DE1171182B - Taktimpulsverteilsystem - Google Patents
TaktimpulsverteilsystemInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. KL: G06f
Jefif
Deutsche Kl.: 42 m-14
Nummer: 117
Aktenzeichen: G 31570 IX c / 42 m
Anmeldetag: 10. Februar 1961
Auslegetag: 27. Mai 1964
Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Verteilung von Synchronisiertaktimpulsen in Digitalrechnern
und datenverarbeitenden Einrichtungen und insbesondere auf eine Anordnung zum synchronen
Erregen mehrerer Belastungsschaltungen aus einer einzelnen Taktgeberimpulsquelle, bei der die
Leistungsaufnahme der Belastungsschaltungen und für die Induktivität der Zwischenverbindung die
Steuerkapazität der Taktgeberimpulsquelle übersteigt.
Bei synchron arbeitenden Digitalrechnern und m datenverarbeitenden Einrichtungen ist eine große
Anzahl von Binärspeicherelementen durch logische Elemente oder Schaltungen so zusammengeschaltet,
daß die Rechnungsoperationen und Verarbeitungen von Daten dadurch erfolgen können, daß Daten von *5
bestimmten Binärspeicherelementen auf andere Binärspeicherelemente auf Grund eines Programms, das
von einem Programmierer erstellt wird, übertragen werden. Wenn der Betrieb der Einrichtung synchron
erfolgen soll, ist es erforderlich, die Übertragung von Daten durch Einblenden entweder der Speicherelemente
oder der logischen Schaltungen mit Taktimpulsen zu synchronisieren.
Es kommt kaum vor, daß alle gespeicherten Daten gleichzeitig oder während derselben Zeit- oder Taktperiode
übertragen werden sollen, aber es kommt vor, daß wenigstens die Hälfte der Daten während
einer bestimmten Taktperiode übertragen werden sollen. Wenn beispielsweise eine Einrichtung etwa
vierhundert Binärspeicherelemente oder Flip-Flops aufweist, kann es vorkommen, daß gleichzeitig zweihundert
von ihnen ausgelöst werden sollen.
Das Synchronisieren des Auslösevorganges einer derartigen Menge von Flip-Flops mit Taktimpulsen
aus einem einzelnen Generator wirft eine Reihe von Problemen auf, insbesondere bei hoher Taktgeschwindigkeit
von 250 bis 400 kHz oder mehr. Beispielsweise kann der Taktimpuls für ein System mit einer
Taktgeberfrequenz von 250 kHz so ausgelegt sein, daß er eine Spannungsamplitude von 10 V innerhalb
einer Anstiegszeit von nicht mehr als 0,2 Mikrosekunden aufweist. Wenn die Eingangskapazität eines
jeden Taktimpulseinblendkreises im System etwa 200 · 10-12 Farad beträgt, so muß der Strom, der
zum Einblenden eines Flip-Flops erforderlich ist, folgenden Wert annehmen:
Taktimpulsverteilsystem
dv
dt '
dt '
200 · ΙΟ-12 · 10
= 10 Milliampere.
Anmelder:
General Electric Company, Schenectady, N.Y.
(V. St. A.)
(V. St. A.)
Vertreter:
Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Parkstr. 13
Frankfurt/M., Parkstr. 13
Als Erfinder benannt:
Douglas James Hamilton, Tucson, Ariz.
(V. StA.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 11. Februar 1960 (8079)
Dementsprechend muß der Stromimpuls zum Einblenden von zweihundert Flip-Flops 2 Ampere betragen,
was ein verhältnismäßig hoher Stromimpuls ist, um die gegatterten Flip-Flops von einer einzigen
Taktimpulsquelle aus in weniger als 2Z10 Mikrosekunden,
insbesondere mit Transistorschalteinrichtungen, zu schalten. Darüber hinaus ergeben Versuche zur
Übertragung von Impulsen mit einer Wellenstirn von einer Steilheit oder einer Anstiegszeit von 50VoIt
je Mikrosekunde über einen offenen Draht von mehr als 30 bis 60 cm Länge beachtliche Einschwingvorgänge
auf Grund der Selbstinduktion und der Streukapazität der Leitung, die ein fehlerhaftes Triggern
der Flip-Flops bewirken können. Sieht man mehrere Synchronisiertaktgeberimpulsquellen vor, um der Belastungsanforderung
zu genügen, so ist es schwierig, den synchronen Betrieb aller Speisequellen aufrecht
zu erhalten.
