DE2227761A1 - Ansteuersystem für einen Mikroprogramm-Speicher - Google Patents

Description

74l8-72/Kö/s
RCA Docket No. 64,729
Convention Date:
June 7, 1971

xiCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A. Ansteuersystem für einen Mikroprogramm-Speicher

Die Erfindung betrifft ein Ansteuersystem für einen Speicher, beispielsweise einer digitalen Datenverarbeitungs- oder Rechenanlage, der eine Anzahl von Steuerwörtern mit je einem Operationscode und Speicheradressenbits des nächsten anzusteuernden Wortes speichert, mit einem die aus dem Speicher herausgeholten Steuerwörter empfangenden Steuerregister, einer Speicheransteueranordnung, die eine unter Steuerung durch Speicheradressenbits im Steuerregister ein nächstes Wort aus dem Speicher in ein Speicherdatenregister übertragende Adressieranordnung enthält, einer Übertragungsanordnung, die Wörter vom Speicherdatenregister zum Steuerregister überträgt, und einem Schaltwerk, das unter Steuerung durch, den Operationscode des im Steuerregister anwesenden Wortes eine entsprechende Schaltoperation durchführt.

Im Zentralteil von mikroprogrammierten digitalen Datenverarbeitungs- oder Rechenanlagen ist gewöhnlich ein kleiner, schneller Steuerwortspeicher zum Speichern von Mikrobefehlen oder Elementaroperationen (Eo), der sogenannte Mikroprogramm-Speicher, vorgesehen. Die Durchführung ,jedes einzelnen Programmbefehls wird dadurch eingeleitet, daß aus dem Mikroprogramm-Speicher ein erstes Mikrobefehlswort (Elementaroperationswort) herausgeholt und der Mikrobefehl durchgeführt wird. Jedes Mikrobefehlswort enthält einen Operationscode sowie Speicheradressenbits eines nächsten anzusteuern-

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den Wortes. Ferner sind ein Steuerregister (Elementaroperations- oder Mikrobefehlsregister), das aus dem Speicher herausgeholte Mikrobefehlsworte empfängt, eine Speicheransteueranordnunp mit einer Adressieranordnung, die unter Steuerung durch Adressenbits im Steuerregister ein nächstes Mikrobefehlswort aus dem Speicher in ein Speicherdatenregister einspeichert, eine die Mikrobefehls-Wörter vom Speicherdatenregister zum Steuerregister übertragende Übertragungsanordnung und ein Schaltwerk, das unter Steuerung durch den Operationscode des im Steuerregister anwesenden Mikrobefehlswortes eine Schaltoperation durchführt, vorgesehen.

Bei einer solchen Anordnung können Elementaroperationen oder Mikrobefehle in beliebiger erforderlicher Anzahl der Reihe nach herausgeholt und durchgeführt werden, um die Durchführung eines entsprechenden Programmbefehls (Makrobefehls) zu bewerkstelligen. Wenn der Operationscode eines Mikrobefehlswortes die Prüfung eines Zustandes in der Anlage sowie eine bedingte Verzweigung zu einem alternativen nächsten Mikrobefehlswort verlangt, kann das Prüfen eines Maschinenzustandes erhebliche Zeit erfordern, besonders wenn der Prüfpunkt sich an elektrisch entfernter Stelle in der Anlage befindet und wenn für die Prüfung die Durchführung einer Berechnung oder eines Vergleichs abgewartet werden muß.

Das Ansteuern und Herausholen eines nächsten Mikrobefehlswortes aus dem Mikroprogramm-Speicher braucht auch erhebliche Zeit. Üblicherweise wird daher die Ansteuerung des nächsten Mikrobefehlswortes so bald wie möglich eingeleitet. Wird ,jedoch ein bedingter Verzweigungs-Mikrobefehl durchgeführt, so bleibt der entsprechende nächste Mikrobefehl unbekannt, bis die betreffende Prüfung beendet ist. Man muß daher die Ansteuerung des nächsten Mikrobefehlswortes verzögern und warten, bis es verfügbar ist, bevor der Befehl durchgeführt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Leistungsvermögen einer Datenverarbeitungs- oder Rechenanlage dadurch zu verbessern, daß die erwähnten Verzögerungs- und Wartezeiten vermieden werden.

