DE2459510A1

DE2459510A1 - Elektronischer digitalrechner

Info

Publication number: DE2459510A1
Application number: DE19742459510
Authority: DE
Inventors: Jerome Marvin Kurtzberg
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-05-06
Filing date: 1974-12-17
Publication date: 1975-11-20
Also published as: FR2270639A1; US3924270A; GB1493313A; JPS50142133A

Description

Bfbiingen, den 9. Dezember 1974
jo-fe

Anmelderin: International Eusiness Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen.; Neuanmeldung Aktenzeichen der Aninelderin. YO 973 057

Elektronischer Digitalrechner

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Digitalrechner nach
dem überbegriff des Anspruchs 1.

Bei konventionellen Digitalrechnern wird ein Programm ausgeführt,
das in einem Speicher für einen Zugriff durch die Maschine zur
Verfügung gehalten wird. Während der Ausführungsphase v/erden die
Maschinenbefehle; die abgerufen werden, von einem Zeiger oder
einem Register bezeichnet,- dessen Angabe stets auf den nächsten ' Befehl zeigt. Jeder dieser Befehle, der im Speicher verfügbar ist, wird abgerufen und in einem Befehlsregister gespeichert. Alle Be- , fehle werden auf diese Weise in einer Sequenz ausgeführt. Das bi- ■ näre Informationsmuster, das sich in dem Befehlsregister be- ' findet, wird dann mit Hilfe eines Befehlsdecodierers decodiert, j um eine Anzahl von Signalpegel abzugeben, welche die logischen i Operationen des Datenrechners steuern, mit dem Ziel, die Funktion ] des Befehls, der als binäres Informationsmuster im Befehlsregister steht, auszuführen. Da jeder Maschinenbefehl vom Datenspeicher ab-j gerufen werden muß, wird ein beträchtlicher Zeitbetrag nur dafür : verbraucht, die Befehle für das Befehlsregister bereitzustellen.
Ein weg, diesen Verbrauch von Verarbeitungszeit zu begrenzen, besteht darin, zusätzliche Register vorzusehen, die mit dem nächsten Befehl vor der Ausführung im voraus geladen werden können. Während dieses Verfahren eine Ersparnis an Verarbeitungszeit mit sich j bringt, erfordert es doch zusätzlichen Schaltkreisaufwand und ver-j größert die Komplexität der internen Organisation des Datenrech-

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ners.

Ein anderer Weg, der bei vielen bekannten Datenverarbeitungsanlagen eingeschlagen wurde, um die Verarbeitungszeit für das Abrufen der Befehle von dem Speicher des Rechners zu verringern, besteht darin, den Speicher in mehrere Abschnitte zu unterteilen. Dann ist es durch das Alternieren der Befehle derart, daß nacheinander verschiedene Abschnitte des Speichers adressiet werden, möglich, einen Zugriff zu dem nächsten Befehl während der Ausführung des Vorhergehenden vorzunehmen. Ähnlich, wie bei der oben erwähnten Verwendung zusätzlicher Register, führt dieses Verfahren ebenfalls zur Verteuerung einer Datenverarbeitungsanlage.

Vor diesem Hintergrund der Überlappung von Befehlsabruf und Befehlsausführung, die nur durch erhöhte Kosten möglich ist, ist die Aufgabe der Erfindung zu sehen. Sie besteht darin, den Zeitbetrag zu verringern, der für die Bereitstellung der Maschinenbefehle in einen Befehlsdedocodierer innerhalb einer Datenverarbeitungsanlage erforderlich ist, ohne indes zur Erhöhung der Kosten beizutragen.

Es ist Teil dieser Aufgabe, ein Speicherprogramm zu erstellen, das nicht die Notwendigkeit in sich trägt, jeden Befehl in dem Programm vom Speicher abzurufen.

Es zählt ferner zur Aufgabe der Erfindung, den Speicherplatzbedarf des Programmspeichers gering zu halten, indem nicht ein vollständiges Programm im Speicher selbst gespeichert werden muß«,

Gelöst wird diese Aufgabe der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenem Merkmale»

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Mit de^.dmrch di@ Erfindung vorgeschlagenen Lösung wird der Vor-YO 973 057

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teil erzielt, daß ein beträchtlicher Betrag an Bearbeitungszeit eingespart werden kann, der normalerweise für den Abruf der Befehle in einer Datenverarbeitungsanlage zur Verfügung gestellt werden muß, der stets die Nutzarbeitszeit einer Datenverarbeitungsanlage verringert. Die vorgeschlagene Lösung ist auch dort mit Vorteil anzuwenden, wo viele Unterroutinen oder Unterprogramme ausgeführt werden müssen, die gemeinsam aufgerufen werden. Ferner ist die Erfindung mit Vorteil bei speziellen Datenverarbeitungsanlagen zu verwenden, in denen das gleiche Programm viele Male wiederholt werden muß.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines 5-Bit-Rekur-

sivschieberegisters, das über einen Zyklus von 31 verschiedenen Zuständen verfügt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines 5-Bit-Rekur-

sivschieberegisters, das über drei verschiedene Zyklen verfügt, die 3, 7 und 21 verschiedene Zustände ergeben,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Kombination

eines Rekursivschieberegisters mit einem Befehlsdecodierer,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines variablen

Rekursivschieberegisters, dessen Betrieb von einem Steuerregister geleitet wird,

Fig. 5 eine Darstellung, wie die Figuren 5A, 5B und 5C

angeordnet werden müssen, damit sie eine größere Zeichnung darstellen,

Fign. 5A, B und

C ein Blockschaltbild einer Einrichtung, die ein

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Rekursivschieberegister für die Erzeugung von Maschinenbefehlen verwendet.

In einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage ist eine Einrichtung vorgesehen, die einen Satz von Befehlen erzeugt, der von dieser Datenverarbeitungsanlage ausgeführt werden kann. Diese Einrichtung arbeitet in zwei verschiedenen Betriebsarten. In der ersten Betriebsart, welche die konventionelle Betriebsart ist, verwendet der Rechner das konventionelle Befehlsregister für die Bereitstellung der Maschineninstruktionen an dem Decodierereingang. Die Befehle werden vom Datenspeicher gemäß dem augenblicklich im Befehlszeiger oder Befehlsregister enthaltenen Wert sequentiell abgerufen. Diese Befehle werden in das Befehlsregister für eine anschließende Decodierung und Steuerung der Operationen des Datenrechners eingegeben.

Bei der Feststellung eines speziellen Befehls, der einen Eintritt in die zweite Betriebsart anfordert, dient ein Rekursivschieberegister zur Erzeugung einer Folge von binären Informationsmustern, von denen jedes einen getrennten und verschiedenen Maschinenbefehl darstellt. Das Rekursivschieberegister kann entweder auf die Bedingung seines Startsequenzwertes eingestellt oder mit einem speziellen binären Informationsmuster initialisiert werden, um so mit dem rekursiven Muster an einer speziellen Stelle der Folge zu beginnen. Die binären Informationsmuster, die in dem Rekursivschieberegister enthalten sind, werden von einem Befehlsdecodierer decodiert, dessen Signale auf den Ausgangsleitungen die Operation des Rechners steuern. Der Austritt aus der zweiten Betriebsart kann mit Hilfe der Feststellung eines speziellen Befehlsmusters bewirkt werden, das sich im Rekursivschieberegister befindet und von dem Befehlsdecodierer decodiert wird.

Auf diese Weise können viele verschiedene Rechnerprogramme realisiert werden, indem die verschiedenen Rückkopplungspfade innerhalb des Rekursivschxeberegxsters umstrukturiert werden.

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Bei einem typischen Allzweckrechner wird die Befehlsabrufoperation mit der Befehlsausführungsoperation überlappt. Ein Befehlszähler dient hierbei zur Aufbewahrung der Adresse der laufenden Maschineninstruktion, wobei dieser Zähler entweder von Befehl zu Befehl um 1 erhöht wird, oder aber sein Inhalt als Ergebnis einer Befehlsausführung geändert wird. Die Erhöhung des Befehlszählers oder der Austausch seines Inhalts wird gewöhnlich irgendwann während der Ausführungsoperation vorgenommen.

Im folgenden wird ein Digitalrechner beschrieben, der zusätzlich zu dem üblichen Befehlszähler über ein Rekursivschieberegister (ein Schieberegister mit linearer Rückführung) verfügt, dessen Binärzustände als Operationscodes eines Programms verwendet werden. Dieses Rekursivschieberegister wird bezüglich seines Inhalts während seiner Ausführungsoperation verschoben, wodurch Zeitbeträge für einen Befehlsabruf und die Rückspeicherung der Befehle in den Speicher effektiv eliminiert werden.

Es sei in diesem Zusammenhang daran erinnert, daß Maschinenbefehl-, Ie im allgemeinen im Speicher des Allzweckrechners gespeichert werden und sie neben dem Operationscode über bestimmte Felder verfügen, die Daten oder Bezüge auf Daten angeben. Diese Felder können Operandenadressen, Konstanten udgl. sein, die für die Ausführung eines Befehls notwendig sind. Um den vollen Vorteil einer rekursiven Schieberegisterstruktur, sowie sie hier angegeben wird, auszunutzen, wird angenommen, daß alle Operanden udgl., die für die Ausführung eines Programms erforderlich sind und von den aufeinanderfolgenden Zuständen des Schieberegisters repräsentiert werden, in Arbeitsregistern oder in speziellen Speicherbereichen gespeichert sind. In den Befehlssätzen für Allzweckrechner sind spezielle Befehle enthalten, die zur Aktivierung des Arbeits- und Steuermechanismus des Rekursivschieberegisters verwendet werden. Dieses Rekursivschieberegister kann aktiviert werden, um entweder eine Unterroutine oder ein Unterprogramm auszuführen und dann die Steuerung an das Hauptprogramm zurückzugeben, das vor ser Aktivierung in der Maschine ablief.

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Der Allzweckrechner kann dann in einer von zwei Betriebsarten arbeiten. In der einen Betriebsart führt der Rechner gewöhnliche Befehlsabrufe vom Speicher durch, denen dann die Verarbeitung der abgerufenen Befehle folgt. In der anderen Betriebsart arbeitet der Rechner unter der Steuerung des Rekursivschxeberegxsters,das während jeder Ausführung eines Befehls durch- oder umläuft.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines bestimmten 5-Bit-Rekursivschieberegister. Dieses fünfstufige Schieberegister ist mit einer speziellen Rückkopplung auf die vierte Stufe versehen, die den Durchlauf aller möglichen Binärzustände gestattet, die jede fünfstellige Binärzahl, mit Ausnahme der Zahl "00000" repräsentieren können. Die Tabelle 1 zeigt alle 31 möglichen Zustände, die das Register durchlaufen kann. Es sei an dieser Stelle daran erinnert, daß ein Rekursivschieberegister den Zustand, der durch lauter Nullen gekennzeichnet ist, nicht einnehmen kann.