Ein weiteres Problem tritt bei der Auslegung der logischen Schaltung für einen Rechner oder eine
datenverarbeitende Einrichtung auf, wenn es erforderlich ist, eine Einrichtung zum Unterbrechen der
Zufuhr der Taktgeberimpulse an bestimmte Abschnitte vorzusehen. Beispielsweise kann es erwünscht
sein, ein Schieberegister nur während bestimmter Abschnitte eines Programms zu betätigen.
409 597/324-
Somit ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Taktgeberimpulsverteileinrichtung zur gleichzeitigen
Übertragung eines Taktgeberimpulses auf viele Belastungen, z.B. eingeblendete Flip-Flops, aus einer
einzigen Quelle zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Taktgeberimpulsverteileinrichtung
zu schaffen, bei der die Verteilung der Taktgeberimpulse auf bestimmte Belastungen
selektiv unterbrochen werden kann, ohne daß die Verteilung von Taktgeberimpulsen auf
andere Belastungen beeinflußt wird.
Gemäß der Erfindung synchronisiert die Taktgeberimpulsquelle eine Taktgeberimpulstreiberstufe, es
sind ferner eine oder mehrere Gruppen ähnlicher Taktgeberimpulstreiberstufen vorgesehen, die jeweils
in Koordinatenpegeln an eine Treiberstufe auf einem höheren Pegel angeschlossen sind und bei denen die
Anzahl von Treiberstufen innerhalb jeder Gruppe im Bereich der Steuerkapazität der Treiberstufe auf
höherem Pegel liegt, und es sind alle Belastungsschaltungen in Gruppen angeordnet, die mit Treiberstufen
auf demselben Pegel verbunden sind, wobei die Anzahl von Pegeln der Zwischentreiberstufen von
der Taktgeberquelle zu allen Belastungen gleich ist, während die Zahl der Belastungsschaltungen innerhalb
jeder Gruppe von der Steuerkapazität der Taktgeberimpulstreiberstufen abhängt.
Nach der Erfindung werden somit in Verbindung mit einem Verteilsystem Treiberstufen in Untereinheiten
in solcher Weise kombiniert, daß alle Belastungen zwischen der Belastung und dem Taktgebergenerator
die gleiche Anzahl von Zwischenstufen aufweisen. Bei der Taktimpulsverteilung tritt
eine Schwierigkeit auf, wenn eine Taktimpulsquelle oder ein Übersetzungsschalter, der nur eine begrenzte
Anzahl von Belastungen ansteuern kann, zum Ansteuern einer großen Anzahl von Belastungen verwendet
wird. Eine Möglichkeit, um dies durchzuführen, liegt darin, die Kapazität der Treiberstufe zu
vergrößern oder mehrere Stufen parallel zu schalten. Wenn eine so genaue Taktsteuerung erforderlich ist,
daß die Leistungsinduktivität berücksichtigt werden muß, ist ein solcher Weg nicht mehr gangbar, so daß
hierbei erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, zwei oder mehr Pegel von Taktimpulstreiberstufen oder
-schaltungen vorzusehen, so daß jede Taktimpulstreiberstufe auf einem Pegel mehrere andere Taktimpulstreiberstufen
ansteuert. Die Taktimpulstreiberstufen im letzten Pegel dienen dazu, alle Belastungen
anzusteuern, die z. B. Flip-Flops sein können. Wenn die Anzahl von Pegeln zwischen dem Taktimpulsgenerator
und allen Belastungen, die synchron zueinander angesteuert werden sollen, für jede Belastung
gleich ist, wird gemäß der Erfindung die Belastung etwa synchron angesteuert, da die Zeitverzögerung
zwischen dem Taktimpulsgenerator und einer gegebenen Belastung etwa gleich der Zeitverzögerung
zwischen Taktimpulsgenerator und jeder anderen Belastung ist. Wenn eine größere Anzahl
von Belastungen synchron angetrieben werden soll, können zusätzliche Pegel zwischen Impulsgenerator
und Belastungen pyramidenförmig angeordnet werden, bis die Basis einer solchen Pyramide, die den
Belastungspegel darstellt, die erforderliche Größe aufweist.
