirkt wird. Diese wird vorzugsweise 65 tion 10 bringt und die Erregung von Kettenglied y_i so durchgeführt, daß eine matrixgesteuerte Sequenz- veranlaßt. Dessen Wirkausgang w (y₄) nun kann über kette zyklisch arbeitet und gleichberechtigte anmel- die zusätzlich bedingten Konjunktionen im A^x- und dende Werke nacheinander den Quaderausgängen zu- Z*-Teil zweierlei bewirken. Unter der Bedingung

5 6

k = O wird MikroOperation 16 ausgelöst und über den Ein erregtes Element, z. B. auf »Eins« gesetztes

Z^x-Teil (zweitunterste Zeile) im Rücksprung erneut Flip-Flop χ des Operationshalters K₂ (x) liefert das das Kettenelement y_± erregt. Es ist so eine Schleife »Eins«-Potential an alle in der betreffenden x-Ebene gebildet, in der die Elemente y_v y₂, y₃, y_i wiederholt liegenden Konjunktionen. Ein ebenfalls zu »Eins« durchlaufen werden und damit eine entsprechende 5 gesetztes Flip-Flop y des Mikrobefehlszählers Uf₁ (y) Mikrobefehlsfolge. Die Schleife tritt nicht ein bzw. liefert das »Eins«-Potential an alle in der y-Ebene wird verlassen, wenn k = 1 ist bzw. wird. Dann er- liegenden Konjunktionen. Nur in der Schnittlinie regt Kettenglied y_i die Mikrooperation 11 sowie das (x, y) sind beide Bedingungen erfüllt (die in Fig. 1 nächstfolgende Kettenelement y₅, das seinerseits als »Viertelnoten« dargestellten einfachen oder Grund-Mikrooperation 9 und die Erregung von y₆ veranlaßt. io konjunktionen können nun also als diese Konjunk- y₆ veranlaßt Mikrooperation 12 und die Erregung von tion χ, y interpretiert werden), und die dort liegenden Kettenelemente-. Hier ist nun vorgesehen, daß der Konjunktionen liefern Steuersignalez', z", z"' usw., Programmablauf so lange aufgehalten wird, bis eine sofern nicht eine Konjunktion noch von weiteren bestimmte Bedingung/ = 1 (z.B. ein Fertigsignal) Bedingungen (»aber nur wenn...«) abhängig geerfüllt ist. Solange / = 0 ist, hält sich y₇ über die 15 macht ist. Durch diese Koordinatenwahl wird eine Rückführung von w (y₇) im erregten Zustand. verhältnismäßig kleine Menge von allen Konjunktio-

Es ist ersichtlich, daß die Sequenz in der Kette nen, nämlich die Senkrechte in der Darstellung, an-A₁ (y) durch die Konjunktionen im Funktionsteil Z^x gesprochen, während die weitaus größere Menge der der Matrix beliebig gestaltet und bedingt werden Konjunktionen des Quaders unwirksam bleibt. Alle kann (jedes beliebige Kettenelement kann jedes be- 20 Ansteuerleitungen, die für eine Auslösung der Mikroliebige andere zur Nachfolge bestimmten, und zwar operation ζ bestimmt sind und demgemäß also in je nach vorgebbaren Bedingungen). Durch die Kon- einer Ebene (z) hegen, werden über Disjunktionen junktionen im Funktionsteil A^x sind die Mikroopera- wieder zusammengeführt.

tionen in flexibelster Weise den Wirkausgängen w (y) Es seien nun zunächst Angaben darüber einge-

