DE2419837B2 - Schaltungsanordnung zur adressierung eines mikroprogramms in datenverarbeitungseinrichtungen und verfahren zur durchfuehrung von sprungbefehlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Adressierung eines Mikroprogramms in Datenverarbeitungseinrichtungen durch mittels eines Befehlsadreßregisters schrittweise gesteuertes Auslesen von Befehlswerten aus einem Befehlsspeicher und Auswertung der Befehlsworte hinsichtlich im Rahmen des Mikroprogramms durchzuführender Programmroutinen, wobei Befehlsworte mit junktionell voneinander unabhängigen individuellen Funkiionsgruppen verwendet werden und dem Befehhspeicher ein Befehlsregister mit entsprechend der Zahl der Funktiongruppen aufgeteilten Registerabschnitten und Abschnittsausgängen nachgeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren, nach dem mit dieser Schaltungsanordnung Sprungbefehle durchgeführt werden können.

In Datenverarbeitungseinrichtungen werden allgemein Daten aus Quellregistern entnommen und vorgegebenen Operationen unterzogen. Die Ergebnisse dieser Operationen werden dann in Zielregister wieder eingespeichert. Im Rahmen einer Operationssteuerung werden Programmsteuerungsvorgänge abgewickelt, die auch als Befehlsschleife bezeichnet werden. Hierbei werden laufend Befehle aus einem Befehlsspeicher auseelesen und ausgeführt. Die Folge der in dem Befehlsspeicher enthaltenen Befehle ist durch das jeweils in eine Datenverarbeitungseinnchtung eingegebene Programm bestimmt

Die Druchführung einer Befehlsschleife kann nun noch in einzelne Schritte unterteilt werden, die auch als Mikrobefehle bezeichnet werden. Diese Folge von Mikrobefehlen ist für die Ausführung eines bestimmten Befehls fest vorgegeben. Sie wird durch das sogenannte Mikroprogramm gebildet, das bei der Konstruktion einer Datenverarbeitungseinrichtung für jeden Befehl festgelegt ist

Die in dem Befehlsspeicher enthaltenen Befehle sind in Form von Befehlsworten gespeichert, die aus Datenbits gebildet sind und eine Aneinanderreihung mehrerer Bitgruppen darstellen. Diese dienen zur Kennzeichnung untercchiedlicher Funktionen, und zwar beispielsweise der jeweils durchzuführenden Operation, der Adresse eines Quellregisters, der Adresse des Zielregisters und einer Kondition bzw. Bedingung, von der abhängig die jeweilige Operation durchzuführen ist. Die Adresse des Quellregisters und die Adresse des Zielregisters können zusätzlich noch ein Kennzeichen für eine sogenannte Erzeugungsvorschrift für die Adresse enthalten, die angibt, ob die Adresse direkt anzusteuern ist oder ob beispielsweise zunächst ein Register aufzusuchen ist, aus dem dann eine Adresse entnommen werden muß.

Die für die Kennzeichnung der durchzuführenden Operation vorgesehene Bitgruppe eines Befehlswortes kann gemäß bisheriger Verfahrensweise auch sogenannte Programmsprünge angeben. Dabei wird beim Auslesen eines entsprechenden Befehls aus dem Befehhspeicher von der durch das Programm vorgegebenen Befehlsreihenfolge abgegangen und eine Anzahl nachfolgender Befehle übersprungen, so daß das Programm nach diesem sogenannten Sprungbefehl an einer durch diesen Sprung bestimmten Stelle fortgesetzt wird.

Die Adressierung eines Mikroprogramms durch einen jeweiligen Befehl wird nun so durchgeführt, daß das jeweilige Befehlswort aus dem Befehlsspeicher in ein Befehlsregister ausgelesen wird und aus dem Befehlsregister auf einen Decodierer geführt wird. In dem Decodierer werden die einzelnen Bitgruppen des Befehlswortes ausgewertet, so daß also beispielsweise Angaben über die jeweilige Operation, eine Kondition sowie die Registeradressen erhalten werden. Mit diesen Angaben ist es dann möglich, die jeweilige Funktion durch das Leitwerk einer Datenverarbeitungseinrichtung durchführen zu lassen, wozu diesem entsprechende Steuerbefehle zugeführt werden.

