DE3137870C2 - Einrichtung zur Taktversorgung eines Zentralprozessors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Taktversorgung eines Zentralprozessors einer Datenverarbeitungsanlage, bei der der Zentralprozessor in mehrere mechanisch selbständige Baueinheiten aufgeteilt ist. Auf jeder Baueinheit sind ein oder zwei Taktunterverteiler angeordnet, in denen die aus einem zentralen Taktgenerator stammenden Taktimpulse nach Maßgabe von Bedingungs- und/oder Bremssignalen auf die einzelnen Taktverbraucher durchgeschaltet oder gesperrt werden. Gegenüber den Erfordernissen bei einer zentralen Taktsteuerung können die zeitkritischen Bremssignale nunmehr um die Taktlaufzeit zwischen dem Taktgenerator und den Taktunterverteilern später vorliegen. Das kommt auch der Verarbeitungsgeschwindigkeit der Datenverarbeitungsanlage zugute.

Description

impulse werden damit in die unmittelbare Nähe der eigentlichen Taktverbraucher verlegt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt darin

Fig. 1 das Schema der Taktverteilung ausgehend vom Taktgenerator,

Fig.2 ein Impulsdiagramm zur zeitlichen Folge der Taktimpulse,

F i g. 3 ein Blockschaltbild des Taktunterverteilers.

Fig.4 eine Schaltungsanordnung zur Einphasung von Bremssignalen,

Fig.5 und 6 eine erste bzw. zweite Anordnung zur Steuerung von Taktimpulsen durch Bedingungnsignale und durch die eingephasten Bremssignale.

In der nachstehenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß der Zentralprozessor funktionell in einen Befehlsaufbereitungsprozessor PLU und in einen Befehlsausführungsprozessor EXU aufgeteilt ist Die Bauelemente der Prozessoren sind auf Flachbaugruppen untergebracht, dis zu Wartungszwecken vorzugsweise steckbar ausgebildet sind. Für jeweiis eine bestimmte Anzahl von Flachbaugruppen ist eine sogenannte Rückwandverdrahtungsplatte vorgesehen, auf dec die Gegensteckelemente für die Fiachbaugruppen angeordnet sind und die mindestens teilweise die notwendigen elektrischen Verbindungen zwischen den Flachbaugruppen enthält In einer bestimmten Ausführungsform bilden die auf einer ersten Rückwandverdrahtungsplatte zusammengefaßten Flachbaugruppen den Befehlsausführungsprozessor EXU, während auf einer zweiten Rückwand-Verdrahtungsplatte der Befehlsaufbereitungsprozessor PLUund ein Pufferspeicher aufgebaut sind. Es ist klar, daß auch zwischen den Rückwandverdrahtungsplatten eine Vielzahl von Verbindungen, darunter auch Taktleitungen existieren.

Es ist darauf hinzuweisen, daß weder der dargelegte konstruktive Aufbau des Zentralprozessors noch seine Aufteilung in einen Befehlsaufbereitungsprozessor PLU und einen Befehlsausführungsprozessor EXU notwendige Voraussetzungen für die Anwendung der Erfindung bilden.

Die F i g. 1 zeigt das Schema der Taktverteilung. Ein zentraler Taktgenerator TPC speist über nicht dargestellte Verstärker die Taktimpulse auf eine Vielzahl von Taktverbindungen L 1 bis Ln ein. Tatsächlich besteht jede Verbindung aus vier physikalischen Leitungen. Der Taktgenerator TPG möge in der Baueinheit des Befehlsaufbereitungsprozessors PLUangeordnet sein. Für einen zum Befehlsausfiihrungsprozessor EXU gehörigen Taktverbraucher TVl durchlaufen die Taktimpulse also Teile der beiden Rückwandverdrahtungsplatten, die Verbindungen zwischen den beiden Platten, den jeder Flachbaugruppe zugeordneten Taktunterverteiler HTPDIi und die Verbindungen zwischen diesen und den einzelnen taktgesteuerten Bausteinen. Ein weiterer Taktverbraucher TVn erhält die Taktimpulse über die Verbindungen Ln in der Rückwandverdrahtungsplatte des Befehlsaufbereitungsprozessors PLU und über den betreffenden Taktunterverteiler HTPDIn. Den Takteingängen der Taktunterverteiler HTPDl sind Verstärker Wl bzw. VVn vorgeschaltet, da als Belastung der Taktleitungen nur eine Lasteinheit zulässig ist und die Eingänge der Taktunterverteiler HTPDI jeweils mehrere Lasteinheiten bilden.