der Kettenelemente mit Bedingungen zuordenbar. 25 schaltet, wie die tatsächliche Leitungsführung in einer Wie ohne weiteres zu erkennen ist, können in der beispielsweisen Ausführung beschaffen sein kann. Sequenzkette auch jeweils r Elemente entsprechend Zwecks vereinfachter Darstellung sind in Fig. 3 von einem Code erregt werden, wobei dann die Matrix den an Leitungs-Kreuzungspunkten hegenden Dioden so auszulegen ist, daß für jeden Wirkausgang die (die also Spalten mit Zeilen verbinden) nur einige gleichzeitige Erregung anderer Wirkausgänge als Be- 30 eingezeichnet und im übrigen die in bekannter Weise dingung für die Sequenzweiterschaltung und Mikro- konjunktiv wirkenden mit ausgefüllten und solche, befehlausgabe wirksam wird. Damit ist also in die die in disjunktiver Schaltung hegen, mit ausgesparten Tätigkeit des Steuerwerks eine Entschlüsselung ein- Kreisen symbolisiert. Das in Fig. 3 dargestellte Leibezogen. tungs-Koordinatensystem gibt eine mögliche Reali-

Unterschiedliche auf diese Weise erzeugbare 35 sierung der Matrix nach Fig. 1 wieder. Es kann auf Mikroprogramme sollen nun nach Maßgabe auszu- einer einsteckbaren Schaltplatte oder gedruckten führender und zu diesem Zweck in einer Einrichtung »Karte« mit Randanschlüssen gebildet sein. An die entsprechend dem eingangs erwähnten »Operations- Klemmen W_y(0 ...7, 10) von neun Zeilen sind die halter« absetzbarer Hauptoperationen nacheinander Wirkleitungen der Sequenzkette K₁ (y) angeschlossen, ablaufen können. Hierfür werden die Wirkausgänge 40 an die Klemmen e_y (0 ... 7, 10) deren Erregerleitunder Sequenzkette K₁ (y) über Konjunktionen nicht nur gen. An die Klemmen 1... 21 sind die Mikrobefehle in eine Matrix der vorbeschriebenen Art eingeführt, empfangenden Leitungen anzuschließen. Weitere sondern in mehrere derartige Matrizen, in denen sie Klemmen x, q, q, k, ~k, f, j, dienen zum Heranführen in einer Schaltfolge (entsprechend der Folge der der weiteren Bedingungen, wobei, wie erläutert, χ an Hauptoperationen) wirksam werden sollen. Dies wird 45 einem Wirkausgang der zweiten Sequenzkette K₂ (x) wiederum auf dem Wege über matrixeigene Konjunk- anzuschließen ist. Die Koordinatenebene zerfällt in tionen erreicht, an die Wirkausgänge einer aus binä- einen konjunktiven oberen und in einen disjunktiven ren Elementen X_n bestehenden und als Operations- unteren Teil, die durch die gestrichelte Linie getrennt halter fungierenden zweiten Sequenzkette K₂ (x) her- werden. »Eins «-Potential an der Klemme W_y(4) beiangeführt sind. Diese Wirkausgänge führen also in 50 spielsweise wird in der siebenten Senkrechtleitung von Matrizen der vorbeschriebenen Art als Bedingung links »Eins«-Potential erzeugen, wenn zugleich an den ein, daß wirklich der Auftrag für die das Mikro- Klemmen χ und k »Eins«-Potential hegt, es erprogramm verlangende Hauptoperation vorliegt. scheint im disjunktiven Teil an den Ausgangsklem-

Unter Zugrundelegung der gewählten Darstellung men 11 und e_y(5). Das »Eins«-Potential an Klemme spannen die beiden SequenzkettenK₁ (y) und K₂(x) 55 W₃,(4) erzeugt hingegen »Ems«-Potential in der zusammen mit den jeweils auszulösenden Mikro- achten Senkrechtleitung von links, wenn zugleich an operationen ein räumliches Koordinaten-Gitternetz, den Klemmen χ und Έ (k = 0) »Eins «-Potential hegt, einen Matrixquader, aus, wie er in Fig. 2 dargestellt dieses erscheint an den Klemmen e_v (1) sowie 16. Die ist. In einem räumlichen Gitterpunkt (x, y, z) ist eine an Klemme e_y (1) hegende Zeile muß aber auch Konjunktion dann vorhanden, wenn die zugeordnete 60 »Eins«-Potential über die Diode erhalten können, die Mikrooperation ζ anläßlich des Ablaufs der Opera- sie mit der zweiten Senkrechtleitung verbindet, alltion χ zu einem Zeitpunkt, in dem die Mikrobefehls- gemein müssen die Zeilen des unteren Teiles über kette K₁ (y) den Stand y anzeigt, ausgelöst werden jede einzelne der an ihr liegenden Dioden erregbar soll, x, y und ζ sollen jeweils nur diskrete Werte 0, sein, wie ohne weiteres klar ist. Es ist dies die früher 1, 2... annehmen. Mehrere verschiedene z', z", z'" 65 erwähnte disjunktive Zusammenführung. Die Zeilen-... usw. (MikroOperationen) können zu einem Paar Dioden des unteren Matrixteiles hegen daher in dis- (x, y) gehören und bilden einen Mikrobefehl (Senk- junktiver oder »Oder«-Schaltung. Die weiteren Rerechte in Fig. 2). alisierungen entsprechend dem Schema der Fig. 1