In der Zeichnung sind nur einige Taktgeberimpulstreiberstufen und Belastungs-Flip-Flops, die mit dem
Taktgeber-Impuls-Verteilsystem verbunden sind, dargestellt. Da aber jede Taktgeberimpulstreiberstufe
zehn oder zwanzig Taktgeberimpulstreiberstufen bzw. zehn oder mehr Flip-Hops betreiben kann, was von
der Schaltung der verwendeten Flip-Flops abhängt, δ kann das System auch so ausgeweitet werden, daß
eine wesentlich größere Anzahl von Taktgeberimpulstreiberstufen zum Betreiben einer viel größeren Anzahl
von Belastungs-Flip-Flops gemäß der Erfindung vorgesehen werden kann.
ίο Ein Taktgeberimpulsgenerator 101 erzeugt Taktgeberimpulse
mit einer gewünschten Taktgeberfrequenz, z.B. 250 kHz. Eine Taktgeberimpulstreiberstufe
102 auf einem Pegel von Treiberstufen wird durch die Impulse auf dem Generator 101 betrieben.
Die Treiberstufe 102 überträgt Taktgeberimpulse auf eine Reihe von Treiberstufen auf einem zweiten
Pegel von Treiberstufen über eine Leitung 108, z. B. die Treiberstufen 103 bis 107.
Jede Treiberstufe auf dem zweiten Pegel, beispielsweise die Treiberstufe 103, betreibt mehrere Treiberstufen
auf einem dritten Pegel. Jede Treiberstufe auf dem dritten Pegel, z.B. die Treiberstufen 109 und
110, dient zum Betreiben einer Reihe von eingeblendeten Flip-Flops oder Belastungskreisen. Vier
Flip-Flops 111 bis 114 sind mit der Treiberstufe 109 verbunden dargestellt. Sämtliche vier Tore werden
gleichzeitig jedes Mal dann ausgelöst, wenn ein Taktgeberimpuls übertragen wird, da die Treiberstufe 109
sie alle antreibt.
Die Treiberstufen können so eingeblendet sein, daß sie wie Schalter wirken. Die Treiberstufe 110 ist
eingeblendet, deshalb werden alle Flip-Flops 115 bis 118, die betrieben werden, von dieser Treiberstufe
nur ausgelöst, wenn ein Einblendsignal in den Eingang über die Klemme 119 eingeführt wird. Dieses
Signal kann als Gegen- oder als Sperrvorspannung vorgesehen sein. Die Zuführung des Einblendsignals
wird durch nicht dargestellte Schaltungen gesteuert, die entweder ein Teil eines Rechners oder einer
datenverarbeitenden Einrichtung sein können, für die das Impulsverteilsystem vorgesehen ist, oder aber
durch andere, ebenfalls nicht dargestellte Schaltungen in getrennten Einrichtungen, z. B. Eingabe- und
Ausgabeeinrichtungen.
Obgleich die Treiberstufe 110 eingeblendet wird und die Treiberstufe 109 nicht, werden die Flip-Flops
111 bis 118 synchron ausgelöst, wenn beide Treiberstufen Taktgeberimpulse während einer bestimmten
Taktgegeberimpulsperiode übertragen, da beide Treiberstufen gleichzeitig durch die Treiberstufe 103 und
eine Leitung 120 betrieben werden.
Andere Treiberstufen auf dem zweiten Pegel, z. B. die Treiberstufe 105, betreiben Treiberstufen auf
dem dritten Pegel, z. B. die Treiberstufen 149 und 150, deren jede eine Reihe von eingeblendeten Flip-Flops
oder Belastungskreisen betreibt. Drei Flip-Flops 151, 152 und 153 werden durch die Treiberstufe
149 betrieben und vier eingeblendete Flip-Flops 154 bis 157 durch die Treiberstufe 150. Sämtliche
Flip-Flops 151 bis 157 werden synchron ausgelöst, da die Treiberstufen 149 und 150 gleichzeitig durch
die Treiberstufe 105 betrieben werden.