Jede Flachbaugruppe, die Taktverbraucher enthält, verfügt über einen oder zwei als integrierte Bausteine ausgeführte Taktunterverteiler HTPDI auf festgelegten Einbauplätzen. Die längste Takdaiif/cit. die auf einer derTaktleiiungen zwischen den Ausgängen des l'aktgc nerators TPG und den Takteingängen eines Taktunterverteilers HTPDI zwangsläufig entsteht, dient als Standard. Alle anderen Taktleitungen werden durch die Bildung von Umwegleitungen, gegebenenfalls auch durch den Einsatz von zusätzlichen Laufzeitgliedern wie DEL 1 und DELn (Fig. 1) so gut wie möglich auf die gleiche Signallaufzeit abgeglichen. Diese standardisierte

ίο Signallaufzeit wird als Taktvorhalt bezeichnet. In F i g. 1 ist der Weg, den die Takt'impulse zwischen den Ausgängen des Taktgenerators TPG und den Eingängen des Taktunterverteilers HTPDI \ einschließlich der durch das Laufzeitglied OfL 1 erzeugten »Leitungsverlängerung« zu durchlaufen haben, symbolisch durch den Taktvorhalt TVOR markiert.

In Fig.2 ist der zeitliche Ablauf der Taktimpulse TPV bis TP4" an den Ausgängen des Taktgenerators TPG und der an den Eingängen der Taktunterverteiler HTPDI später eingehenden, aber sonst unveränderten Taktimpufse TP1 bis TPA dargeste!¹'. Der Zeitversatz ist durch die Summe aus LeitungslaeVzeit und Laufzeit durch den Taktunterverteiler HTPDI, ii. h. durch den Taktvorhalt TVOR bestimmt.

Bei einer bestimmten Ausführung ergeben sith beispielsweise folgende Zeiten:

Taktimpulsdauer 13 ns, Impulsperiode entsprechend einem Maschinenzyklus 52 ns,Taktvorhalt 18 ns.

Die Anordnung der steuerbaren Taktunterverteiler HTPDIiMi den Flachbaugruppen und damit in nächster Nähe der Taktverbraucher hat den Vorteil, daß die hauptsächlich aufgrund einer laufenden Elementaroperation gebildeten und damit relativ spät entstehenden Bremssignale meistens noch den den Start der folgenden Elementaroperation auslösenden Taktimpuls TP1 sperren können. Zur Sperrung des entsprechenden Taktimpulses TPV durch dem Taktgenerator TPG direkt zugeordnete Steuermittel müßte hingegen das betreffende Bremssignal um den Taktvorhai;. TVOR früher vorliegen.

Trotz des erheblichen Zeitgewinns kann es vorkommen, daß bestimmte Bremssignale nicht mehr rechtzeitig eintreffen, um den Taktimpuls TP 1 der nachfolgenden Elementaroperation zu sperren. Hier handelt es sich beispielsweise um Bremssignale, die erst in der letzten Phase der vorausgehenden Elementaroperation gebildet werden. Es muß dann dafür gesorgt werden, daß durch den Taktimpuls TP1 der nächsten Elementaroperation noch keine irreversiblen Änderungen wie das Weiterzählen eines Zählers oder das Überschreiben eines Registerinhalts entstehen.