kann man durch Vergleich mit diesem leicht bestätigt finden.

Im folgenden wird nun wieder die »kurzschriftliche« Darstellungsweise zugrunde gelegt. In dieser zeigt Fig. 4 eine Matrix, die um einen weiteren Funktionsteil, nämlich W^x, erweitert worden ist, der die Anzahl von Wiederholungen bestimmt, denen jeder einzelne Mikrobefehl unterworfen werden soll. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Zeilen dieser daß die Rechner paarweise voneinander Informationen anfordern und übernehmen sowie einander Informationen auf Anforderung ausliefern können.

Ganz ähnlich liegen die Verhältnisse bei Rechnern mit mehreren gleichzeitig arbeitenden Einzelwerken. Man bemüht sich dabei, alle Werke möglichst dauernd in Betrieb zu halten. In diesem Zusammenhang wird häufig darauf hingewiesen, daß bei Analogrechnern ständig alle Teile gleichzeitig tätig sind. Aus

Matrix den einzelnen Stellen eines Zählers WZ züge- io verschiedenen Gründen ist man nun bestrebt, auch führt. Die Sequenzkette wird aus Setz-Rücksetz-Flip- bei Digitalrechnern die Einzelteile in ähnlicher Weise

Flops ausgeführt, wobei dann für das Rücksetzen besondere Zeilen in der Matrix Z^x vorgesehen sind. Angenommen, das Spalten-Flip-Flop, das zur Spalte W(y_n) gehört, steht auf Eins, so werden erstens die an dieser Spalte hängenden Ausgänge von A^x aktiviert. Ferner wird eine der Zeilen der Matrix W^x angekoppelt. Diese Zeile setzt das entsprechende Flip-Flop des Wiederholungszählers WZ auf Eins. Der Wiederholungszähler erhält ununterbrochen Vorschubimpulse, die dafür sorgen, daß diese Eins im Laufe der Zeit an das Ende des Zählers (in der Figur nach unten) wandert. Je nach Ausführungsform kann während der den ersten Sätzen nachfolgenden Zeit eine weitere Folge von Einsen eingesehrieben werden, oder aber es wird durch ein differenzierendes Glied dafür gesorgt, daß nur bei der ersten Aktivierung einer Zeile von W^x einmalig eine Eins in den Zähler geschrieben wird.

"30 auszunutzen.

Einrichtungen zur Simultanarbeit sind aus folgenden Gründen aktuell:

a) Die in der digitalen Rechentechnik heute üblichen Schaltelemente werden in Schaltungen verwendet, in denen ihre Lebensdauer nicht von der Schalthäufigkeit, sondern nur von ihrer natürlichen Alterung abhängt. Man wird sich daher bemühen, diese Schaltelemente während ihrer Lebensdauer mit einer möglichst hohen Zahl von Schaltvorgängen zu nutzen.

b) Es gibt eine Reihe von Aufgaben, die eine Rechenleistung verlangen, welche auch bei Verwendung modernster Schaltelemente von Rechnern herkömmlicher Struktur nicht erreicht wird.

c) Werden mehrere gleichartige Rechner oder Rechnerwerke in einem System zusammengefaßt, so kann auch bei Ausfall eines Teiles das Gesamtsystem weiterarbeiten, wenn man dafür sorgt, daß ein anderer Teil die Funktionen des gestörten übernimmt.

d) In vielen Fällen ist es nicht möglich, die Nachrichtenverarbeitung vollkommen an einem Ort zu konzentrieren, weil die räumlich weit verteilten anfallenden Informationen zur Einsparung von Übertragungskapazitäten an Ort und Stelle vorverarbeitet werden müssen.