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Zur Lösung: dieser Aufgabe ist ein System der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher so organisiert ist, daß er in ,ieder Speicherzelle mehrere der Steuerwörter speichert; daß die Adressieranordnung während der Zeit, wo das Schaltwerk arbeitet, sämtliche in einer gegebenen Speicherzelle gespeicherten Wörter ausliest; daß sämtliche aus einer gegebenen Speicherzelle ausgelesenen Wörter vom Speicherdatenregister empfangen werden; und daß die Adressieranordnung außerdem eine Anordnung enthält, die nach dem Arbeiten des Schaltwerkes vom Speicherdatenregister zum Steuerregister lediglich dasjenige der Steuerwörter im Speicherdatenregister überträgt, das durch die Adressenbits des Wortes im Steuerregister bezeichnet ist.

Der Speicher speichert also in jeder adressietbaren Speicherzelle mindestens zwei Steuerwörter (Elementaroperations- oder Mikro befehlswörter). Die Ansteuerung der das nächste Steuerwort enthaltenden Speicherzelle erfolgt gleichzeitig mit einer Bestimmung, welches der angesteuerten Steuerwörter vom System verwendet werden soll, beispielsweise aufgrund einer Übertragung vom Speicher datenregister, in das sämtliche angesteuerten Steuerwörter aus einer gegebenen Speicherzelle eingelesen werden, zum Steuerregister (Elementaroperations- oder Mikrobefehlsregister).

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung, deren einzige Figur ein Schema des Steuerspeicherteils einer Datenverarbeitungs- oder Rechenanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, im einzelnen erläutert.

Der in der Zeichnung gezeigte Elementaroperations- oder Mikroprogramm-Speicher 10 enthält Wortspeicherzellen 12, ein Speicherdatenregister HDIi, einen Adressendecodierer 14 und ein Speicheradressenregister MAR. Die Wortspeicherzellen 12 bilden im vorliegenden Fall beispielsweise Speicherzellen für acht Speicher-Wörter 1 bis 8. Die in den einzelnen Speicherzellen des Speichers 10 gespeicherten Speicherwörter enthalten jeweils vier Elementaroper.-.ti oiis- oder liikrobef ehlswörter a bis d. Die Anzahl (vier) von i'ikrobefe'ilsn'örtern in jedem Sneicherxvort ist hier ebenfalls bei-

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spielsweise anreiben. Der Adressendecodierer 14 dient dazu, irgemi eine gewünschte der acht Wortspeicherzellen 1 bis 8 zu wählen oder anzusteuern, um den "Jnhalt der gexvählten Wortspeicherzelle zum Speicherdatenregister MDR zu übertragen. Das Wortspeicherregister MDR hat vier Teile A bis D zum Empfangen und Speichern der vier Mikrobefehlswörter eines angesteuerten Speicherwortes. Der Mikroprogramm-Speicher 10 ist vorzugsweise ein. Halbleiter- Festwert speicher (Auslese- oder Permanentspeicher) mit Speicherzellen für Hunderte von Mikrobefehlswörtern und einer Zugriffszeit in der Größenordnung von 100 Nanosekunden.

