DE1167569B - Programmgesteuerte digitale Rechenmaschine - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G06f

Deutsche Kl.: 42 m-14

? at. BI. ν* \11

Nummer: 1 167 569

Aktenzeichen: Z 8459 IX c / 42 m

Anmeldetag: 28. Dezember 1960

Auslegetag: 9. April 1964

Die Erfindung betrifft eine programmgesteuerte digitale Rechenmaschine mit einem Befehlswerk, welches ein Steuerregister, ein Abrufregister und ein Befehlsregister enthält und bei dem die Befehle je nach Bedarf vom Speicher oder vom Abrufregister in das Befehlsregister geholt und von diesem parallel in das Steuerregister übernommen werden und bei dem weiterhin bei Übernahme eines neuen Befehls der bisherige Inhalt des Befehlsregisters um Eins erhöht in das Abrufregister übergeführt wird. Derartige be- ίο kannte Rechenmaschinen sind bisher so ausgebildet gewesen, daß sie im sogenannten Zweitaktverfahren arbeiteten, d. h., daß jeweils eine Ausführungsphase mit einer Abrufphase abwechselte. In der Abrufphase wird ein neuer Operationsbefehl abgerufen und dem Befehlsregister zugeführt, während in der Ausführungsphase im allgemeinen dieser Befehl im Rechenwerk ausgeführt wird. Dabei wird also das Rechenwerk während der Abrufphase nicht ausgenutzt.

Programmgesteuerte Zweitaktrechenanordnungen mittlerer Geschwindigkeit arbeiten gewöhnlich im Serien- oder Serienparallelverfahren. Der Aufwand für die Elektronik in den Rechen- und Speicherwerken sowie auf den Transportwegen wird hierdurch in Grenzen gehalten. Der Serien- oder Serienparallelbetrieb erlaubt nämlich die Verwendung von Trommelspeichern, die in solchen Rechnern für Zahlen und Befehle als Hauptspeicher dienen. Meist ist jedoch mindestens ein zusätzlicher Pufferspeicher geringerer Kapazität für bereitzustellende Operanden oder spezielle Unterprogramme vorgesehen.

Da die Speicher einen wesentlichen Kostenanteil der Rechenanordnung bilden, müssen sie optimal ausgenutzt werden. Zwar bietet sich in der Verwendung eines großen Trommelspeichers als Hauptspeicher in Verbindung mit einem kleinen zusätzlichen Kernspeicher die Möglichkeit, die Kosten weitgehend zu senken, es ist andererseits für den organisatorischen Ablauf der Rechenoperation auch zweckmäßig, Zahlen und Befehle in ein und demselben Speicher unterzubringen, d. h. auch den zusätzlichen Speicher größer auszubilden, da das Verhältnis des benötigten Speicherraumes für Zahlen und Befehle sehr von der Aufgabenstellung abhängt. Die Befehle werden bei einem gemeinsamen Speicher abwechselnd mit den Operanden aus dem Speicher entnommen: entsprechend dem Zweitaktverfahren wird während einer ersten Wortzeit ein Befehl aus dem Speicher dem Befehlswerk zugeführt (im folgenden Ε-Zeit genannt); während einer darauffolgenden zweiten Wortzeit werden in Ausführung dieses Befehls eine Zahl dem Operationswerk zugeführt bzw. ein daraus resul-Programmgesteuerte digitale Rechenmaschine

Anmelder: '

Zuse K. G., Bad Hersfeld, Wehneberger Str. 4

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Lorenz Hanewinkel, Wiesloch

tierendes Ergebnis gespeichert (im folgenden A-Zeit genannt). Dazu sind im Befehlswerk Adressenzähler und Abrufregister bekannter Ausführung vorgesehen, in denen die während der Ε-Zeit in einem Befehlsregister stehende Adresse um Eins erhöht und für den nächsten Befehlsvorgang bereitgestellt wird. Durch diesen Zyklus ist die Ablaufgeschwindigkeit einer solchen Zweitaktrechenanlage begrenzt.

Durch die Erfindung soll die Übernahme eines neuen Befehls aus dem Speicher in geeigneten Fällen bereits während der Ausführung einer Rechenoperation, welche dem vorangegangenen Befehl entspricht, ermöglicht werden, und zwar dadurch, daß gesteuerte Stromtore vorgesehen sind, welche den im Steuerregister stehenden, zur gerade ablaufenden Operation gehörigen Adressenteil mit dem entsprechenden, im Abrufregister stehenden Adressenteil vorübergehend auszutauschen gestatten, und daß bereits in der Zeit, in der dieser Adressenteil sich im Abrufregister befindet, ein nächster Befehl aus dem Speicher über ein Gatter dem Befehlsregister zugeführt wird.