Das Befehlssystem einer Datenverarbeitungseinrichtung setzt nun dem Aufwand an Speicherkapazität, Operationszeit und Vielseitigkeit durchzuführender Funktionen gewisse Grenzen. Es wird deshalb angestrebt, mit möglichst kurzen Befehlsworten eine möglichst vielseitige Funktionsmöglichkeit einer Datenverarbeitungseinrichtung zu verwirklichen. Somit ist also ein Optimum in dem Verhältnis zwischen Anzahl der Bits eines Befehlswortes und dem Aufwand für die Befehlsauswertung anzustreben. Das hierzu bisher verfolgte Prinzip sieht gewisse funktioneile Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Bitgruppen eines Befehlswortes vor. Solche Abhängigkeiten haben den Zweck, den Vorrat an verfügbaren unterschiedlichen Befehlen zu erweitern, ohne aber dabei eine unzweckmäßig große Länge der Befehlsworte zu benötigen. Der Nachteil besteht darin, daß der Aufwand für die

Decodierung solcher Befehlsworte relativ hoch ist, denn es müssen nicht nur die einzelnen Bitgruppen ausgewertet werden, sondern auch ihre Abhängigkeiten untereinander, um die dadurch vorgegebenen Funktionsänderungen sicher festzustellen. Die gegenseitige Abhängigkeit einzelner Bitgruppen der Befehlsworte kann auch dazu verwendet werden, die funktionell Bedeutung der einzelnen Gruppen nicht nur zu kondition.eren, sondern völiig zu ändern. Dadurch wird aber eine weitere Aufwandserhöhung für die Decodierung der Befehlsworte getrieben.

Mit diesem bekannten Prinzip der Begrenzung der Befehlswortlänge ist aber auch ein erhöhter Aufwand für das Mikroprogramm verbunden, denn die in. ihm enthaltenen, innerhalb einer Programmroutine durchzuführenden Einzelschritte müssen naturgemäß abhängig von dem durch die Decodierung jeweils erhaltenen laisächlichen Befehlsaufbau in den dadurch vorgegebenen Möglichkeiten entsprechenden Zahlen vorhanden sein.

Es zeigt sich daraus, daß der Aufwand für die Ansteuerung von Mikroprogrammen nach den bisher bekannten Prinzipien entweder auf den Bereich der Speicherung des Mikroprogramms oder aber auf den Bereich der Speicherung der Befehlsworte konzentriert wird, denn es können entweder lange Befehlsworte ohne eine gegenseitige funktionelle Abhängigkeit ihrer Funktionsgruppen verwendet werden, wodurch der Speicheraufwand für die Befehlsspeichcrung erhöht wird, oder es werden die beschriebenen kürzeren Befehlsworte verwendet, wodurch der Aufwand für die Speicherung der Mikroprogramme erhöht wird. In jedem Falle ist aber eine Erhöhung der Anzahl möglicher Programmroutinen nicht gegeben, denn einerseits entstehen mehr Befehle, jedoch weniger Mikroprogrammroutinen, andererseits weniger Befehle, jedoch mehr Mikroprogrammroutinen, so daü diese Möglichkeiten der Modifikation der verwendeten Befehlsstruktur an sich unbefriedigende Lösungen darstellen.

Durch das Buch »Digitale Rechenanlagen« von Speiser, 2. Aufl. 1965, Springer-Verlag, Seiten 240. 241. 260, 261 ist es bekannt, bei der Operationensteuerung in digitalen Rechenanlagen Befehlsworte mit funktionell voneinander unabhängigen individuellen Funktionsgruppen zu verwenden, wobei davon auszugehen ist, daß einem diese Befehlsworte enthaltenden Befehlsspeicher auch ein entsprechend aufgeteiltes Befehlsregister nachgeordnet ist.