Das Speicheradressenregister MAR ist in zwei Teile aufgeteilt: A₁ für hochstellige Adressenbits und A₉ für niedrigstellige Adressenbits. Der Ausgangsteil A₁ des Speicheradressenregisters MAR ist über ein UND-Glied 16 (das eineAnordnung von mehreren UND-Gliedern darstellt) mit dem Eingang des Adresseridecodierers 14 gekoppelt, um irgendeine bestimmte der acht Wortspeicherzellen anzusteuern. Der Teil A„ des Speicheradressenregisters MAR ist über ein U>:D Glied l8 (das ebenfalls eine Anordnung von mehreren UND-Gliedern darstellt) mit einem zweiten Decodierer 20 gekoppelt. Der Decodierer 20 hat vier Ausgänge, deren jeder ein entsprechendes U>D-Glied A' bis D' (deren jedes ebenfalls je eine Anordnung von mehreren UND-Gliedern darstellt) auftastet oder aktiviert. Die UFD-Glieder A' bis D¹ empfangen außerdem Eingangssignale von den entsprechenden Teilen A bis D des Speicherdatenregisters MDR. Die Ausgänge der UND-Glieder A¹ bis D^! sindüber ein ODER-Glied 22 auf ein Mikrobefehlsregister EOR geschaltet. Das Mikrobefehlsregister EOR hat einen Teil A₁ für hochstellige Adressenbits eines nächsten aus dem Speicher 10 herauszuholenden Mikrobefehlswortes, einen Teil A₉ für niedrigstellige Bits der nächsten Adresse und einen Teil OP für einen Elementaroperationscode.

Der Inhalt des Teils A₁ des Mikrobefehlsregisters EOR gelangt über Leitungen 24 zum entsprechenden Teil A₁ des Speicheradressenregisters MAR. Der Inhalt des Teils A₉ des Mikrobefehlsregisters gelangt über Leitungen 2 6 zu einem Schaltwerk 30 für die Mikrobefehlsdurchführung. Die niedrigstelligen Bits der nächsten Adresse,

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die im Schaltwerk modifiziert werden können, gelangen über Leitungen 26 zum Schaltwerk 30 und werden mit oder ohne Modifizierung über Leitungen 32 zum Teil A₀ des Speicheradressenregisters MAR übertragen. Ein Schaltwerk 34 für die Makrobefehlsdurchführung enthält Mittel für die Übertragung der Adresse eines eräien Mikrobefehlswortes über ein UND-Glied 36 zum Speicheradressenregister MAR. Die Schaltwerke 30 und 34 sind bekannte Einheiten, wie sie in mikro programmierten Rechenanlagen vorhanden sind, und brauchen daher hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

Jedes der 32 Elementaroperations- oder Mikrobefehlswörter in den Speicherzellen 12 enthält Nächstadressenteile A₁ und A₀ sowie einen Operationsteil OP, wie im Mikrobefehlsregister EÖR gezeigt. Bei dem hier erläuterten vereinfachten Ausführungsbeispiel enthält der Teil A₁ jedes Mikrobefehlswortes Platz für drei Binärbits, um damit jede beliebige der acht Wortspeicherzellen 1 bis 8 zu adressije ren. Der Teil A₀ jedes Mikrobefehlswortes hat Platz für zwei Binärbits, mit deren Hilfe der Decodierer 20 jedes beliebige der vier UND-Glieder A' bis D¹ auftasten kann. Der Operationsteil OP jedes Mikrobefehlswortes enthält so viele Bits, wie gebraucht werden, um vom Schaltwerk 30 durchzuführende Elementaroperationen zu bestimm—en.

Da jede der 32 Wortspeicherzellen 12 die Adresse des nächsten anzusteuernden Mikrobefehlswortes enthält, brauchen der Reihe nach anzusteuernde Mikrobefehlswörter nicht in sequentiellen oder nacheinander angeordneten Speicherzellen des Speichers 10 gespeichert zu sein, sondern sie können sich irgendwo im Speicher befinden. Jedoch sollte ein Mikrobefehlswort, das im Operationsteil eine bedingte Verzweigung aufweist, ein nächstes Mikrobefehlswort und dessen Alternativen so spezifizieren, daß sie sämtlich im selben Speicherwort (d.h. in der gleichen Wortspeicherzelle des Speichers 10) enthalten sind, so daß das sämtliche möglichen nächsten Mikrobefehle oder Elementaroperationen enthaltende Speicherwort angesteuert werden kann, während eine Bestimmung des nächsten Mikrobefehls erfolgt.