Es sind zwar schon Rechenmaschinen bekanntgeworden, bei denen ein Austausch von Befehlen und Adressen zwischen einem Haupt- und einem Hilfsspeicher durchgeführt werden kann. Diese Maßnahme dient jedoch nicht dazu, eine normalerweise im Zweitaktverfahren arbeitende Rechenmaschine für bestimmte Befehlsfolgen im Eintaktverfahren zu betreiben wie bei der Erfindung.

Der Gegenstand der Erfindung und zwei Ausführungsbeispiele desselben seien an Hand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert, wobei gleiche Schaltungselemente und Baugruppen zur Wahrung einer besseren Übersichtlichkeit gleich bezeichnet werden. Zur Vereinfachung der Darstellung wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel mit nur einem Speicher (Parallelspeicher) erläutert. Im Prinzip sollen jedoch auch andere Rechner, insbesondere mit einem weiteren als Hauptspeicher betriebenen Trommelspeicher,

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wie dies aus dem zweiten Ausführungsbeispiel hervorgeht, mit eingeschlossen sein. Es zeigt

F i g. 1 eine programmgesteuerte Rechenanordnung, in der die vom Steuerwerk gemäß der Erfindung gesteuerten Transportwege durch stark ausgezogene Linien markiert sind;

F i g. 2 ein Zeitschema zur Erläuterung des Zeitablaufes von Befehls- und Operationsvorgängen in der Rechenanordnung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein genaues Zeitschema zur Erläuterung der nach Fig. 2b in die Zeiten Z₁ bis Z₃ aufgeteilten Operationszeit TA;

F i g. 4 eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der in Fig. 1 markierten Transportwege;

F i g. 5 eine programmgesteuerte Rechenanordnung gemäß der Erfindung mit getrennten Speichern, insbesondere Trommelspeicher mit Kernspeicher.

Im einzelnen sei die Erfindung an dem speziellen, im Serienverfahren arbeitenden Zweitaktrechner nach Fig. 1 erläutert. Es handelt sich dabei um einen Rechner mit einem Parallelspeicher KS mit einem Flip-Flop-Pufferregister PR zur Serienparallelwandlung. Der Speicher KS ist über einen Adressenwähler W₁ und den zugehörigen Adressen-Steuer-Flip-Flop ADR im Steuerregister r erreichbar. Der Befehlsteil OP im Steuerregister r besteht ebenfalls aus Flip-Flops, die die Tore in die Transportwege der einzelnen Speicher und zum Rechenwerk R W oder Befehlswerk steuern. Da ein Befehl vom Steuerregister parallel wirken muß, dient das Befehlsregister b zur Serienparallelwandlung von Befehlen, die in Serie dem Speicher entnommen werden (Weg El). Jeweils zwischen zwei Wortzeiten erfolgt parallel die Übernahme des neuen Befehls vom Befehlsregister b ins Steuerregister r. Dieser automatische Transport ist im folgenden Text nicht jedesmal einzeln erwähnt. Nur im Falle der Anwendung des erfindungsgemäßen Steuerwerkes dient das Befehlsregister als paralleler Puffer.

Im Steuerwerk sind die gemäß der Erfindung hinzukommenden Wege durch stärkere Strichführung besonders hervorgehoben. Sie bestehen aus einem Parallel-Hin- und -Rückweg vom Speicher KS über ein Gatter A₅ in das Befehlsregister b sowie aus je einem Serien-Hin- und -Rückweg vom Steuerregister r in das Abrufregister r über zwei Gatter A₃ und A_i und einem Adressenaddierwerk Ad.,.

Der gesamte Rechenablauf wird durch entsprechende Betätigung der mit A, E, K, R bezeichneten Gatter in einer nachstehend noch näher zu erläuternden Weise gesteuert.