Die F i g. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Taktuntervcrteilers HTPDl, wobei jeweils für gleichartige Einfanpsignale nur ein Eingang dargestellt ist. Es sind das der Eingang TP anstelle von vier Eingängen für die Taktimpulse 7"Pl bis TP4, die im folgenden als Grundtakte bezeichnet werden, der Eingang BR für die Bremssignale, der Eingang CS für die Bedingungssignale und der Eingang ET für sogenannte externe Taktimpulse,

to die nicht dem Grundtakt angehören. Ein weiterer Eingang SEL dient zur Eingabe eines gleichnamigen Steuersignals SEL, das die interne Umschaltung der Kombinationen aus Bremssignalen, Bedingungäsignalen und Taktimpulsen ermöglicht. An dem beispielsweise dreizehn physikalische Ausgänge umfassenden symbolischen Ausgang TCsind die auf verschiedene Weise mit den Bedingungs- und Bremssignalen verknüpften Grundtakte und externen Takte verfügbar.

Neben dem Inverter /zur Ableitung des invertierten Steuersignals SEL-L aus dem Steuersignal SEL-H sind alle Funktionsblöcke entsprechend der Umschaltemöglichkeit doppelt vorhanden. Es handelt sich dabei um die Synchronisiereinrichtungen fNHTA und INHTB zur Synchronisierung der Bremssignale BR mit den Taktimpulsen TPA oder TP 1 des Grundtaktes und um Einrichtungen TKOMA und TKOMB zur logischen Verknüpfung von Grundtakten und externen Takten mit den Bedingungs- und Bremssignalen.

In den Fig.4 bis 6 sind Einzelheiten des Taktunterverteilers HTPDl dargestellt. Das gezeigte Ausführungsbeispiel greift nur eine aus sehr vielen Möglichkeiten zur Beeinflussung von Taktimpulsen durch Bedingungssignale und Bremssignale heraus. Wesentlich ist dabei, daß sowohl durch die Ausführung der elektrischen Schaltung als auch durch eine entsprechende Integration sichergestellt ist, daß die internen Laufzeiten der einzelnen Taktimpulse des Grundtaktes allenfalls geringfügig voneinander abweichen.

Die F i g. 4 zeigt die Synchronisiereinrichtung INHTA nach F i g. 3 im einzelnen. Die Bremssignale BR 1 bis BRS einer ersten Gruppe werden durch ein erstes ODER-Glied OR 1 zusammengefaßt. An einem weiteren Eingang des ODER-Gliedes OR 1 liegt das schon erwähnte Steuersignal SEL-L an. Mit dem Ausgang des ODER-Gliedes OR 1 ist ein Dateneingang einer durch den Taktimpuls TPA gesteuerten Kippstufe INHTXA verbunden. Analog hierzu werden die Bremssignale BR6 bis BR 11 über ein zweites ODER-Glied OR 2 auf einen Dateneingang einer durch den Taktimpuls TPi gesteuerten Kippstufe INHT2A durchgeschaltet. Das Steuersignal SELL liegt auch am ODER-Glied OR2 an.

Zunächst wird unterstellt, daß das Steuersignal SEL-L den binären Wert 0 führt. Nimm nun mindestens eines der Bremssignale BR 1 bis BR 5 der ersten Gruppe spätestens bis kurz vor dem Ende des Taktimpulses TP4 den binären Wert 1 an, dann wird die Kippstufe INHT\A gesetzt. Das Ausgangssignal INHTXA-L am invertierenden Ausgang wird 0. Wegen der Verbindung des »Wahrw-Ausgangs der ersten Stufe INHTXA mit dem zweiten Dateneingang der zweiten Kippstufe INHT2A wird diese durch 'en nächsten Taktimpuls TPX ebenfalls gesetzt und bildet das Ausgangssignal INHT2A-L = 0. Wird dagegen ein Bremssignal BR6 bis BR Xi der zweiten Gruppe wirksam, dann wird mit dem Taktimpuls TPX nur die zweite Kippstufe INHT2A gesetzt.