Im Betrieb hat das Schaltwerk 34 für die Makrobefehlsdurchführung zu einem Zeitpunkt t„ zunächst die Adresse einer ersten EIe-

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mentaroperation oder eines ersten Mikrobefehls über das UND-Glied 36 zum Speicheradressenregister MAR geschickt. Der Teil A₁ der Adresse durchläuft (bei Auftreten eines Impulses zum Zeitpunkt t+d) das UND-Glied lt. Folglich überträgt der Decodierer 14 das spezifizierte Speicherwort zum Speicherdatenregister MDR. Danach gelangt der Teil A„ der Adresse durch das UND-Glied l8 (bei Auftreten eines Impulses zum Zeitpunkt t+D) zum Decodierer 20, so daß ein gewähltes der UiiD-Glieder A' bis D' voraktiviert oder ansprechbereit gemacht wird. Das voraktivierte der UND-Glieder A' bis 0' überträgt eines der Mikrobefehlswörter A bis D (das durch den Teil A„ der Adresse spezifiziert worden ist) vom Speicherdatenregister MDR zum Mikrobefehlsregister EOR. Diese Übertragung erfolgt zum Zeitpunkt t, wenn ein Taktsignal über die Leitung 3 8 zu sämtlichen UND-Gliedern A¹ bis D' gelangt.

Das erste für die Durchführung eines Makrobefehls benötigte Mikrobefehlswrort befindet sich nunmehr zum Zeitpunkt t im Register EOR. Das Mikrobefehlswort enthält die Adresse des nächsten für die Durchführung des Makrobefehls benötigten Mikrobefehlswortes. Die hochstelligen Bits A₁ der nächsten Adresse werden unmittelbar über die Leitungen 24 zum Teil A₁ des Speicheradressenregisters MAR übertragen. Sodann gelangen nahezu sofort, zum Zeitpunkt t+d, die 'Bits durch das UND-Glied l6 zum Decodierer 14, um die Ansteuerung desjenigen Speicherwortes einzuleiten, das das gewünschte nächste Mikrobefehlswort enthält. Während der Zugriff zum Speicher erfolgt, führt das Schaltwerk 30 mit Hilfe des Operationsteils OP des Mikro befehlswortes im Register EOR die betreffende Elementaroperation durch.

Das System arbeitet zyklisch, wobei aufeinanderfolgende der oben erwähnten Taktimpulse t aufeinanderfolgende Zeitintervalle T festlegen. Während jedes Zeitintervalls T wird eine entsprechende aus einer Folge von Elementaroperationen durchgeführt. Jeder zum Zeitpunkt t+d auftretende der oben erwähnten Impulse ist um eine sehr kurze Zeitdauer d gegenüber dem entsprechenden Taktimpuls t verzögert. Die Verzögerung d ist auch sehr kurz gegenüber dem Zeitintervall T zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpulsen t.

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Jeder zum Zeitpunkt t+'s) auftretende der oben erwähnten Impulse ist um eine lange Dauer D gegenüber dem Taktimpuls T verzögert. Die Verzögerung D ist auch fast so lang wie das Zeitintervall T zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpulsen t.

Die erforderliche Zugriffszeit für die Einspeicherung: eines bestimmten Speicherwortes aus dem Speicher 10 in das Speicherdatenregister MDR ist ungefähr der Zeit vergleichbar, die für die Durchführung der durch den Operationscode OP spezifizierten Elementaroperation erforderlich ist. Der Speicherzugriff für das nächste Mikrobefehlsttfort erfolgt gleichzeitig mit der Durchführung der dem .jeweils im Register EOLl enthaltenen Operationscode entsprechenden Elementaroperation. Dieser Speicherzugriff erfolgt im Intervall zwischen t+d und t+D eines gegebenen Zeitintervalls T. Das nächste benötigte iiikrobefehlswort Jcann daher sehr schnell dem Mikrobefehlsregister angeliefert werden, ohne daß die für die Bewerkstel 1igung einer Speicherzugriffs erforderliche Zeit abgewartet werden muß.