Die Aufgabe der Erfindung Desteht darin, unter Ausnutzung dieses bekannten Prinzips zu einer Schaltungsanordnung zu gelangen, mit der es möglich ist, sowohl den Aufwand für die Befehlsspeicherung als auch den Aufwand für das Mikroprogramm herabzusetzen, dabei jedoch mindestens die bisher mögliche Zahl von Programmroutinen zu erreichen.

Diese Aufgabe wird für eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abschnittsausgänge auf einen Multiplexer geführt sind, dessen Multiplexausgang einen ".'eil einer in ein Mikroadreßregister einzugebenden Mikroadresse liefert, wobei der Multiplexer durch Steuersignale Verknüpfungslogik gesteuert wird, welche durch Blockadressen des Mikroprogramms und Statussignale der Datenverarbeitungseinrichtung angesteuert wird.

Mit dieser Schaltungsanordnung ist es möglich, bei Verwendung kurzer Befehlsworte, deren Länge nur durch die GrundoDeration und die Konditions- sowie die Adressenangaben für Quellregister und Zielregister bestimmt ist, eine ordnungsgemäße Ansteuerung von Mikroprogrammen bei einem Aufwand für den Befehlsspeicher und für den Mikroprogrammspeicher zu gewährleisten, der jeweils dem verringerten Aufwand der beiden zuvor beschriebenen bekannten Prinzipien entspricht

Durch Veröffentlichungen in »Elektronische Rundschau« Nr. 10, 1955, Seiten 349 bis 453 und in »Elektronische Rechenanlagen«, Heft 3, 1960, Seiten 123 bis 128 werden Mikroprogrammsteuerungen ihrem Grundprinzip nach beschrieben. Hierbei ist zwar die Einwirkung von Bedingungen und Adressen auf die Mikroprogrammsteuerung beschrieben, jedoch können diese Maßnahmen keine Anregung dazu geben, in einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung den Multiplexer in der angegebenen Weise zu steuern.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips hingegen erreicht m.in eine in jedem Zustand vollkommen homogene Befehlsstruktur, bei der in neuartiger Weise die die jeweilige Operation angebende Bitgruppe des Befehlswortes sehr hoch ausgenutzt wird, der Aufwand für das Mikroprogramm aber gering bleibt. Die einzelnen Bitgruppen des Befehlswortes können immer hinsichtlich dessen, was durch sie gekennzeichnet wird, dieselbe Bedeutung haben. Diese Bedeutung ändert sich nicht abhängig von anderen Bitgruppen, so daß dann die Auswertung der Befehlsworte einen geringeren Aufwand als bei Vorhandensein einer derartigen Abhängigkeit verursacht.

Demgemäß kann die Schaltungsanordnung derart weiter ausgebildet sein, daß fünf Registerabschnitte des Befehlsregisters für Befehlsabschnitte vorgesehen sind, die eine Operation, eine Kondition, eine Quellregisteradresse, eine Zielregisteradresse und eine Adre^senbildungsvorschrift kennzeichnen.

Gleichzeitig wird es dadurch aber möglich, alle erforderlichen bzw. gewünschten Kombinationen von Bitgruppen zu Befehlsworten zu kombinieren. Außerdem wird eine besondere Kennzeichnung von Sprungbefehlen in dem Operationsteil des Befehlswortes überflüssig, da die Sprungbefehle du'ch eine besondere Zieladresse gekennzeichnet werden können.

Hierzu ist ein Verfahren zur Durchführung von Sprungbefehlen mit einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung vorteilhaft derart ausgebildet, daß der der Zielrcgisteradresse zugeordnete Befchlsabschnitt für die Adressierung des Befehlsadreßregisters verwendet wird und daß eine durch eine Operation, einen Quellregisterinhalt, eine Kondition und eine Adressenbildungsvorschrift sowie durch den Zielregisterinhalt gebildete Sprungadresse in das Befehlsadreßregister eingespeichert wird.