Zum besseren Verständnis der gesamten Anordnung sei vorerst noch auf die Wirkungsweise des an sich bekannten Befehlswerkes c, b, r näher eingegangen und in diesem Zusammenhang bereits auf die F i g. 2 hingewiesen. Wie schon vorstehend erwähnt, besteht das Befehlswerk nach F i g. 1 aus den Registern c, b, r, die im einzelnen ein Abrufregister c, ein Befehlsregister b und ein Steuerregister r darstellen; zum Ganzen gehört noch ein Adressenaddierwerk Ad₁. Das Befehlswerk arbeitet nun in der Weise, daß Befehle und zugehörige Adressen beim Zweitaktablauf entweder aus dem Speicher oder aus dem Abrufregister c in das Befehlsregister b gelangen können, um von dort in das Steuerregister r parallel übertragen zu werden. (Jeder Befehl besteht aus einem Adressenteil ADR und einem Operationsteil OP). Wie die F i g. 2 a zeigt, ist der gesamte Rechenvorgang an den »E«- und »A«-Rhythmus (Zweitakt) von je einer Wortzeitlänge gebunden. Es sei nun angenommen, die drei Register c, b, r stehen leer, und während einer ersten »E«-Zeit (Befehlszeit TE) kommt aus dem Speichert über die entsprechend geöffneten Gatter K₁ und E₁ ein vollständiger Befehl in das Befehlsregister b, um dort zu Beginn der darauffolgenden »A«-Zeit (Operationszeit TA) parallel in das Steuerregister r übertragen zu werden. Durch den nächsten Befehlstransport aus dem Speicher wird der im Befehlsregister b stehende vollständige Befehl nunmehr über das Adressenaddierwerk und das Gatter E₂ in das Abrufregister c geschoben, um dort (um Eins erhöht) für einen nächsten Befehlsablauf »auf Abruf« bereitzustehen.

An Hand eines kurzen Beispiels zur Durchführung einer Addition der Zahlen χ und y sei der lineare Befehlsablauf, wie er ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Steuerwerkes abläuft, beschrieben. Die Zahl in den runden Klammern gibt jeweils den Schritt an, während die Zahl in eckigen Klammern die zugehörigen Operanden darstellt.

(1) EK_S (Hole Befehl aus Speicherzelle s)
(3) EK_S + 1
(5) EK_S + 2
(7) EK_S + 3

(10) En + 1
(12) En+ 2 usw.

(2) Ax Addiere (x)
(4) Ay Addiere (y)
(6) t/2 Bringe Ergebnis nach ζ

(8) En Sprung auf Speicherzelle η

(9) BKa Hole Kernspeicher (a)
(11) Ab Addiere (b)

Der obige Befehlsablauf sei im einzelnen durch genaue Transportangaben erläutert. Die Symbole über dem Transportpfeil geben die passierten Tore an.

(1) (S) ^PRi^Kv.^EU b

(Regeneration)

_{b) 4

Adressenerhöhung in +1 Addierwerk

(2) [X₁

5	> RW	1	1	67	569	nach (1)	6
PR, K1, A1	> b				Regeneration	um Eins
				Rückkehr des Rufbefehls
A2		in der Adresse erhöhten

(6) [RW)

(9) (aj

(C)

R,	K,	PR
	A2
PR,
	A2

RW; b

[a) Regeneration nach (1)

Die bisherigen Befehlsabläufe vom Speicher KS benötigen nach F i g. 2 a grundsätzlich je eine Wortzeit für Befehlstransport und Operation. Im folgenden sei nun unter Einschaltung des erfindungsgemäßen Steuerwerkes die Fortsetzung des Befehlsablaufes in Form eines Sprungbefehls auf eine nicht benachbarte Speicherzelle gezeigt. Als Beispiel dient die Addition der Zahlen u + v, die innerhalb eines bestimmten Programms wiederholt durchzuführen sei.

(13) EKss (Holbefehl aus Kernspeicherzelle ss)

(15) EKss + 1

(16) EKss + 2

(14) AKu Addiere Kernspeicher («)

(15) AKv Addiere Kernspeicher (v)
(17) EKr Sprung auf Kernspeicherzelle r

PR, K₁, E₁

(13) (ss)

[SS)

EKss +1 —

[U)

(14) [U) Gleichzeitig Sonderkreislauf (s. auch Fig. 2b):

PR, K₁, Tt, K, PR

Ad₁, E₂ PR, K_x, A₁

ss

(Serienbefehlstransport aus Kernspeicher

fehlsregister)

Regeneration des Befehls im Kernspeicher

RW Operandenzuführung

PR Regeneration (u) zum Puffer

u if)

ss+1 (c)

[ss + 1) ■

M(C)

(ss + 1) + 1 (r)

A₁

Ad₂, A₃

ADR (c) 1

ϊ Adressenaustausch
ADR (r) J gemäß Impulsfolgen nach Fig. 3

[ss + 1) Parallele Befehlsübernahme und Regeneration
gemäß Impulsfolge ο nach Fig. 3