Der Oper?.tionsteil OP eines Mikrobefehlswortes im Register LO.; enthält Information darüber, ob entweder die niedrigstelligen Adressenbits A₉ der nächsten Mikrobefehlsadresse direkt verwendet werden sollen oder ob die"niedrigstelliren Bits aufgrund von Prüfungen von riaschinenzustand.cn bei Beendigung der Durchführung der dem Operationsteil OP entsprechenden Elementaroperation geändert v/erden können. Wenn Änderungen notwendig sind, erfolgen sie im Schaltwerk 30 für die Mikrobefehlsdurchführung bis zum Zeitpunkt t+D im oben erwähnten gegebenen Zeitintervall T. Wie erinner lieh, liegt der Zeitpunkt t+D unmittelbar vor dem Zeitpunkt, wo ein nächster iiikrobefehl im Register EOR gebraucht wird. Zum Zeitpunkt t+ü (d.h. unmittelbar vor dem Zeitpunkt, wo das nächste iiikrobefehlswort gebraucht wird) werden die niedrigstelligen Adressenbits A„ (unverändert oder verändert) vom Schaltwerk 30 über die Leitungen 32 zum Teil A₉ des Registers MAIi und von dort über das

Ι.-ί zum Decodierer 20 reschickt. Diese A„-Bits bewirken die Übertragung (ir. der oben beschriebenen Weise) eines der vier vorfüfbaren Mikrobefehlswörter vom ^peicherdatenregister 1-T=J::- zum

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ORiGINAL

Mikrobefehlsregister EOR. Bei dem übertragenen Mikrobefehlswort handelt es sich entweder um den nächsten durch A₉-Bits im Register EOR spezifizierten Mikrobefehl oder um einen alternativen Mikrobefehl, der durch im Schaltwerk 30 veränderte A„-Bits spezifiziert ist. In beiden Fällen wird das nächste Wort oder dessen Alternative in das Register EOIi zum Zeitpunkt t+D desjenigen Zeitintervalle T Übertrafren, in dem im Schaltwerk 30 ein Mikrobefehl mit bedingter Verzweigung im Operationsteil OP durchgeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist dann das zweite Mikrobefehlswort im Mikrobefehlsregister EOIl amvesend. Das zweite Mikrobefehlswort wird in der bereits beschriebenen Weise behandelt (einschließlich des Vorgangs der Einleitung der Ansteuerung eines dritten Mikrobefehlswortes, das nach der Durchführung des zxveiten Mikrobefehls benötigt wird). Der beschriebene Vorgang des Herausholens und Durchführens der einzelnen Mikrobefehle wiederholt sich solange, bis sämtliche für die Durchführung des anfänglichen oder Makrobefehls erforderlichen Elementaroperationen oder Mikrobefehle durchgeführt sind. Das Schaltwerk 30 signalisiert dem Schaltwerk 34, daß der ursprüngliche Befehl durchgeführt ist. Daraufhin liefert das Schaltwerk 34 das erste Mikrobefehlswort eines nächstfolgenden Befehls (Makrobefehls) an das Speicheradressenregister MAR.

Das für die Durchführung jeder Elementaroperation bereitgestellte Zeitintervall ist kürzer als die bei bekannten Anordnungen erforderliche Zeit, da das nächste Speicherwort während des selben Zeitintervalls angesteuert wird, wo die Operation durchgeführt und ermittelt wird, welches Mikrobefehlswort im angesteuerten Speicherwort der als nächstes durchzuführenden Elementaroperation entspricht. Das für die Durchführung von Elementaroperationen mit bedingter Verzweigung bereitgestellte Zeitintervall kann das gleiche sein wie das Zeitintervall für die Durchführung von Elementaroperationen ohne Unsicherheit bezüglich der Adresse des nächsten Mikrobefehls. Das heißt, für sämtliche Elementaroperationen kann die gleiche kurze Zykluszeit veri^endet werden, was an sich ber'eits vorteilhaft, ist. Die erfindungsgemäß erzielbare prozentuale Einsparung bei der Durchführung eines Programms hängt vom Prozentsatz der Elementaroperationen mit bedingter Verzweigung im Programm ab.