	Register inhalt	TABELLE	1	Reihenfol ge Nr.	Register inhalt
Reihenfol ge Nr.	0001	Reihenfol ge Nr.	Register inhalt	3	00101
1	01010	2	00010	6	01011
4	10111	5	10101	9	11101
7	11011	8	OHIO	12	01100
10	11000	11	10110	15	00011
13	OOlll	14	10001	18	Hill
16	11110	17	01111	21	11001
19	10011	20	11100	24	01101
22	11010	23	00110	27	01001
25	10010	26	10100	30	01000
28	10000	29	00100
31

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Wie zuvor erwähnt wurde, kann jeder der 31 in Tabelle 1 dargestellten Zustände als ein Operationscode einer Maschineninstruktion oder eines Maschinenbefehls betrachtet werden, der jede gewünschte Art der Ausführung bezeichnen kann. Das zuvor erläuterte 5-Bit-Schieberegister könnte beispielsweise eine Programmfolge von 31 verschiedenen Schritten oder Befehlen darstellen, die eine Schleife sein könnten oder beliebig oft wiederholt werden könnten, bis das Schieberegister auf den Wert "00000" gesetzt würde. Das gleiche Schieberegister könnte auch dazu verwendet werden, mehrere Folgen darzustellen, die dann allerdings weniger als 31 Schritte aufweisen würden. So könnten beispielsweise die Zustände mit der Reihenfolge Nr. 1 bis 7 eine Schleife darstellen. Der Zustand mit der Reihenfolge Nr. 8 könnte eine bedingte Verzweigung angeben, mit der entweder die Zustände Nr. 1 bis Nr. 7 wiederholt würden oder mit der mit dem Zustand Nr. 9 fortgefahren werden könnte. Das heißt, daß die Ausführung des Zustandes Nr. 8 das Schieberegister auf "00001" setzen würde, wenn die Schleife zu wiederholen ist oder dem Schieberegister gestatten würde, mit "11101" fortzufahren, was dem Zustand Nr. 9 entspricht. Es soll hieraus zu entnehmen sein, daß eine Verzweigung zu einem beliebigen Zustand des Schieberegisters vorgenommen werden kann, indem das Schieberegister auf den Wert eingestellt wird, der den gewünschten Zustand spezifiziert. Ein besonderer Zustand des Schieberegisters könnte einen "Aufgabe vervollständigt "-Test darstellen, der, wenn er erfolgreich ist, die Steuerung an das gespeicherte Programm des Rechners zurückgeben würde. Dieses könnte direkt dadurch erreicht werden, daß die Betriebsartensteuerung geändert und der Befehlszähler weitergeschaltet würde oder indirekt dadurch, daß das Schieberegister auf "00000" zurückgestellt würde, wobei dieser Code verwendet würde, das gewünschte Resultat zu bewirken. Es sei auch erwähnt, daß ein auf "00000" zurückgestelltes Rekursivschieberegister diesen Zustand solange nicht verlassen kann, bis es auf einen anderen fünfstelligen Binärwert eingestellt wird.

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Eine andere Ausführungsform eines Rekursivschieberegxsters, das verwendet werden könnte, ist in Fig. 2 dargestellt. Dieses Rekursivschiebefegister kann verschiedene Werte singulärer Zustände einnehmen, die von der Binärzahl abhängen, die ursprünglich in das Register geladen wurde. Wenn beispielsweise eine der in Tabelle 2 dargestellten Binärzahlen zur Initialisierung des Registers verwendet wird, dann kann dieses 21 verschiedene Zustände einnehmen.

	TABELLE 2	Reihenfolge Nr.	Register inhalt
Reihenfolge Nr.	Register inhalt	2	00011
1	00001	4	01111
3	00111	6	11110
5	Hill	8	11010
7	11101	10	01010
9	10101	12	OlOOl
11	10100	14	00110
13	10011	16	11000
15	01100	18	00010
17	10001	20	01000
19	00100
21	10000

Das Rekursivschieberegister wird über drei verschiedene Zustände verfügen, wenn eine der in Tabelle 3 gezeigten Binärzahlen zur Initialisierung verwendet wird.

Reihenfolge Nr.

TABELLE 3

Register- Reihenfol- Registerinhalt ge Nr. inhalt

Reihenfol- Registerge Nr. inhalt

10110

01101

11011

Es wird dagegen sieben verschiedene Zustände einnehmen können,

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wenn eine der in Tabelle 4 dargestelltenßinärzahlen zur Initialisierung des Rekursivschieberegisters verwendet wird.

TABELLE 4

Reihenfol- Register- Reihenfol- Register- Reihenfol- Registerge Nr. inhalt ge Nr. inhalt ge Nr. inhalt

1 11001 2 10010 3 00101

4 01011 5 10111 6 OHIO

7 11100

Das in Fig. 2 dargestellte Rekursivschieberegister ist dann mit Vorteil zu verwenden, wenn Programmfolgen von 21, 3 oder 4 Schritten erwünscht sind, die viele Male wiederholt werden könnten oder sollten.

Eine weitere Ausdehnung der vorstehend diskutierten Prinzipien kann mittels eines zusätzlichen konventionellen Binärregisters verwirklicht werden, das mit einem Rekursivschieberegister zusammenarbeitet. In Fig. 3 ist ein solches konventionelles Drei-Bit-Register zusammen mit einem 5-Bit-Rekursivschieberegister dargestellt. Das 3-Bit-Register 10 kann 8 verschiedene Binärzustände und das 5-Bit-Rekursivschieberegister 12 32 verschiedene Binärzustände (einschließlich des "00000"-Zustandes) einnehmen. Kombiniert gestattet diese Struktur die Spezifizierung von 256 verschiedenen Operationscodes, die von dem Rechner initialisiert werden können.