ADR (r) 1

f Adressenaddition und Rückaustausch
ADR (c) J gemäß Impulsfolge ρ und r nach F i g. 3

am Ende der Wortzeit

(PR) -

(17) (r)

(0

EKr+ 1

PR, K₁, E₁

PR,K_VR~,K,PR

Ad₁, E₂ *"

u Regeneration (u) zum Speicher

b Sprung auf (r)

r Regeneration (r)

F i g. 4 zeigt das Schema einer geeigneten Schaltung und Fig. 2a eine Impulsfolge T₁ und T₂ zur Steuerung der Tore A_v A_i und A₅. Mit Takt T₂ wird über EK (Sprung auf Kernzelle) das Flip-Flop FF₁ in Stellung L gebracht. Dieses bringt über Tor A bei 5 Ausführung des arithmetischen Befehls, den der Sprungbefehl holte, das Flip-Flop FF₂ in Stellung L. Dieses gestattet die erfindungsgemäße Befehlsübernahme in der gleichen Wortzeit. Ein Sprungbefehl, der den linearen Befehlsablauf unterbricht, setzt mit Takt T₁ über Tor E beide Flip-Flops in Stellung 0 zurück. Erfolgt der Sprung auf eine andere Kernspeicherzelle, so wird gleich anschließend mit Takt T₂ über EK Flip-Flop Ff₁ wieder vorbereitend gesetzt.

Die Verwendung des Steuerwerkes gemäß der Erfindung ermöglicht also eine verdoppelte Befehlsfrequenz. Der Aufwand ist dabei verhältnismäßig gering: einige Tore und ein Halbaddierwerk, Leseverstärker und Treiber des Kernspeichers können für Befehlsregister und Pufferregister gemeinsam sein, sie müssen nur durch Tore umgesteuert werden. Takte, die zur Steuerung erforderlich sind, lassen sich ohne Schwierigkeiten aus der stets vorhandenen Taktzentrale ableiten.

Die F i g. 5 zeigt eine programmgesteuerte Rechenanordnung und Steuerwerk gemäß der Erfindung mit getrennten Speichern, insbesondere Trommelspeicher mit Kernspeicher. Dazu ist die Trommel Ti? und eine zugehörige Wahlpyramide JF₂ vorgesehen, die vom Befehlswerk durch einen zweiten Adressenteil ADR₉ angesteuert wird, sowie zwei zusätzliche Gatter Tl und X₁; letztere stellen jedoch lediglich die Komplemente zu den bereits vorhandenen Gattern K und K₁ dar.

Auf die Trommel selbst wirkt das erfindungsgemäße Steuerwerk nicht ein, und es erübrigt sich eine nähere Beschreibung eines Befehlsablaufes aus dem Trommelspeicher; ein solcher verläuft analog zu dem Schritten (1) bis (8) am Kernspeicher KS gezeigten Befehlsablauf, wenn die dort verwendeten Bezeichnungen und Wege sinngemäß vertauscht bzw. ergänzt werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Programmgesteuerte digitale Rechenmaschine mit einem Befehlswerk, welches ein Steuerregister (r), ein Abruf register (c) und ein Befehlsregister (b) enthält und bei dem die Befehle je nach Bedarf vom Speicher (KS) oder vom Abruf register (c) in das Befehlsregister (b) geholt und von diesem parallel in das Steuerregister (r) übernommen werden und bei dem weiterhin bei Übernahme eines neuen Befehls der bisherige Inhalt des Befehlsregisters (b) um Eins erhöht in das Abrufregister (c) übergeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermöglichung der Übernahme eines neuen Befehls aus dem Speicher während der Ausführung einer Rechenoperation gesteuerte Stromtore (A₃, A_t) vorgesehen sind, welche den im Steuerregister (r) stehenden, zur gerade ablaufenden Operation gehörigen Adressenteil mit dem entsprechenden, im Abrufregister (c) stehenden Adressenteil vorübergehend auszutauschen gestatten und daß bereits in der Zeit, in der dieser Adressenteil sich im Abrufregister befindet, ein nächster Befehl aus dem Speicher (KS) über ein Gatter (A₅) dem Befehlsregister zugeführt wird.

2. Rechenmachine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus dem Speicher (KS) in das Befehlsregister (b) parallel übernommener Befehl im Speicher regeneriert wird (R, K, PR in Fig. 1).

3. Rechenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speicherung von Zahlen und Befehlen neben dem als Parallelspeicher ausgebildeten Speicher (KS) noch ein Magnettrommelspeicher vorgesehen ist (Fig. 5).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 975 265.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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