Enthält der Teil des Befehlswortes, der die Zieladresse angibt, also die Adresse des Befehlsadreßregisters, so werden bei Auslesung eines entsprechenden Sprungbefehls aus dem Befehlsspeicher in das Befehlsregister und Auswertung dieses Befehls durch die Decodierung Daten einem Queliregister entnommen und in das Befchlsadreßregister eingespeichert. Die Bitgruppe des Sprungbefehlswortes, die die Operation kennzeichnet, enthält dann eine Information darüber, wie groß der Sprung im Programmablauf ist, d. h. bis zu welchem Befehl der Programmfolge der Befehlszähler springen muß, um dann einen Befehl zu erreichen, der mit den aus dem Quellregister ausgelesenen Daten durchzuführen ist.

Dadurch wird bereits ersichtlich, daß ein wesentlicher

Teil des bisherigen Aufwandes für die Kennzeichnung von Befehlen von der die Operation kennzeichnenden Bitgruppe eines Befehlswortes auf die Auswertung des Befehlswortes verlegt sit.

Durch den Wegfall einer gegenseitigen funktioneilen Abhängigkeit der einzelnen Bitgruppen der Befehlsworte entsteht natürlich zunächst der Eindruck, daß weniger unterschiedliche Befehle zur Verfugung gestellt werden können. Tatsächlich ist aber zu berücksichtigen, daß bei diesem Prinzip alle Befehle ohne eine Ausnahme auch konditioniert werden können. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß sogenannte Verzweigungsbefehle bzw. konditionierte Sprungbefehle eingespart werden können und somit in vielen Fällen kürzere Befehlsschleifen zur Durchführung kleinerer, jedoch öfter zu durchlaufender Programmroutinen ausreichen. Damit ist natürlich ein geringerer Aufwand für die Befehlsspeicherung verbunden. Gleichzeitig ergibt sich aber auch durch das Einsparen von Befehlen eine kürzere Verarbeitungszeit für die einzelnen Programmabläufe.

Ferner ist zu berücksichtigen, daß durch die Möglichkeit der Bildung beliebiger Kombinationen von Bitgruppen und durch den Wegfall der Kennzeichnung von Sprungbefehlen durch einen besonderen Operationscode alle Befehle direkt gebildet werden können, die zur Durchführung eines Programms erforderlich sind. Zusätzlich können solche Befehle dann noch als Sprung- bzw. Unterprogrammsprungbefehie gekennzeichnet werden, so daß gegenüber bisherigen Verfahren eine sehr hohe Anzahl von Befehlen verfügbar ist. die eine entsprechende Anzahl unterschiedlicher Funktionen veranlassen. Dadurch ist wiederum zu erkennen, daß auch komplizierte Programme schneller und mit weniger Speicheraufwand durchzuführen sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Figur beschrieben, die in Blockdarstellung das Prinzip der Verfahrensdurchführung darstellt.

In der Figur ist eine Übersicht des Ablaufs der Ansteuerung eines Mikroprogramms dargestellt, die von einem Befehlsspeicher zu einem Mikroprogrammspeicher erfolgt. Der Befehlsspeicher 10 enthält fest gespeicherte Befehlsworte, deren Aufeinanderfolge bzw. Reihenfolge ihrer Auslesung durch das Programm vorgegeben ist, das in eine Datenverarbeitungseinrichtung eingegeben ist. Dem Befehlsspeicher 10 ist ein Befehlsadreßregister 11 zugeordnet, das die einzelnen Speicherstellen des Befehlsspeichers 10 fortlaufend durch Änderung des in ihm vorhandenen Speicherinhalts ansteuert und eine Auslesung des dort jeweils eingespeicherten Befehlswortes an dem Ausgang 12 des Befehlsspeichers 10 bewirkt Vom Ausgang 12 aus wird das jeweilige Befehlswort in ein Befehlsregister 13 eingegeben. Die Ausgänge dieses Befehlsregisters 13 sind fortlaufend mit A, B, C, D, E bezeichnet und ermöglichen eine Ausspeicherung der Informationen der einzelnen Bitgruppen aus dem Befehlsregister. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dies dür jeden Ausgang A bis E über eine Dreifachleitung, so daß also jeweils drei Bits eine Bitgruppe ausmachen. Die Länge des aus Speicherzellen gebildeten Befehlsregisters 13 entspricht somit der jeweiligen Befehlswortlänge.