Der gespeicherte Programmbefehl, der zum Aufruf des Schieberegisterprogramms dient, hat acht Datenbits, von denen drei in das Drei-Bit-Register 10 und fünf in das 5-Bit-Rekursivschieberegister 12 geladen werden. Da es 256 mögliche Binärzustände gibt, können viele verschiedene Routinen und Unterroutinen mit Hilfe dieser Struktur realisiert werden und es können auch viele Verzweigungen zu anderen Routinen oder Schleifen innerhalb von Schleifen durchgeführt werden.

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Die Ausgangsleitungen der Kombination des 3-Bit-Registers 10 und des Rekursivschieberegisters 12 sind mit einem Decodierer 14 verbunden, der die achtstellige Binärzahl in eine von 256 möglichen Ausgangsbedingungen decodiert. Die Ausgangsleitungen des Decodierers 14 sind zur Steuerlogik des Rechners für die Steuerung seiner Operationen weitergeführt. Zusätzlich zur Fähigkeit der Zuteilung eines Maschinenbefehls zu jeder der verschiedenen binären Codedarstellungen ist es auch möglich, daß der gleiche Befehl in verschiedenen unterschiedlichen Programmfolgen auftritt. Wenn es gewünscht wird, werden die Ausgangsleitungen des Decodierers 14, die die gleiche Funktion, die der Rechner ausführen soll, spezifizieren, in der Steuerlogik des Rechners gemäß einer ODER-Funktion miteinander verknüpft.

Fig. 4 zeigt ein 5-Bit-Rekursivschieberegister (fünfstelliges Rekursivschieberegister) mit variablen Rückkopplungsverbindungen. Alle Stufen 20, 22, 24, 26 und 28 des Rekursivschieberegisters können über die Torschaltungen 30 bis 38 mit dem modulo-2~Addierer 40 verbunden werden, um den gewünschten Rückkopplungspfad zu bilden. Alle Torschaltungen 30 bis 38 werden von dem Steuerregister 50 geöffnet und geschlossen.

Wird einmal angenommen, daß das binäre Steuerwort "10010" in dem Steuerregister 50 gespeichert ist, dann ist das Rekursivschieberegister mit den Stufen 20 bis 28 dem in Fig. 1 dargestellten Schieberegister äquivalent. Wenn dagegen das binäre Steuerwort im Steuerregister "10001" ist, dann ist dieses Rekursivschieberegister mit dem in Fig. 2 dargestellten äquivalent. Aus Vereinfachungsgründen wird von der Beschreibung aller möglichen Steuerwörter, die in das Steuerregister 50 geladen werden können, Abstand genommen. Es soll jedoch erwähnt werden, daß es möglich ist, Verzweigungen von einer Programmfolge zu einer anderen Programmfolge dadurch durchzuführen, daß ein neues Steuerwort in das Steuerregister 5O geladen wird. Wenn beispielsweise das Steuerwort "Hill" verwendet wird, dann sind vier Schleifen mit 6 Befehlen, zwei

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Schleifen mit drei Befehlen und zwei Schleifen mit je einem Befehl möglich; diese sind in Tabelle 5 dargestellt.

Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird die Operation des in Fig. 4 dargestellten Rekursivschieberegisters anhand von drei verschiedenen Steuerwörtern erläutert.

	Register inhalt	TABELLE 5	Reihenfolge Nr.	Register inhalt
Reihenfolge Nr.	00001	Register inhalt	00111	01011
1	00011	00010	01111	10111
2	00110	00101	11110	OHIO
3	01100	01010	11100	11101
4	11000	lOlOO	11001	HOlO
5	10000	01000	10011	10101
6	00100	10001
1	01001	O11O1
2	10010	11011
3	00000	10110
1	00011	11111
Steuerwort

Die Verwendung dieses Steuerworts erlaubt nur die Bildung einer Schleife mit drei Befehlen, jedoch kann in diese Schleife an der Stelle jedes der drei Befehle, abhängig von dem Startzustand des Rekursivschieberegisters 20, eingetreten werden. Wie die Tabelle 6 zeigt, existieren 9 Startzustände, die eine Schleife ergeben.

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	A	Register inhalt	TABELLE 6	Register inhalt	Reihenfol ge Niü	B	Register inhalt
	B	00001	Reihenfol ge Nr.	00010	1	C	Hill
Reihenfol ge Nr.	C	00011	1	00101	2	A	11110
1		00110	2	01011	3		11101
2	01101	3	10110	4	11011
3	11011	4 C	01101	5	10110
4	10110	5 A	11011	6	01101
5	6 B
6

Ein zusätzliches Merkmal dieser Rekursivschieberegisteranordnung, die von diesem Steuerwort gesteuert wird, besteht darin, daß wenn ein Startzustand, der nicht über zwei Einsen auf der rechten Seite verfügt, das Rekursivschieberegister zu dem Zustand "00000" weitergeht und dort bleibt. Beispiele hierfür sind die Steuerwörter: "11100", "11000", "10000" und "00000". Wenn daher in das Steuerwort eine "00011" eingegeben und ein Startzustand spezifiziert wird, wie beispielsweise derjenige, der im unteren Teil der Tabelle 6 dargestellt ist, dann werden drei verschiedene "Vorläufer" von bis zu drei Befehlen erzeugt, denen die Schleife A, B, C; C, A, B oder B, C, A folgt.

Steuerwort "01100"

Die Verwendung dieses Steuerwortes führt zu einer Schleife mit 15 Schritten. Außerdem gibt es 15 Startzustände, die direkt zu der gleichen Schleife führen, jedoch mit verschiedenen Eintrittspunkten, wie Tabelle 7 zeigt. Es sei aber erwähnt, daß der Startzustand "11000" auf "00000" übergehen und unendlich oft wiederholt würde.

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TABELLE 7

SCHLEIFE

START-ZUSTÄNDE

0001

Steuerwort "10101"

Die Benutzung dieses Steuerworts führt zu zwei Schleifen mit je 15 Schritten, wie die nun folgende Tabelle 8 zeigt.