Durch die Signale INHTXA-L = 0 bzw. INHT2A-L = 0 werden der erste Taktimpuls TPi bzw. der zweite Taktimpuls TP 2 eines Maschinenzyklus gesperrt Da aber die Forderung besteht, daß eine mit den Taktimpulsen TPX oder TP 2 beginnende Sperrung jedenfalls für den Rest des betreffenden Maschinenzyklus wirksam bleibt, ist noch eine dritte Kippstufe INHT3AA vorgesehen, in die der Setzzustand der zweiten Kippstufe mit dem Taktimpuls TP2 übernommen wird.

Um sicherzustellen, daß sich die Sperrung eines weiteren Maschinenzyklus lückenlos an die Sperrung des vorhergehenden Maschinenzyklus anschließt, wenn die auslösenden Bremssignale noch andauern, werden die Bremssignale BR 6 bis BR X1 der zweiten Gruppe über ein ODER-Glied OR 3 auf einen zweiten Dateneingang der ersten Kippstufe INHTiA durchgeschalteL

Die Kippstufe INHTXA bleibt in diesem Fall gesetzt. Dagegen wird durch die Verbindung des invertierenden Ausgangs der dritten Kippstufe INHTMA mit einem Sperreingang des ODER-Gliedes OR3 die Durchschallung verhindert, wenn der letzte Maschinenzyklus normal abgelaufen war.

Ein Steuersignal SEL-L ·» 1 setzt sich über die 5 ODER-Glieder OR \ und OR 2 sowie über das zusätzlich eingefügte ODER-Glied OR 4 durch und setzt mit den entsprechenden Eingabetakten alle Kippstufen INHTiA bis INHT34A. Damit werden alle angeschlossenen Netzwerke in den Sperrzustand versetzt, wie aus

to F i g. 5 und 6 noch zu sehen sein wird.

Die Synchronisiereinrichtung INHTB kann genauso aufgebaut sein wie die anhand der Fig.4 beschriebene Synchronisiereinrichtung INHTA. Ein einziger Unterschied besteht lediglich darin, daß anstelle des Steuersi- gnals SEL-L das Steuersignal SEL-H verwendet wird. Indessen kann natürlich auch die Zuordnung der Bremssignale zu den beiden Gruppen entsprechend den jeweils vorliegenden Gegebenheiten abweichend gewählt werden.

Die F i g. 5 zeigt ein erstes Beispiel für ein aus UND/ NOR-Gliedern UNXA bis UNSA bestehendes Netzwerk für die durch Bedingungssignale und die eingephasten Bremssignale gesteuerte Durchschaltung von Taktimpulsen des Grundtaktes und von externen Takten.

Bezüglich der Einzelheiten wird auf die in F i g. 5 eingezeichneten Verbindungen und die Beschriftung der Eingänge und Ausgänge verwiesen. Hierbei bedeuten TP1 bis TP 4 wie bisher die Taktimpulse des Grundtaktes, TRP und SVP externe Takte und INHTXA-L bis INHT3AA-L die eingephasten (und invertierten) Bremssignale.

Dazu kommt noch das Steuersignal SEL-H. Alle nicht bezeichneten Eingänge sind für Bedingungssignale vorgesehen. Die Angabe TP3, TPA besagt, daß an den

entsprechenden Eingängen bedarfsweise die Taktimpulse TP3 oder TPA angelegt werden können.

Die Ausgänge für die invertierten Taktimpulse TCA bis TCi sind zusätzlich numeriert. Beispielsweise ist noch auf den Ausgang TCI hinzuweisen, auf den die Taktimpulse TP2 und TP3 oder TPA abhängig von Bremssignalen, jedoch unbeeinflußt von irgendwelchen Bedingungssignalen durchgeschaltet werden.