Da die Treiberstufen 103 und 105 gleichzeitig von der Treiberstufe 102 betrieben werden, werden z. B.
die Treiberstufen 109, 110, 149 und 150 auf dem dritten Pegel synchron betrieben. Infolgedessen werden
alle Flip-Flops, die mit den Treiberstufen auf dem dritten Pegel verbunden sind, synchron ausgelöst.
Um ein synchrones Auslösen aller Flip-Flops im System zu erzielen, muß die Übertragungszeit von
der Ausgangsklemme einer bestimmten Treiberstufe auf einem Pegel zur Eingangsklemme der Treiberstufe
auf den nächsten Pegel etwa gleich sein. Dies
wird durch abgeschirmte Leitungen mit geringem induktivem Widerstand erreicht, die zu jeder betriebenen
Steuerstufe dieselbe Länge aufweisen.
Die Steuerstufen auf dem dritten Pegel sind vorzugsweise möglichst nahe an die Belastungsschaltungen,
die sie betreiben sollen, herangebracht. Ist dies der Fall, so brauchen keine abgeschirmten Leitungen
mit geringem induktivem Widerstand zwischen den Ausgangsklemmen der Steuerstufen auf dem dritten
Pegel und den Belastungsschaltungen vorgesehen werden.
Die Impulsverteilschaltung, die in der Figur dargestellt ist, kann so weit ausgebaut werden, bis die
Belastungskapazität einer jeden Steuerstufe auf jedem
Pegel überschritten wird. Wenn eine größere Anzahl von Belastungselementen betrieben werden soll, kann
die Kapazität des Verteilsystems dadurch verdoppelt werden, daß ein weiterer Ausgangsverstärker an die
Steuerstufe 102 angeschaltet wird. Um die Belastungskapazität weiter zu erhöhen, ist es möglich, jeder
Steuerstufe sowohl auf dem zweiten als auch auf dem dritten Pegel der Steuersrufen einen zweiten
Ausgangsverstärker hinzuzufügen und, falls dies notwendig ist, auch mehrere Pegel von Treiberstufen
vorzusehen. .
Jedes eingeblendete Flip-Flop stellt nur einen Typ einer Stromkreisbelastung in einem Rechner oder in
einer datenverarbeitenden Einrichtung, die synchronisiert werden soll, dar. Eine derartige Flip-Flop-Schaltung
kann beispielsweise aus zwei über Kreuz geschalteten, einen gemeinsamen Emitter aufweisenden
Transistorverstärkern bestehen, deren Kollektorelektroden jeweils an eine Diode gelegt sind, um zu
verhindern, daß der Transistor in das Sättigungsgebiet gelangt, und um damit Minoritätsträgerspeiche-
rungseffekte zu vermeiden. Die logischen Eingangssignale werden an die Eingangsklemmen des Flip-Flops
mit Hilfe einer Taktgeberimpulsaustastschaltung gegeben, die aus einer Kopplungsdiode besteht,
welche entgegengesetzt vorgespannt ist, um eine Übertragung der logischen Eingangssignale zu verhindern,
wenn nicht ein Taktgeberimpuls der Kopplungsdiode über einen Kondensator zugeführt wird.
Wie bereits erwähnt, läßt sich die synchrone Übertragung von Daten auch dadurch erreichen, daß
logische Schaltungen in einem Rechner oder einer datenverarbeitenden Einrichtung eingeblendet werden.
Dies läßt sich so durchführen, daß die Technik des Einblendens auf die logische Schaltung statt auf
die Flip-Flops übertragen wird. Im Gegensatz zu den durch Flip-Flops im System nach der Figur dargestellten
Belastungsschaltungen können letztere auch durch logische Schaltungen, z. B. durch Dioden-UND-
sowie durch ODER-Schaltungen dargestellt sein. Die Treiberstufen sind vorzugsweise Transistor-Rückkopplungsschaltungen,
z. B. Sperroszillatoren. Wenn nur lineare Verstärkerschaltungen über verschiedene
Pegel in Kaskade geschaltet würden, würde sich eine Verzerrung der Wellenform des Impulses
ergeben. Taktgeberimpulse, die eine definierte Stirnflanke und eine exakte Wellenform erfordern, werden
am besten jedesmal wieder neu auf jedem Pegel erzeugt. Der Impuls auf dem vorausgehenden Pegel
braucht dann nur die Rückkopplungsschaltungen auf dem nachfolgenden Pegel auszulösen.