TABELLE 8	SCHLEIFE I	SCHLEIFE II	01010
A 01011	A¹	10100
B 10111	B¹	O1000
C 01111	C	10000
D 11110	D¹	00001
E 11100	E¹	00011
F 11000	F¹	00111
G 10001	G¹

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»Ifl

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H 00010 I 00100 J 01001 K 10011 L 00110 M 01101 N 11010 0 10101

H¹ OHIO I¹ 11101 J¹ 11011 K¹ 10110 L¹ 01100 M¹ 11001 N¹ 10010 O¹ 00101

Folgesteuerung des Schieberegisters

Es gibt mehrere verschiedene Methoden, mit denen der sequentielle Ablauf oder der Verarbeitungsfluß von ünterroutinen gesteuert werden kann:

1) Die Rückkopplungsfunktion für das Schieberegister kann durch die Verwendung eines Steuerwortes im Steuerregister 50 der Fig. 4 geändert werden.

2) Die Steuerbits können dazu dienen, Subroutinen zu verändern, welche die gleichen Schieberegister (Informations) -Muster verwenden. Die Schieberegister-Konfigurationen werden als verschiedene Befehle gemäß- den Einstellungen der Steuerbits erneut unterbrochen, wodurch eine große Vielfalt von verschiedenen ünterroutinen mit den gleichen Schieberegisterzyklen realisiert werden kann.

3) Der Inhalt von Registern oder Speicherstellen kann als Basis für die Inhaltsveränderung des Rekursivschieberegisters verwendet werden, womit die normale Sequenz ebenfalls geändert wird. Der Inhalt des Schieberegisters jedoch kann auch unabhängig von dem Zustand irgendeines anderen Registers oder einer anderen Speicherstelle entsprechend einer unbedingten Verzweigung in einem gespeicherten Programm verändert werden.

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4) Das Schieberegister kann auf die verschiedensten Informationsmuster vor dem Eintritt in die Rekursivschieberegister-Steuerbetriebsart voreingestellt werden, wodurch verschiedene Gruppen von Operationen durchgeführt werden können.

5) Der Zustand des Rekursivschxeberegisters kann die Beendigung einer Unterroutine mitteilen; beispielsweise kann "OOOOO" (bei einem fünfstelligen Schieberegister) die vollständige Erledigung einer Routine anzeigen. Andere definierte Bitkonfigurationen können dazu dienen, andere Unterroutinen aufzurufen (durch eine Veränderung des im Steuerregister befindlichen Codewortes und/oder Veränderung des Schieberegistermusters).

An dieser Stelle sei auch erwähnt, daß mehrfache Gruppen von Rekursivschieberegistern im Rahmen einer hierarchischen Steuerung des einen durch ein anderes verwendet werden kann. Namentlich der Zustand des einen kann dazu dienen, den Betrieb (Verschieben) von anderen zu aktivieren oder zu sperren.

Die Figuren 5A bis 5C zeigen eine Einrichtung, in der das bereits erläuterte Prinzip der Erfindung verwendet wird. Wie ein konventioneller Allzweckrechner verfügt auch diese Einrichtung über einen Befehlszähler 100, ein Befehlsregister 102 und einen Decodierer 104. Bei der Ausführung eines gespeicherten Programms identifiziert der Allzweckrechner den nächsten Maschinenbefehl mittels des Inhalts des Befehlszählers 100. Das binäre Muster, das diesen Befehl, der durch den Befehlszähler 100 bezeichnet ist, darstellt, wird aus dem Speicher ausgelesen und in das Befehlsregister 100 geladen. Der im Befehlsregister 102 befindliche Befehl besteht im allgemeinen aus einem Opeerationscode (OP), der eine bestimmte Funktion, die von dem Rechner ausgeführt werden soll, bezeichnet und aus Operandenfeldern, die Adressen oder Daten enthalten, auf die gemäß der auszuführenden Funktion und dem Operationscode eingewirkt wird. Der im Befehlsregister 102 befindliche

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Operationscode stellt das Ausgangssignal für den Decodierer 104 dar, der das binäre Muster in-einen oder mehrere Signalimpulse decodiert, die über die Leitung 120 zu der Steuerlogik des Allzweckrechners übertragen werden.

Die Adressen der Maschinenbefehle für ein gespeichertes Programm werden im allgemeinen im Speicher des Allzweckrechners aufbewahrt und in den Befehlszähler 100 über das Kabel 106 geladen. Der Befehlszähler 100 wird von einem Impuls weitergeschaltet, der auf der Leitung 108 erscheint. Wenn die Arbeit des Rechners von einem gespeicherten Programm gesteuert wird, dann wird das Flipflop 120 auf seinen "Null"-Zustand eingestellt, wodurch er die UND-Schaltung 110 und die Torschaltung 112 für eine Durchschaltung vorbereitet. Die Adressen der Maschinenbefehle werden dem Allzweckrechner über das Kabel 114 zur Verfügung gestellt. Die Maschinenbefehle werden, wenn sie vom Speicher abgerufen werden, über das Kabel 116 in das Befehlsregister 102 geladen. Der Datenteil oder die Operandenfelder des Maschinenbefehls werden über das Kabel 118 zu dem Allzweckrechner übertragen. Der Operationscodeteil des Maschinenbefehls wird zu dem Decodierer 104 übertragen, dessen Ausgangsleitungen über das Kabel 120 und die Torschaltung 112 mit dem Rechner verbunden sind.