Rechenleistungen, die über dem liegen, was Rech-

In dem Augenblick, in dem die (bzw. die erste) Eins am Ende des Zählers ankommt, werden Konjunktionen, die in allen Eingängen e (y„) der Sequenzkette eingebaut sind, beschickt, so daß die aus der Matrix Z^x ankommenden Spannungen in die Spalten-Flip-Flops übertragen werden. Gleichzeitig werden in dem Fall, daß nicht eine Eins, sondern eine ganze Reihe von Serien von Einsen nach WZ eingeschrieben worden ist, alle Stellen von WZ auf Null gesetzt. Die genannten Konjunktionen sind in Fig. 4 gesondert

dargestellt, können aber natürlich auch in die Se- 40 ner herkömmlicher Struktur aufweisen, werden z. B. quenzmatrix einbezogen werden. bei sogenannten Realzeitproblemen verlangt. Bei

Der Zähler V/Z kann statt als Schiebekette auch solchen Aufgaben muß die Rechnung mit einem zu als voreinstellbarer Zähler ausgebildet sein, in den steuernden oder zu beobachtenden Ablauf in der über Matrixteil W eine dual verschlüsselte Zahl ein- Umgebung des Rechners Schritt halten. Typische gegeben wird und der hernach durch Zählimpulse bis 45 Beispiele sind Reaktorregelung, Luftüberwachung, zu einem Grenzwert (vorzugsweise Null) aufwärts- Fernsprechvermittlung und Wettervorhersage, oder abwärts gezählt wird, wo er einen Schlußimpuls
ausgibt.

Die Rückführungen von der Matrix Z^x in die
Sequenzkette müssen so eingerichtet werden, daß je- 50 sie nicht ohne weiteres mit einem sinnvollen Zeitweils eine Zeile aus Z^x in einen »Eins«-Eingang des aufwand gelöst werden können. So kann bei partiellen Flip-Flops einer Nachfolgespalte geführt und daß
eine andere Zeile in den »Nulk-Eingang des der
eigenen Spalte gehörigen Flip-Flops gebracht wird.
Auf diese Weise wird durch die Ankunft von WZ
in einer Endlage eine neue Spalte eingeschaltet und
die während der vorangehenden »Wortzeit« aktive
Spalte abgeschaltet.

Wie bereits erwähnt, ist ein Steuerwerk nach der Erfindung zur Steuerung von Simultanarbeit geeignet, für die mehrere Rechner in einem Rechnersystem oder mehrere gleichzeitig arbeitende Einzelwerke Bei einer anderen Gruppe von Aufgaben liegt zwar keine strenge Terminbildung im Sinne der Realzeitprobleme vor, jedoch sind sie so umfangreich, daß

55

60

eines Rechners zusammengeschaltet werden sollen. Unter einer Zusammenschaltung mehrerer Rechner zu einem System ist dabei folgendes zu verstehen: Die einzelnen Rechner werden so miteinander gekoppelt, daß sie gemeinsam zur Lösung einer Aufgabe eingesetzt werden können. Die Kopplung besteht darin, Differentialgleichungen — wie sie z. B. in der Gasdynamik, im Reaktorbau und in der Festkörperphysik vorkommen — die Lösung 10⁷ bis 10" Multiplikationen erfordern. Weitere Großaufgaben (Planungsaufgaben) stellt die moderne Verfahrensforschung.

Bei Systemen mit Simultanarbeit müssen insbesondere folgende Fragen untersucht werden:

a) Es muß für eine sinnvolle Verteilung der Gesamtarbeit auf die einzelnen Rechner oder Rechnerteile des Systems gesorgt werden.

b) Es muß erreicht werden, daß alle Teile des Systems widerspruchsfrei nach einer bestimmten Vorrangordnung miteinander verkehren.