Das Steuersignal SEL-H steuert die Durchschaltung der externen Takte TRP und SVP, die von den einge phasten Bremssignalen INHTiA-L nicht erfaßt wer den.

Das in Fig.6 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Prinzip dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5. Es realisier! jedoch andere Kombinationen aus

den Taktimpulsen TPi bis TPA des Grundtaktes, dem externen Takt TRP, einer Anzahl von Bedinguprssignalen und den eingephasten Bremssignalen INHTXB-L bis [NHT34B-L Bezüglich der einzelnen Kombinationen wird wieder auf die dargestellten Verbindungen und die

Beschriftung der Eingänge und Ausgänge verwiesen.

Alle nach Fig.6 direkt miteinander verbundenen Ausgänge, sowie die gleich bezeichneten und numerierten Ausgänge bei den Ausführungsbeispielen nach F i g. 5 und 6 sind über nicht dargestellte ODER-Glieder zusammengefaßt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Taktversorgung eines Zentralprozessors einer Datenverarbeitungsanlage, dessen Teilschaltungen auf mehrere Baugruppen räumlich verteilt sind, mit einem zentralen Taktgenerator zur Erzeugung eines Taktes mit mehreren sich periodisch wiederholenden Taktphasen, der über auf gleiche Signallaufzeit abgeglichene Taktleitungen den Baugruppen zugeführt wird, mit durch Bedingungssignale und/oder Bremssignale gesteuerten Anordnungen zur Durchschaltung bzw. Sperrung von Taktimpulsen, dadurch gekennzeichnet,

a) daß auf jeder Baugruppe mindestens ein Taktunterverteiler (HTPDI) angeordnet ist zur durch die Bedingungssignale (CS) und/oder Bremssignale (BR) steuerbaren Durchschaltung bziy. Sperrung von Taktimpulsen und

b) daß der Taktunterverteiler (HTPDI) ferner Einrichtungen zur Einphasung von Bremssignalen (BR)mit Taktimpulseri (TPA, TP I) einer ersten bzw. zweiten Taktphase enthält, derart, daß die Sperrung der Taktimpulse mit dem ersten bzw. zweiten Taktimpuls (TP \ bzw. TP2) einer Taktperiode beginnt und für den Rest der Taktperiode, bei entsprechend langen Bremssignalen (BR) gegebenenfalls weitere volle Taktperioden andauert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktuntt. verteiler (HTPDI) eine Mehrzahl von Ausgangstaktimpulsen (TC) liefert, die durch unterschiedliche Kombinationen von Bedingungs- und Bremssignalen (CS, BR) einerseits und den Eingangstaktimpulsen andererseits entstehen und daß der Taktunterverteiler (HTPDI) eine durch ein Steuersignal (SEL) steuerbare Schalteinrichtung zur Umschaltung zwischen einer ersten und einer zweiten Gruppe von Kombinationen enthält.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktunterverleiler (HTPDI)ah integrierter Baustein ausgebildet ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Taktversorgung eines Zentralprozessors einer Datenverarbeitungsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zentralprozessoren von Datenverarbeitungsanlagen hoher Leistungsfähigkeit stellen mehr oder weniger räumlich ausgedehnte Gebilde dar, obgleich mit dem zunehmenden Integrationsgrad der integrierten Bausteine auch die Packungsdichte ständig größer wurde. Da gleichzeitig die Signalverzögerungen in den Verarbeitungselementen ganz erheblich reduziert wurden, was eine erhöhte Verarbeitungsgesciiwindigkeit erlaubt, gewinnen die Signallaufzeiten auf den Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Teilschaltungen eines großen Zentralprozessors zunehmend an Bedeutung. Das gilt insbesondere auch für die Taktiinpulse, die in einem zentralen Taktgenerator erzeugt werden, über zumeist sternförmig angelegte Taktleitungen zu den einzelnen Taktverbrauchern gelangen und dort den Ablauf der anstehenden Mikrooperationcn steuern. Zur Ausführung einer Mikrooperation werden im allgemeinen mehrere Einzelimpulse benötigt, die über getrennte Taktleitungen übertragen werden. Ihre Anzahl hängt von der Konzeption der Datenverarbeitungsanlage ab.