Im folgenden wird nun angenommen, daß das Befehlsregister 102 einen Maschinenbefehl enthält, der eine Routine oder eine Programmfolge aufruft, die von der Rekursivschieberegister-Struktur, die in Fig. 5A dargestellt ist, ausgeführt werden soll. Der Rechner setzt bei der Ausführung dieses Befehls das Flipflop 122 in seinen "Eins"-Zustand und liefert einen Impuls auf der Leitung 124, der die Torschaltung 126 öffnet, um die Register 128, 130 und 132 zu laden. Während des letzteren Teils des Ausführungszyklus einer Maschineninstruktion wird auf die Leitung 108 ein Impuls auftreten, der normalerweise zur Weiterschaltung des Befehlszählers 100 verwendet wird. Da sich nun das Flipflop 122 in seinem "1"-Zustand befindet, wird die UND-Schaltung 134 geöffnet, so daß der Impuls auf der Leitung 136 erscheint, um Schiebeimpul-

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se an das Register 132 abzugeben. Die Zahl, die notwendig ist, um das Register 132 zu laden, muß eine Zahl sein, die bewirkt, daß das Schieberegister 132 zu dem Startzustand der gewünschten Befehlsfolge weiterschaltet, nachdem es einmal weitergeschoben wurde. Die tatsächliche Verschiebung wird nun im folgenden beschrieben.

Der "Verschiebe 1"-Impuls auf der Leitung 136 wird zu den Torschaltungen 138, 140, 142, 144 und 146 übertragen. Zwei oder mehrere der Tore 148 bis 156 werden durchgeschaltet und zwar gemäß dem Wert des Steuerwortes, das in das Register 128 geladen wurde. Dann wird der Inhalt des Flipflop 166 zu dem Flipflop 158_f der Inhalt des Flipflops 168 zu dem Flipflop 160, der Inhalt des Flipflops 170 zu dem Flipflop 162, der Inhalt des Flipflops 172 zu dem Flipflop 164 übertragen und die Modulo-2-Summe der ausgewählten Flipflops 166 bis 174 von den EXKLUSIV-ODER-Schaltungen oben in den Figuren 5A und B gebildet und in den Flipflop 176 geladen. Nachdem der "Verschiebe 1"-Impuls auf der Leitung 136 verschwunden ist, erscheint ein "Verschiebe 2"- Impuls auf der Leitung 178. Daraufhin wird der Inhalt des Flipflop 176 zu dem Flipflop 166, der Inhalt des Flipflops 158 zu dem Flipflop 168, der Inhalt der Flipflop 160 zu dem Flipflop 170, der Inhalt des Flipflop 162 zu dem Flipflop 172 und der Inhalt des Flipflop 164 zu dem Flipflop übertragen. Dieses ist die Art und Weise, in der die rekursive Verschiebung durchgeführt,wird.

Am Ende des Verschiebezyklus wird der Inhalt des Registers 132 an den Decodierer 133 abgegeben, der die achtstellige Binärzahl decodiert und in Form von Signalen auf den 256 Ausgangsleitungen abgibt, die über die Torschaltung 180 und das Kabel 182 übertragen ; werden. Der Rechner empfängt nun seine Befehle nicht mehr über das Kabel 120, sondern über das Kabel 182. Die Ausführung einiger dieser Befehle kann erfordern, daß Daten auf irgend ein, auf beliebige zwei oder alle drei der Kabel 184, 186 oder 188 übertragen wird, um die Register 128, 130 oder 132 nachzuladen. Die Ausfüh-

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rung einiger dieser Befehle führt zur Zurückstellung des Flipflops 122 in seinen "Null"-Zustand, wodurch die Steuerung des Rechners wieder über sein gespeichertes Programm erfolgt.

Programmbeispiele

Die folgende Beschreibung befaßt sich mit zwei Programmfolgen, die mit einer Rekursivschieberegister-Anordnung realisiert wird, die in den Figuren 5A bis 5C dargestellt ist. Das erste Programm betrifft eine Folge für die Durchführung einer Quadratwurzelberechnung, das zweite befaßt sich mit der Berechnung eines Polynoms.

Zur Erläuterung wird angenommen, daß der Rechner (Allzweckrechner) über fünf Allzweckregister verfügt, die von dem Programm benutzt werden können. Darüberhinaus ist das Rekursivschieberegister 32 hierin mit der Bezeichnung S versehen. Bei den fünf Registern handelt es sich um das Register A, welches ein Akkumulatorregister ist, in dem auch die Ergebnisse von Multiplikationen oder Divisionen gespeichert werden, die Register X, Y und Z, die Speicherregister sind und das Register B, das ein Indexregister ist. Außerdem wird angenommen, daß ein Satz von η Speicherbereichen für den Zugriff von Information zur Verfügung steht, die in die Register A, X, Y und Z eingegeben werden soll.

Im ersten Beispiel wird ein fünfstelliges Rekursivschieberegister mit einer Anordnung verwendet, die mindestens 14 Zustände plus einen Ruhezustand, der aus lauter Nullen besteht, zur Verfügung stellt. Im zweiten Beispiel sind nur fünf verschiedene Zustände notwendig. Ein fünfstelliges Rekursivschieberegister wird hierzu verwendet, das eine lineare Rückkopplung und eine anfängliche Schieberegistereinstellung aufweist, die die Benutzung des zuvor diskutierten Dreilängenzyklus ermöglicht.

Im folgenden werden die in Tabelle 9 dargestellten Maschinenbefehle definiert. Der Inhalt eines Speicherbereichs oder eines Registers ist bezeichnet mit (£.) , wobei I die Werte von A, X, Y, Z, B YO 973 057

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245951Q

- 19 und S einnehmen kann.

YO 972 057

5Π98Λ7/072

BEFEHL

Lade Am.

Speicheret m.

MULT m.

ADD ItI.

DIV nu SUB m.