Aus dem Befehlsregister 13 werden Informationen ausgespeichert, die am Ausgang A beispielsweise die durchzuführende Operation, am Ausgang B eine Kondition, am Ausgang Ceine Quellregisteradresse, am Ausgang D eine Zielregisteradresse und am Ausgang E eine Adressenbildungsvorschrift (z. B. direkt oder indirekt) kennzeichnen. Diese Informationen werden auf einen Multiplexer J4 geführt, der im wesentlichen ein Schaltwerk darstellt, mit dem die Ausgänge A bis E des Befehlsregisters 10 abgeslastet werden. Ihre Informationen von jeweils 3 Bits werden also nacheinander über diesen Multiplexer 14 und ein durch Taktsignal 24 aufsteuerbares UND-Glied 25 einem Mikroadreßregister 15 zugeführt, mit dem wiederum ein Mikroprogrammspeicher 16 angesteuert wird, in dem

ίο einzelne Mikroprogrammroutinen eingespeichert sind. Je nach der im vorliegenden Fall 8 Bits langen Mikroadresse. die durch eine noch zu beschreibende 5 Bits lange Blockadresse von einer Verknüpfungslogik 20 her ergänzt wird, wird eine dieser Mikroprogrammroutinen angesteuert und bewirkt in einem Mikrodatenregister 17, das dem Mikroprogrammspeicher 16 nachgeschaltet ist, die Ausgeibe von Steuergrößen an den Ausgängen 18, mit denen das (nicht dargestellte) Leitwerk der Datenverarbeitungseinrichtung gesteuert wird.

Es ist bereits zu erkennen, daß bei Fehlen einer gegenseitigen Abhängigkeit der Funktionen der IVngruppen der jeweiligen Befehlsworte bzw. der Informationen an den Ausgängen A bis ffdcs Befehlsregisters 13 eine Auswertung bzw. Weiterleitung dieser Informationen sehr einfach ist, denn eine besondere Auswertung gegenseitiger Abhängigkeiten ist zwischen dem Befehlsregister 13 und dem Multiplexer 14 nicht mehr erforderlich. Dieser Multiplexer 14 kann also sehr einfach aufgebaut sein, wodurch der Aufwand der Befehlsauswertung weiter verringert wird. Wie bereits beschrieben, ist auch der Aufwand für den Mikroprogrammspeicher 16 geringer, da in ihm weniger Mikroprogrammroutinen zu speichern sind. 13a die Befehlsworte die beschriebene relativ geringe 1 .mge haben, ist auch der Aufwand für den Befehlsspeicher gering, obwohl eine große Anzahl Befehlsworte zur Verfügung steht.

Der Multiplexer 14 wird durch eine einfache Verknüpfungslogik 20' gesteuert, die ihrerseits mil verschiedenen Steuersignalen 26 und 27 und Taktsignalen 24 angesteuert wird und den Multiplexer 14 weiterschaltet. Solche Steuersignale sind z. B. Statussignale 26 aus dem (nicht dargestellten) arithmetischen Teil uer Datenverarbeitungseinrichtung und auch Unterprogrammsignale 27 zur Durchführung von Unterprogrammsprüngen. Gleichzeitig erzeugt diese Verknupfungslogik 20 eine 5 Bits lange Blockadresse, die taktgesteuert über ein UND-Glied 28 direkt in das Mikroadreßregister 15 eingespeichert wird und einen Andreßteil der Mikroprogrammadresse bildet. Die letzten 3 Bits der Gesamtadresse entstammen dem Multiplexer 14.

Die durch die Verknüpfungslogik 20 gelieferte

Blockadresse gibt an, welcher Block von Mikroprogrammroutinen anzusteuern ist Dadurch ist eine gewisse Vorauswahl innerhalb des Mikroprogramms möglich, die dann durch den vom Multiplexer 14 gelieferten Adressenteil näher spezifiziert wird. Die

fei Blockadresse wird durch Informationen gebildet, die über eine (hier 5-adrige) Steuerleitung aus dem Mikrodatenregister 17 an die Verknüpfungslogik 20 geliefert werden. Es besteht also eine Abhängigkeit der jeweiligen Blockadresse von dem Verlauf der jeweils durchgeführten Mikroprogrammroutine.