Eine hierbei auftretende Aufgabe besteht darin, die gemeinsame Inanspruchnahme von Elementen — vornehmlich von Ubertragungskanälen, Puffern

u. ä. — durch verschiedene Werke bei Informationstraasporten widerspruchsfrei zu steuern. In diesem Falle handelt es sich um eine Verschachtelung in der Größenordnung weniger Taktintervalle. Dann reichen programmierungstechnische Maßnahmen nicht aus, weil die Vorgänge, die gesteuert werden sollen, in ihrer Zeitdauer meist weit unter der Operationsdauer eines Befehls liegen. Denn einmal kennt die übliche Programmtechnik im allgemeinen keine Möglichkeit, einen Programmablauf während der Ausführung eines Befehls zu unterbrechen. Zum anderen ist die Forderung nach schnellster Abfertigung sicher so hoch, daß programmtechnische Maßnahmen nicht rechtzeitig wirksam würden; denn sonst würde man nicht eine Unterbrechung des Befehlsablaufs einleiten. Daher müssen einfache Einrichtungen vorgesehen werden, die ihrer Art nach der Operationssteuerung zugerechnet werden können. Am Beispiel des Magnetbandes sei der Unterschied zwischen der Verteilung im großen und der Verteilung im kleinen erläutert. Wenn ein Programm bzw. ein Werk Daten von einem Magnetband anfordert, z. B. in Blockform, so muß diese Anforderung mit den Erfordernissen anderer Programme bzw. Werke in Einklang stehen. Angenommen, das betreffende Programm bzw. Werk wird nicht durch ein anderes höheren Vorranges zurückgedrängt, so darf es das Magnetband starten. Es handelt sich in diesem Falle um die Verteilung im großen, die mit programmtechnischen Mitteln gesteuert werden kann. Nachdem das Magnetband läuft, bietet es in regelmäßigen Zeitabständen (bis zu einem gewissen Grade regelmäßig) Informationen (d. h. ein Zeichen oder ein Wort) an, und zwar so lange, bis der ganze Block eingelesen ist. Die einzelne Information muß in einer Zeit über den vielfach benutzten Informationskanal hindurchgeschleust werden, die meist unter der Operationsdauer der Befehle liegt. Damit werden diese Einzeltransporte zweckmäßigerweise zur Verteilung im kleinen gezählt und entsprechend mit Elementen der Operationssteuerung realisiert.

Bei mehreren zur Simultanarbeit miteinander korrespondierenden Einheiten gibt es solche, die bei anderen Einheiten Anmeldungen vornehmen, um zu einem geeigneten Zeitpunkt von diesen abgefertigt zu werden. Bei anderen Einheiten liegt der umgekehrte Fall vor, daß nämlich Anmeldungen anderer Einheiten zur Abfertigung angenommen werden müssen. Weiter gibt es Einheiten, die sowohl Anmeldungen tätigen als auch solche empfangen.

Im folgenden soll zuerst ein Steuerwerk betrachtet werden, das als Anmelder auftritt.

Ausgangspunkt der Betrachtungen ist ein Steuerwerk der oben beschriebenen Art. Dabei sei daran erinnert, daß beliebige Sprünge in der ©-Kette für y möglich sind, daß also keine technische Notwendigkeit besteht, aufeinanderfolgende Schlüsselzahlen in der v-Kette benachbart zu legen. Auf diese Weise ist es möglich, zwei Gruppen von y-Werten zu unterscheiden.

Die Mikrobefehle der ersten Gruppe enthalten Operationen, die mit einem Eingriff in den Ablauf anderer Werke verbunden sind, während alle übrigen Mikrobefehle der zweiten Gruppe zugeteilt werden. Die zur ersten Gruppe gehörigen y-Werte nennen wir »wesentlich«.