TEST M

MELDEN Fehler

ADD m^, Β

- 20 -

TABELLE 9 DEFINITION

Lade den Inhalt der Speicheradresse m. in das Register l

Speichere den Inhalt des Registers ι in den Speicher an der Stelle mit der Adresse m.

Multipliziere den Inhalt von A mit dem Inhalt von m. und speichere das Ergebnis in A. Beachte, daß m. ein Register, eine Speicheradresse oder ein Literal, z.B. 5 sein kann

Addiere den Inhalt von A zu dem Inhalt von m. und speichere die Summe in A.

Teile den Inhalt von A durch den Inhalt von m. und speichere das Ergebnis in A.

Subtrahiere den Inhalt von m. vom Inhalt von A und speichere das Ergebnis in A.

Wenn (M)< O ist, dann wird das Register S auf O eingestellt; ansonsten wird die Folge fortgeführt. Beachte, daß M sein kann A, X, Y, Z oder B.

Melde an den Rechner, daß die Programmfolge vollständig durchgeführt ist.

Sende ein Fehlersignal zu dem Rechner, das eine Fehlfunktion anzeigt.

Addiere den Inhalt von B zur Adresse In₁, addiere dann den Inhalt der sich hieraus ergebenden Speicherstelle zu

YO 973 057

5Ω9847/0723

dem Inhalt von A und speichere die Summe< in A. Der Inhalt von Register B wird um 1 vermindert, nachdem der Additionsteil des Befehls ausgeführt wurde.

Quadratwurzelberechnung

In diesem Beispiel berechnet eine Programmfolge die Quadratwurzel einer Zahl mit Hilfe der bekannten Newton-Raphson-Iteration auf folgende Weise:

Finde: X = /KT wobei O <c x, R ist mit Hilfe der Formel

X₀ = 1/2R + 1/2

^Xn₊1 -

Stoppe bei |X_n+1 -Xj < _ε

Beachte, daß X_q ^ Χ_χ >· X₂ >_ ist.

Um 14 Maschinenbefehle auszuführen, wie es für die gewünschte Programmfolge erforderlich ist, wird das Steuerregister 128 auf einen Wert eingestellt, der das Rekursivschieberegister 132 in der gleichen Weise strukturiert, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Wie zuvor bereits erläutert wurde, liefert diese Anordnung 21 verschiedene Zustände des Rekursivschxeberegisters. Da nur 14 Zustände erforderlich sind, wird die in Tabelle 4 dargestellte Sequenz keinen Gebrauch von den Schritten 15 bis 21 machen. Der "Lauter Nullen"-Zustand des Rekursxvschieberegisters dient als Indikator für die Beendigung der Programmfolge. Die Programm* folge, mit der die Quadratwurzelberechnung durchgeführt wird, ist in Tabelle 10 dargestellt.

YO 973 057.

509847/0723

TABELLE 10

Nummer des
Befehls

Inhalt des Registers S

Befehl Anmerkung

1.
2.

3.

4.

5.
6.

7.
8.
9.
10.
11.
1-4-12.

13.
114.

15.

00001 00011

00111 01111

Hill 11110

11101 11010 10101 01010 10100 01001

10011 00110

01100 00000

SPEICHERE A Z

MULT .

ADD .

SPEICHERE A X

LADE A Z

DIV X

ADD X

MULT .

SPEICHERE A Y

SUB X

ADD. 000

TEST A

LADE A Y LADE S 01111

FEHLER MELDEN

A «- .5R. Das Literal .5 kann sich in einem anderen Schieberegister oder in einer Speicherstelle befinden.

.5R + .5(A) = X_c

^Xo - ^Xn

R/X

'n

R/X_n

+ x

1/2 (RZX_n+X_n) =X_n+1

n+1

-X

Bilde X

n+1

— ε

Wenn X ._-X <eist, dann lade S-mit "00000". n+i η

Ansonsten geht S zum nächsten Zustand über.

• n+1

Verzweige zu Schritt Nr. 4 zur Iteration durch das Laden von S mit "01111".

Ruhezustand, der das Ende der Programmfolge angibt X =/R~befindet sich im Y-Register

- 23 Polynoitiberechnung (Auswertung)

Bei dem vorliegenden Beispiel wird ein Polynom η-ten Grades ausgewertet. Die Koeffizienten des Polynoms werden zusammenhängend in einem Abschnitt des Hauptspeichers gespeichert, beginnend an der Speicherstelle m. Viele Funktionen können dadurch approximiert werden, daß sie in Termen ihrer Taylor-Reihe oder mit Chebyshev-Polynomen ausgedrückt werden, wie es in dem Aufsatz "Approximations for Digital Computers", von C. Hastings, Princeton University Press, 1955, dargestellt ist.

Das Polynom wird in eingeschalteter Form ausgewertet, d.h.,

Υ a. X^k = a + a.x + a_ox² + ... + a Xⁿ £ k ο 1 2 η

k=O

= a,. + x(a. + X(a_o + X(...X(a . + X(a ) u.i i η—ι η

Es wird angenommen, daß die Programmfolge mit dem Wert χ im X-Register und de;a Wert η im B-Register begonnen wird. Der Wert des Polynomen wird an das Α-Register zurückgegeben. Das Schieberegister S wird mit 5 Stellen- verwendet, in denen sich das Steuerwort "00011" befindet.

	i	*2.	Inhalt des Registers S	Befehl	Anmerkung
		00110	LADE A 0	Lösche das A-Regi- ster A<- 0
Nummer des Befehls		01101	ADD m,b	A«- (A) +. a_k
1.	J.			wobei k = n, n-1, n-2, ...0.
	— 4.	11011	TEST B	Wenn (B)< 0 ist, dann S+O0000; anson sten Fortfahren mit Schritt Nr. 4
	'...-■>	10110	MULT X	A. χ . in)*
	YO 973 O57	00000	MELDEN	RUHEZUSTAND