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Da erfindungsgemäß nahezu 100 % der sonst für die Durchführung einer Elementaroperation mit bedingter Verzweigung erforderlichen Zeit eingespart werden können, wird eine sehr erhebliche Zeitersparnis von ungefähr 10 % erzielt, wenn 10 % der auftretenden Elementaroperationen oder Mikrobefehle solche mit bedingter Verzweigung sind.

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Claims (2)

1. - 10 Patentansprüche

   l) Ansteuersystem für einen Speicher, der eine Anzahl von Steuerwörtern mit je einem Operationscode und Speicheradressenbits des nächsten anzusteuernden Wortes speichert, mit einem die aus dem Speicher herausgeholten Steuerwörter empfangenden Steuerregister, einer Speicheransteueranordnung, die eine unter Steuerung durch Speicheradressenbits im Steuerregister ein nächstes Wort aus dem Speicher in ein Speicherdatenregister übertragende Adressieranordnung enthält, einer Übertragungsanordnung, die Wörter vom Speicherdatenregister zum Steuerregister überträgt, und einem Schaltwerk, das unter Steuerung durch den Operationscode des im Steuerregister anwesenden Wortes eine entsprechende Schaltoperation durchführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (10) so organisiert ist, daß er in jeder Speicherzelle (12) mehrere der Steuerwörter speichert; daß die Adressieranordnung (MAIl) während der Zeit, wo das Schaltwerk (30) arbeitet, sämtliche in einer gegebenen Speicherzelle gespeicherten Wörter ausliest; daß sämtliche aus einer gegebenen Speicherzelle aus—gelesenen Wörter vom Speicherdatenregister (MDR) empfangen werden; und daß die Adressieranordnung außerdem eine Anordnung enthält, die nach dem Arbeiten des Schaltwerkes vom Speicherdatenregister (MDR.) zum Steuerregister (EOR) lediglich dasjenige der Steuerwörter im Speicherdatenregister überträgt, das durch die Adressenbits des Wortes im Steuerregister bezeichnet ist.
2. 2. Ansteuersystem nach Anspruch 1, bei dem die im Speicher gespeicherten Wörter Elementaroperationswörter, die der Reihe nach zur direkten Durchführung von Befehlen im System anzusteuern sind, sind und jedes Elementaroperationswort, das einen OpersfcLonscode für eine bedingte Verzweigung enthält, außerdem Information, die ein alternatives, in Abhängigkeit von einem jeweils im System herrschen, den Zustand zu verwendendes Elementaroperationswort kennzeichnet, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltwerk eine Anordnung enthält, die soivohl auf einen vom Steuerregister empfangenen Operationscode für eine bedingte Verzweigung»

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   als auch auf einen Zustand im System anspricht und zur Adressieranordnung entweder die für die Bezeichnung des nächsten Elementaroperationswortes verwendeten Adressenbits im Steuerregister oder die entsprechend der Information vom Elementaroperationswort im Steuerregister für die Wahl eines alternativen nächsten Elementar-Operationswortes modifizierten Adressenbits überträgt; daß jedes zu einem gegebenen Elementaroperationswort alternative Elementaroperationswort in der für die Speicherung des gegebenen Elementaroperationswortes verwendeten Speicherzelle gespeichert ist, derart, daß ,jedes Elementaroperationswort und seine Alternativen durch einen einzigen Arbeitsvorgang der Speicheransteueranordnung angesteuert werden; und daß das Schaltwerk entsprechend dem Zustand des Systems der weiteren Adressieranordnung entweder Adressenbits vom Steuerregister oder im Schaltwerk modifizierte Adressenbits zuleitet, derart, daß, wenn das Schaltwerk seine Operation entsprechend dem Operationscode für bedingte Verzweigung eines EIementaroperationswortes, das sich gerade im Steuerregister befindet, beendet hat, ein nächstes Elementaroperationswort oder dessen Alter_ native vom Speicherdatenregister zum Steuerregister übertragen werden kann.

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