Im folgenden wird von vier Taktphasen, d. h. von vier Taktimpulsen je Periode ausgegangen. Ein sogenannter Maschinenzyklus, dessen Dauer der Dauer einer Periode entspricht, beginnt mit einem Taktimpuls TPi und endet mit einem Taktimpuls ΓΡ4. Jede Mikrc operation

ίο läuft innerhalb eines solchen Maschinenzyklus ab.

Einander entsprechende Taktimpulse sollen bei den Taktverbrauchern trotz unterschiedlicher Entfernung von dem zentralen Taktgenerator möglichst gleichzeitig eintreffen. Durch die Druckschrift IBM Technical Dis-

n closure Bulletin, Vol. 18, No. 6, Nov. 1975, Seiten 1912 und 1913 ist es bekannt, zu diesem Zweck die Taktlaufzeit zu räumlich nahegelegenen Taktverbrauchern mit Hilfe von Umwegleitungen oder speziellen Verzögerungsgliedern an die Taktlaufzeit bis zu den am weitesten entfernten Taktverbrauchern anzupassen.

Durch die GB-PS 15 31 894 sind darüber hinaus programmierbare Verzögerungseinrichtungen bekannt, die zur Verzögerung von Taktimpulsen in Abhängigkeit von Steuersignalen einer Taktimpulse empfangenden Verarbeitungseinheit dienen.

Abhängig von der Art der auszuführenden Mikrooperation werden au.·?, dem Operationscode der Mikrobefehle Signale abgeleitet, mit denen die individuelle Durchschaltung von Taktimpulsen zu den einzelnen Taktverbrauchern gesteuert wird. Diese Signale werden im folgenden als Bedingungssignale bezeichnet.

Eine weitere Gruppe von Signalen, die im folgenden Bremssignale genannt werden, unterdrückt alle Taktimpulse während einer oder mehrerer aufeinanderfolgender Taktperioden und verzögert damit entsprechend die Ausführung einer Mikrooperation. Auf die vielfältigen Ursachen für die Bildung solcher Bremssignale soll hier nicht näher eingegangen werden. Die Bremssignale stammen im allgemeinen ausTeilkcisnponenten des Zentralprozessors.

Die Mittel zu der von den BecÜJigungs- und Bremssignalcn gesteuerten Durchschaltung oder Sperrung von Taktimpulsen sind bisher vorwiegend im zentralen Taktgenerator oder in seiner Nähe angeordnet. Damit müssen auch die Bremssignale, die die Freigabe von Taktimpulsen für einen oder mehrere bestimmte Taktverbraucher steuern, schon vor der Bildung der Taktimpulsc im Taktgenerator bzw. kurz danach vorliegen. In bezug auf die Taktverbraucher wirken sich die Bremssignale jedoch erst nach einer Zeitspanne aus, die durch die Taktlaufzeit vorgegeben ist. Die Folge davon ist eine wesentliche Einschränkung der Verarbeitungsgeschwindigkeit, die andernfalls aufgrund der kurzen Schaltzeiten der Schalt- und Speicherglieder höher sein könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Taklversorgung einer Datenverarbeitungsanlage insbesondere eines Zentralprozessors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit in unterschiedlichcr Entfernung von einem zentralen Taktgeber räumlich verteilten Baugruppen anzugeben, mit der eine Herabsetzung der sonst möglichen Verarbeitungsgeschwindigkeit infolge der durch die Taktlaufzcit verspäteten Auswirkung der Bedingungs- und Bremssignale

b^r> am Ort der einzelnen Verbraucher verhindert wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Mittel für die Steuerung der Takt-