Die wesentlichen Mikrobefehle werden y_mJk genannt und für alle anmeldenden Werke eines Systems gemeinsam mit / = 1, 2, 3 ... durchgezählt. Für jedes i bezeichnet m in ymjk das Werkm = 1,2,3 ..., bei dem eine Anmeldung vorgenommen werden soll, während k angibt, welcher Vorrangstufe diese Anmeldung im Werk m zugeteilt wird. Man sieht, daß die wesentlichen y als »Durchschnitt« für die gemeinsam betroffenen Steuerwerke auftreten. Diese Elemente des Steuerwerks entsprechen damit den »Durchschnittselementen«, die zur Informationsübertragung zwischen den beiden kommunizierenden Werken vorgesehen sind (z. B. gemeinsam benutzte Registerelemente auf der Grenzlinie zweier kommunizierender Speicher).

Der Vorgang der Anmeldung sieht vom anmeldenden Werk her betrachtet folgendermaßen aus:

Die Eins der y-Kette des Anmelders gelangt zu einem wesentlichen Mikrobefehl y_{m> ik}. Das Anmeldesignal wird dann dem Abfertiger m über ein Element zugeleitet, das dafür sorgt, daß die Anmeldung im Takt von Werk m erfolgt.

Als nächstes sollen nun die Verhältnisse im angerufenen Werk m betrachtet werden.

Zu diesem Zweck wird als Zusatz zu dem früher beschriebenen Steuerwerk für einfachen Programmablauf ein Steuerwerksteil aufgebaut, der durch das in Fig. 5 wiedergegebene Koordinatensystem beschrieben wird. Den einzelnen Werten i einer Sequenzkette K₃(i) entsprechen die Nummern der verschiedenen Anmeldungen y_{m ik}, die aus verschiedenen Werken stammen können, wie oben angegeben. Die k einer weiteren Sequenzkette K₄ (k) kennzeichnen die verschiedenen Vorrangklassen innerhalb der betrachteten Operationssteuerung, während j die verschiedenen verlangten Operationen (entsprechend den χ der einfachen Mikroprogrammwerke) kennzeichnet. Eingangsgrößen sind in dem von diesen beiden Ketten aufgespannten Quader (entsprechend den χ und y des einfachen Steuerwerkes) i und k. j ergibt sich als Ausgang (entsprechend ζ im einfachen Steuerwerk) und wird als Eingang für das zum gleichen Werk gehörige einfache Steuerwerk benutzt. Die Koordinaten ζ und k sind je einer Eins aus (?)-Ketten zugeordnet. Wie früher können auch (")-Ketten zugelassen werden, die durch Entschlüsselung zu den (?)-Ketten dieses Modells führen.

Die Kette K₄ (k) gewährleistet, daß jeweils die Anmeldung der höchsten Vorrangklasse k abgearbeitet wird. Die Kette K₃ (i) sorgt dafür, daß mehrere gleichrangige Anmeldungen zyklisch nacheinander erledigt werden. Den früher betrachteten ^-Schnitten entsprechen hier Ä-Schnitte. Den Gitterpunkten (Konjunktionen) einer solchen Ebene werden die verschiedenen y-Werte der anmeldenden Werke konjunktiv zugeführt.

Bei konstantem k, d. h. bei der Betrachtung von Vorgängen, während derer die Kette K_t (k) keine Veranlassung hat, zu einer höheren Klasse überzugehen, gilt, daß i zyklisch fortgeschaltet wird und somit alle anmeldenden Einheiten mit gleichem Gewicht berücksichtigt werden. Wird jedoch in einem beliebigen Zustand i die Klasse entsprechend den Erfordernissen erhöht, so kann sich das System nicht merken, welche der Einheiten zuletzt abgefragt worden ist. Die Kette K₃(Z) schaltet sich entsprechend

den Erfordernissen der neuen Klasse wiederum zyklisch fort. Findet die Rückkehr in die alte (niedrigere) Klasse statt, so ist der erste Wert von i zufallsbedingt in bezug auf die alte Klasse. Von diesem zu-