Die Steuerung von Sprungbefehlen erfolgt einzig und allein dadurch, daß das Befehlsadreßregister 11 als Zielregister in dem in Betracht kommenden Befehl

angegeben wird. Es wird dann die normale regelmäßige Änderung des Inhalts des Befehlsadreßregisters durch die Sprungadresse überschrieben und dadurch von der linearen Befehlsfolge des Programms abgewichen. Zu einem Unterprogramm-Sprung wird durch eine besondere Steuergröße 27 die Verknüpfungslogik 20 dazu veranlaßt, eine ganz bestimmte Blockadresse zu bilden, die eine Mikroroutine in dem Mikroprogrammspeicher 16 adressiert, durch die die Rückkehradresse in einem Zwischenspeicher abgespeichert wird, so daß sie nach Ablauf des Unterprogramms für das Befehlsadreßregister 11 verfügbar ist.

Es ist also zu erkennen, daß immer dann, wenn durch eine Zieladresse die Ansteuerung des Befchlsadreßregisters 11 erfolgt, ein Sprungbefehl durchzuführen ist. Der Inhalt des Befehlsadreßregisters 11 kann also mit allen

Befehlsarten verändert werden. Solche Befehlsarter sind beispielsweise Ladebefehle. Additionsbefchle usw. so daß abhängig davon, um welche Befehlsart es sich jeweils handelt, absolute und auch relative Sprungbefehle leicht realisiert werden können. Somit ist auch eint Variation der Sprungbefehle selbst möglich, wodurch eine weitere Erhöhung der Vielseitigkeit eines Befehlssystems möglich ist. Da ferner die Bedeutung der einzelnen Bitgruppen hinsichtlich der Kennzeichnung ihrer Funktionen unverändert ist. ist in jedeir Befehlswort auch immer eine Bitgruppe vorhanden, die eine Kondition kennzeichnet. Bei einem Verfahren nach der Erfindung können somit auch konditioniert Sprungbefehle in allen Kombinationen durchgeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Adressierung eines Mikroprogramms in Datenverarbeitungseinrichtungen durch mittels eines Befehlsadreßregisters schrittweise gesteuertes Auslesen von Befehlsworten aus einem Befehlsspeicher und Auswertung der Befehlsworte hinsichtlich im Rahmen des Mikroprogramms durchzuführender Programmroutintn, wo- jo bei Befehlsworte mit funktionell voneinander unabhängigen individuellen Funktionsgruppen verwendet werden und dem Befehlsspeicher ein Befehlsregister mit entsprechend der Zahl der Funktionsgruppen aufgeteilten Registerabschnitten und Abschnittsausgängen nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnittsausgänge (A. B. C, D, E) auf einen Multiplexer (14) geführt sind, dessen Mukiplexausgang einen Teil einer in ein Mikroadreßregister (15) einzugebenden Mikroadresse liefert, wobei der Multiplexer (14) durch Steuersignale einer Verknüpfungslogik (20) gesteuert wird, welche durch Blockadressen des Mikroprogramms und Stalussignale der Datenverarbeitungseinrichtung angesteuert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß fünf Registerabschnitte des Befehlsregisters (13) für Befehlsabschnme vorgesehen sind, die eine Operation, eine Kondition, eine Quellregisteradresse, eine Zielrogisteradresse und eine Adressenbildungsvorschrift kennzeichnen.

3. Verfahren zur Durchführung von Sprungbefehlen mit einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß der der Zielregisteradresse zugeordnete Befehlsabschnitt für die Adressierung des Bcfthlsadreßregisters (11) verwendet wird und daß eine durch eine Operation, einen Quellregisterinhalt, eine Kondition und eine Adressenbildungsvorschrift sowie durch den Zielregisterinhalt gebildete Sprungadresse in das Befehlsadreßregistcr (11) eingespeichert wird.