Der Taktgeberimpulsgenerator 101 kann z. B. ein Kristalloszillator sein. Der Ausgang eines derartigen
Oszillators ist eine Sinuswelle. Um aus dieser Sinuswelle
Impulse zu erzielen, wird der Oszillator an eine Wellenformerschaltung, z. B. einen übersteuerten
Verstärker gelegt. Eine Rückkopplungsverstärkerschaltung läßt sich dann zweckmäßigerweise verwenden,
wenn ein derartiger Verstärker vom Sättigungsbis zum Abschaltpunkt des Oszillators betrieben
wird. Zum schnellen Ab- und Anschalten nachfolgender Schaltungen wird zweckmäßigerweise eine mit
hoher Geschwindigkeit arbeitende Begrenzerschaltung in den Verstärkern verwendet.
An Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird der Grundgedanke der Erfindung
nachstehend nochmals erläutert. Die Taktimpulstreiberstufe 149 ist mit drei Belastungen verbunden.
Die um eine Einheit darunterliegende Treiberstufe 150 z. B. ist an vier Belastungen angeschlossen.
Wenn eine beliebige Einheit auf dem gleichen Pegel nur mit einer einzigen Belastung betrieben
wird, ist offensichtlich, daß zwar die Kapazität der Einheit 149, 150 sicher für vier oder mehr Einheiten
ausreicht, daß aber nur eine einzige Einheit angeschlossen ist. Nach der Erfindung weisen nun alle
Belastungen die gleiche Anzahl von Zwischenstufen aus der Taktimpulsquelle 101 auf. Nimmt man an,
daß die Verbindungen eine zusätzliche Belastung auf der Einheit 150 erfordern, wofür die Einheit 150
nicht ausgelegt ist, würde es nicht ausreichen, zwei dem Element 150 ähnliche Einheiten parallel zu
schalten. Vielmehr muß ein anderer Pegel vorgesehen werden und alle Belastungen müssen über diesen
zusätzlichen Pegel geschaltet werden.
Claims (4)
1. Anordnung zum synchronen Erregen mehrerer Belastungsschaltungen aus einer einzelnen
Taktgeberimpulsquelle, bei der die Leistungsaufnahme der Belastungsschaltungen und für die Induktivität
der Zwischenverbindung die Steuerkapazität der Taktgeberimpulsquelle übersteigt,
dadurch gekennzeichnet, daß dieTaktgeberimpulsquelle (101) eine Taktgeberimpulstreiberstufe
(102) synchronisiert, daß eine oder mehrere Gruppen ähnlicher Taktgeberimpulstreiberstufen
(103 usw.) vorgesehen sind, die jeweils in Koordinatenpegeln an eine Treiberstufe
in einem höheren Pegel angeschlossen sind und bei denen die Anzahl von Treiberstufen innerhalb
jeder Gruppe im Bereich der Steuerkapazität der Treiberstufe auf höherem Pegel liegt, und
daß alle Belastungsschaltungen in Gruppen angeordnet sind, die mit Treiberstufen auf demselben
Pegel verbunden sind, wobei die Anzahl von Pegeln der Zwischentreiberstufe von der Taktgeberquelle
zu allen Belastungen gleich ist, während die Zahl der Belastungsschaltungen innerhalb
jeder Gruppe von der Steuerkapazität der Taktgeberimpulstreiberstufen abhängt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenverbindungsimpedanz
aus den Treiberstufen innerhalb einer Gruppe eines bestimmten Pegels zu den Treiber-
stufen eines nachfolgenden Pegels ähnlich ist, indem z. B. Leitungen aus demselben Material und
derselben Länge verwendet werden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberstufen über Torschaltungen
arbeiten und als Schalter wirken.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberstufen Rückkopplungsschaltungen
sind, wobei der Ausgangsimpuls aus Treiberstufen jedesmal wieder neu geformt wird, wenn eine Treiberstufe von einem empfangenen
Impuls ausgelöst wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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