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In die Programmfolge kann eingetreten werden, indem das Datenmuster "00110" in das Schieberegister S eingegeben wird. Dieses geschieht mit Hilfe eines Ladebefehls, der das Α-Register löscht. Daraufhin folgt ein Dreibefehlszyklus. Der Befehl zwei gibt an, daß der Koeffizient a., wobei k von dem bestimmten Wert im Register B geliefert wird, zu dem Inhalt des Α-Registers addiert werden soll. Darüberhinaus zählt es das B-Register zurück, nachdem diese Addition durchgeführt wurde. Der Befehl drei prüft den Inhalt des B-Registers auf einen negativen Wert. Wenn dieser nicht negativ ist, geht das Schieberegister auf den Multiplikationsbefehl vier über. Wenn B negativ ist, dann wird der Dreibefehlszyklus unterbrochen mit Hilfe einer "00000", die in das Schieberegister S eingegeben wird, wobei die Rechenroutine für das Polynom beendet wird.

Nach dem Befehl vier kehrt das binäre Informationsmuster in dem Schieberegister S auf den Wert "01101" zurück, wodurch der Befehl ADD m, B reaktiviert wird, was die Addition eines neuen a,-Terms für die Teilberechnung des Polynoms bewirkt.

Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wurde anhand von zwei Betriebsarten erläutert, obwohl es prinzipiell möglich ist, einen Spezialrechner zu entwerfen, der nur unter Steuerung eines Rekursivschieberegisters der erläuterten Art arbeitet. Bei der Erläuterung wurde ferner von einem relativ kleinen Rekursivschieberegister ausgegangen, obwohl für größere Anlagen auch größere Rekursivschieberegister verwendet werden können.

Darüberhinaus wurde zur Erläuterung das Decodierungsnetzwert am Ausgang des Rekursivschieberegisters als ein getrenntes Decodierungsnetzwerk dargestellt, obwohl es auch vollständig mit dem Rekursivschieberegister integriert sein kann, wobei auch ein Betriebsarten-Indikatorbit in den Entwurf fest miteingebaut sein kann.

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Die Beschreibung hat sich ferner auch auf lineare Rekursivschieberegister beschränkt, obwohl das Prinzip der Erfindung auch mit nichtlinearen Schieberegistern realisiert werden kann.

Auch die Verwendung eines einzigen Rekursivschieberegisters für die Steuerung der Operation eines Rechners ist nicht zwingend, da es im Rahmen der Erfindung auch möglich ist, eine hierarchische Struktur von Rekursivschieberegistern zu verwenden, wobei sich die Rekursivschieberegister gegenseitig aktivieren. Aber auch ein voll paralleler Betrieb mehrerer Rekursivschieberegister ist möglich und hängt von dem jeweiligen Anwendungsfall ab.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

/ ly Elektronischer Digitalrechner zur Ausführung einer Folge von Befehlen mit einem Speicher zur Aufbewahrung digitaler Information die vom Rechner abrufbar ist, gekennzeichnet durch ein Rekursivschieberegister (12; Fig. 3), das an seinen Ausgängen ein rekursives Digitalwort abgibt und einen mit den Ausgängen des Rekursivschieberegisters verbundenen Decodierer (14) , der das Rekursiererdigitalwort decodiert und daraus Steuersignale erzeugt, welche die Befehlsausführung des Digitalrechners steuern.
2. Elektronischer Digitalrechner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Steuereinrichtung (z.B. 30 bis 38, 40 und 50; Fig. 4) zur Steuerung der rekursiven Folge des Rekursivschieberegisters und Rückkoppelverbindungen (z.B. über EO; Fig. 3) zur Bewirkung einer speziellen Rückkopplung für das Rekursivschieberegister vorgesehen ist.
3. Elektronischer Digitalrechner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsverbindungen mehrere logische Schaltungen (z.B. EO; Fig. 3) umfassen und eine Auswahlsteuerung für die Auswahl einer speziellen Anordnung solcher logischer Schaltungen vorgesehen ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die logischen Schaltungen Modulo-2-Addierer (40; Fig. 4) sind und die von diesen Modulo-2-Addierern

verarbeitete Information binäre Daten sind.
5. Elektronischer Digitalrechner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (Fig. 5 A-C) ein Register für die Aufnahme eines vorgegebenen Code-

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Wortes und eine Schaltung zur selektiven Ladung des Registers aufweist, welches eine bestimmte Rückkopplungsfunktion für das Rekursivschieberegister bewirkt.
6. Elektronischer Digitalrechner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Initialisierungseinrichtung für das Laden vorgegebener Informationsmuster in dem Rekursivschieberegister vor der Aktivierung dieses Registers vorgesehen ist.
7. Elektronischer Digitalrechner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Ladung eines vorgegebenen Informationsmusters in das Rekursivschieberegister vorgesehen ist, das die bestimmte Sequenz bewirkt, die von dem Rekursivschieberegister erzeugt wird.
8. Elektronischer Digitalrechner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die auf die Decodierung bestimmter Maschinenbefehle mit der Beendigung der Ausführung des Rechnerprogramms und dem Beginn des Betriebs des rekursiven Schieberegisters reagiert und ferner eine Einrichtung vorgesehen ist, die bei der Decodierung eines Digitalwortes, das die Beendigung einer von dem Rekursivschieberegister durchgeführten Sequenz anzeigt, die Bearbeitung beendet und die Steuerung des Rechners wieder dem Rechnerprogramm zurückgibt.

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Le e rs e i fe