309 577/263

fälligen Wert i ausgehend schaltet die Kette K_a(i) jedoch wieder zyklisch fort. Das Einsetzen der /-Registrierung nach jedem Klassensprung beginnt also immer von neuem mit einem zufälligen z-Wert. Bei selteneren Klassensprüngen kann die Regellosigkeit, mit der das Abarbeiten der Einheiten gleichen Vorrangs beginnt, keine merkliche Wirkung haben. Denn es kann angenommen werden, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Klassensprüngen genügend Zeit für die Abwicklung eines vollständigen z'-Zyklus zur Verfügung steht. Auch kann angenommen werden, daß im allgemeinen alle Einheiten mit gleicher Wahrscheinlichkeit abgefertigt werden. Sollte jedoch bei häufigeren Klassensprüngen die störende Wirkung untragbar werden, so können besondere Maßnahmen getroffen werden. In diesem Falle wird jeder Klasse k (bzw. mindestens jeweils einige Klassen gemeinsam) eine eigene ©-Kette für i zugeordnet. Die Eins in einer solchen Kette bleibt stehen, wenn das System aus dieser Klasse herausspringt, und sie setzt ihre Wanderung von dort aus zyklisch fort, wenn das System diese Klasse zur weiteren Verarbeitung freigibt.

Nachdem das Werk den Auftrag erledigt hat, liefert es ein Fertigsignal zum anmeldenden Werk, das noch bei y_mJk in Wartestellung steht. Dieses Fertigsignal wird wiederum über ein Zwischenelement zur Taktangleichung geliefert. Es bewirkt beim Anmelder, daß die Eins von y_mJk aus ihren vorgeschriebenen Weg durch die y-Kette fortsetzt.

Es gilt natürlich als Grundbedingung für eine Durchschaltung, daß die angerufene Einheit m nicht gerade mit der Erledigung eines Auftrages beschäftigt ist. Für diese Bedingung ist ein Bereitschafts-Flip-Flop zuständig, das seinen Inhalt allen Konjunktionen des Quaders zuführt.

Eine Schnittebene k entspricht den besonderen Verhältnissen in einer bestimmten Klasse (Fig. 6). Die Anmeldungen a_t einer bestimmten Klasse k (z. B. alle gleichrangigen Magnetbandgeräte) werden als Bedingungen für das »Warten« bzw. »Weiterschalten« der Eins in der Kette K₃ (f) in der Z^-Matrix der Ebene eingeführt. Eine weitere Bedingung hierfür ist auch der Zustand des vorher erwähnten Bereitschafts-Flip-Flops g. Eine Operation wird in der nachgeschalteten Operationensteuerung schließlich ausgelöst, wenn sowohl eine Anmeldung a_t = 1 vorliegt, als auch die Freigabe g = 1 von seiten der Operationensteuerung gemeldet worden ist. Dann soll also eine Durchschaltung (Ausgänge d_t des Funktionsteiles A^k) stattfinden, wie durch die »Noten« im Funktionsteil A^k symbolisiert ist. Zugleich muß g wieder gelöscht werden, andernfalls besteht die Möglichkeit, daß eine weitere Durchschaltung unmittelbar danach ausgelöst wird.

Ein Warten der Eins in der Kette K₃ (i) soll im Zustand i dann sichergestellt werden, wenn zwar eine Anmeldung α,- vorliegt, eine Freigabe g jedoch noch nicht erfolgt ist. Diese Bedingungen α,--g sind mit /,· bezeichnet. Die Eins soll dagegen dann vorgeschaltet werden, wenn keine Anmeldung vorliegt (S₁) oder wenn eine Anmeldung a_t gleichzeitig mit einer Freigabe g vorliegt. Es ist also

äivaig =φ/ί.

Die beiden Bedingungen für Warten (/,-) und für Weiterschalten (?,·) sind komplementäre Aussagen, die entsprechend mit einer Variablen bezeichnet und bei den »Noten« im Z^fe-Teil eingetragen sind. Die Arbeitsweise innerhalb der Ebene der Fig. 6 ist danach und unter Berücksichtigung des früher Erläuterten ohne weiteres klar.

Wegen der einfachen zyklischen Abfertigungsweise der Anmeldungen durch die Kette K_z (1) ist die Struktur des für das Fortschalten dieser Kette zuständigen Teils der Z^ft-Matrix sehr einfach. Einrichtungen, die das Fortschalten der Eins in der Kette K_i (k) bewirken, sind entsprechend ausgebaut.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Steuerwerk für elektronische Rechenmaschinen, Büromaschinen und dergleichen zur Bestimmung einer Folge von MikroOperationen (Mikroprogramme) unter Mitwirkung von einer Sequenzkette mit bistabilen Elementen, von denen jeweils mindestens ein Element in einen von dem anderen abweichenden erregten Zustand gesteuert wird, der einen Wirkausgang aktiv macht, und von einer Matrix, deren Eingänge von der Sequenzkette erregt werden und deren Ausgänge Mikrooperationen ansteuern, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkausgänge einer ersten Sequenzkette parallel in einer Mehrzahl von Matrizen, die einen Matrixquader bilden, wirksam werden, während die Wirkausgänge einer zweiten Sequenzkette eine oder mehrere von diesen Matrizen auswählen, wobei die von einer Matrix ansteuerbare Folge von MikroOperationen einer Auswahl von Mikroprogrammen angehört.

2. Steuerwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Matrix aus einem die verschiedenen MikroOperationen bestimmenden Funktionsteil sowie einem weiteren Funktionsteil besteht, der über Rückverbindungen in die Sequenzkettenelemente die Reihenfolge der Erregung von Kettenelementen bestimmt, wobei die zweite Sequenzkette nur bei Übergängen zwischen verschiedenen Matrizen umgeschaltet wird.

3. Steuerwerk nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Kombination von über eine oder mehrere Sequenzketten gesteuerten Matrizen bzw. Matrixquadern miteinander derart, daß die Ausgänge einer Matrix bzw. eines Matrixquaders konjunktiv in einer anderen Matrix bzw. einem anderen Matrixquader wirksam werden.

4. Steuerwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einzelne der mit den Wirkausgängen der Kettenelemente verknüpften Matrizen einen dritten Funktionsteil (W) ausweisen, dessen Ausgänge mit den Stellen eines Zählers (WZ) zur Abzählung von Wiederholungen verbunden sind.

5. Steuerwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Rückverbindungen in die Sequenzkette herstellende Funktionsteil (Z) Ausgänge sowohl zum Erregen als auch zum Aberregen der Kettenelemente aufweist, die an diese über Konjunktionen angeschlossen sind, deren zweiter Eingang am Ausgang des Wiederholungszählers (WZ) liegt.

6. Steuerwerk nach Anspruch 1 bzw. den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Schaltfolgeschritte aufrufbaren Operationen durch mindestens eine weitere Sequenzkette über

Matrixkonjunktionen unterschiedlichen, insbesondere für Simultanarbeit zu koordinierenden, anmeldenden Wirken nacheinander zuordenbar bzw. für diese durchschaltbar sind.

7. Steuerwerk nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnung bzw. Durchschaltung der anmeldenden Werke über zwei Sequenzketten [Κ_Ά(ί), 2£₄(&)] mit zugeordnetem Matrixquader nach Maßgabe einer doppelten Folgeauswahl bewirkt wird.

8. Steuerwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine matrixgesteuerte Sequenzkette [K₃(I)] zyklisch arbeitet und gleichberechtigte anmeldende Werke nacheinander den Quaderausgängen zuordnet, während eine zweite matrixgesteuerte Sequenzkette [K^k)] die Werke

entsprechend Rangklassen den Ausgängen zuordnet.

9. Steuerwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß einer Rangklasse mehrere zyklisch gesteuerte Sequenzketten zugeordnet sind.

10. Steuerwerk nach Anspruch 1 bzw. den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Betriebszustandsignale, z. B. Signale einer Bereitschafts-Flip-Flops, in den Matrizen bzw. Matrixquadern konjunktiv wirksam werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Buch von H. Rutishauser, A. Speiser, E. Stiefel, »Programmgesteuerte digitale Rechengeräte«, Basel 1951, S. 56ff.;

Elektronische Rundschau, 1955, S. 349 bis 353.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

© 309 577/263 4.63