DE1934439C3

DE1934439C3 - Digital-Rechner zur Verarbeitung von Vektorfeldern

Info

Publication number: DE1934439C3
Application number: DE19691934439
Authority: DE
Inventors: William Daniel; Watson William Joseph; Cooper Thomas Edward; Richardson Tex. Kastner (V.St.A.)
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1968-07-11
Filing date: 1969-07-07
Publication date: 1978-02-02

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Digital-Rechner gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DT-AS 1122 748 ist bereit- ein solcher Digital-Rechner bekannt Bei diesem Rechner geht es um die Ausführung von Operationsttfehlen, wobei die gleichen Einzeloperationen auch sämtliche Feldwerte eines Feldes bzw. auf sämtliche Paare einander zugeordneter Feldwerte zweier Felder angewendet werden. Für die Durchfuhrung yon Vektorrechnungen ist bei diesem Rechner eine spezielle Programmierung erforderlich, damit die vorhandenen Rechnerbaugruppen die bei der Vektorrechnung auftretenden, sich häufig wiederholenden Rechenschritte durchführen. Ein solcher, durch Programmierung zur Vektorrechnung geeigneter Rechner arbeitet jedoch relativ langsam, was insbesondere dann nachteilig ist, wenn große Datenmengen und insbesondere mehrdimensionale Vektorfelder mit vielen FeWwerten zu verarbeiten s-nd.

Ferner ist es aus der GB-PS10 39 141 bereits bekannt, bei der Durchführung von Matrixrechenoperationen mit Direktzugriffspeichern zu arbeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Digital-Rechner der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß die Rechengeschwindigkeit bei der Durchführung von Vektor-Operationen beträchtlich erhöht werden kann, ohne daß eine spezielle Programmierung erforderlich ist

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst

Die beim erfindungsgemäßen Rechner verwendete Vektorsteuerdatei liefert Adressierungsinformationen für den Speicher, mit deren Hilfe Daten in einer ununterbrochenen Reihenfolge zum Rechenwerk gegeben und dort in dieser ununterbrochenen Folge verarbeitet werden können. Die von der Speicherpuffereinheit vorgenommene Steuerung der Datenfolge in Abhängigkeit von den in der Vektorsteuerdatei enthaltenen Vektorsteuerparametern stellt sicher, daß das Rechenwerk die Vektordaten so empfängt, daß eine unmittelbare Verarbeitung mit hoher Geschwindigkeit ohne zusätzliche Schritte erzielt werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Nachfolgend wird ein Anwendungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vorzugsweise Anordnung von Rechnereinheiten und -peripheriegeräten,

F i g. 2 ein Blockschaltbild zu F i g. 1,

Fig.3 ein Blockschaltbild zur Darstellung einer Umschaltanordnung zwischen einer zentralen Datenverarbeitungseinheit und einer peripheren Datenverarbeitungseinheit der F i g. 1 und 2,

F i g. 4 ein Diagramm zur Darstellung einer Betriebsweise der zentralen Datenverarbeitungseinheit gemäß Fig. Ibis4,

F i g. 5 eine Puffereinheit zum Eingeben beispielsweise von Vektordaten in einen Rechner und

F i g. 6 ein Blockschaltbild der zentralen Datenverarbeitungseinheit gemäß F i g. 1 bis 4.

ZuFig. 1

Der Rechner enthält eine zentrale Datenverarbeitungseinheit 10 sowie eine periphere Datenverarbeitungseinheit 11. Ein Zentralspeicher besteht aus vier, von Dünnschichtspeicherekmenten gebildeten Speichern 12 bis 15 mit einer Zykluszeit von 160 Nanosekunden bei einer durchschnittlichen Zugriffszeit von 100 Nanosekunden. In den Speichern erfolgt beim Lesen ein Löschungsvorgang. Der Zentralspeicher ist an die zentrale Datenverarbeitungseinheit 10 und an die periphere Datenverarbeitungseinheit U angeschlossen;

S er kann von konventioneller Bauart sein.

jeder Speicher 12 bis 15 hat eine Wortkapazität von 16 384 Wörtern. Ein Wort besteht aus M Bits. 256 Bits = 8 χ 32 Bits = 8 Wörter heißen »Wortgruppe«, was bedeutet, daß 2048 Wortgruppen zu je 256 Bits in jedem

ι ο der Speicher 12 bis 15 gespeichert sind.

Eine Speichersteuereinheit 18 stellt die Lese-Schreib-Steuerung für den Zentralspeicher und damit das im allgemeinen notwendige Zwischenstück zwischen dem Zentralspeicher einerseits und der zentralen Datenver arbsitungseinheit 10 bzw. der peripheren Datenverar beitungseinheit 11 andrerseits dar. Die Speichersteuereinheit 18 hat eine Pufferwirkung, und sie enthält Vorrichtungen zur Ein- und Ausbiendung, Kartierung und zum Schutz der Daten in den Speichern 12 bis 15.

Die zentrale Datenverarbeitungseinheit 10, die periphere Datenverarbeitungseinheit 11, die Speichersteuereinheit 18 und die Speicher 10 bis 15 arbeiten synchron miteinander. Ein Taktsignal für die zentrale Datenverarbeitungseinheit erscheint alle 50Nanose künden, während ein Taktsignal für die periphere Datenverarbeitungseinheit alle 65 Nanosekunden erscheint Weitere Speichereinheiten werden von Plattenspeichern 16, 17 mit einer durchschnittlichen Zugriffszeit von etwa 60 Millisekunden und von Bandspeichern 21 bis 26 gebildet In den Bandspeichern 21,22 werden vorzugsweise 1-Zoll-Bänder verwendet, während in den Bandspeichern 23 bis 26 Halbzollbänder verwendet werden. Alle Bandspeicher können als Arbeitsspeicher und auch zu Ein-/Ausgabe-Zwecken verwendet werden.

Ein Kartenleser 19 dient zur Eingabe von auf Lochkarten gespeicherten Daten, und ein Kartenstanzer 20 dient zur Ausgabe von Daten auf gestanzten Lochkarten. Ein Zeilendrucker 27 ist als Ausgabegerät vorgesehen.

Als weiteres Ein-/Ausgabe-Gerät dient eine Bildschirmkonsole 28. Diese Bildschirmkonsole enthält zwei Bedienungspulte, die mit der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 gekoppelt sind und zwei Bildschirme von Zweistrahl-Kathodenstrahlröhren enthalten. Die Bedienungspulte bilden nicht nur die Steuereinheit für die Bildschirmkonsole 28, sondern auch für den Kartenleser 19, den Kartenstanzer 20, den Zeilendrukker 27 und die Bandspeicher 21 bis 26. Über die Bedienungspulte kann eine Bedienungsperson in den

so Rechner Befehle zum Prüfen der Hardware oder der Software eingeben; ebenso können über die Bedienungspulte Programmunterbrechungen an bestimmten Stellen ausgeführt werden, die es erlauben, den Fortgang einer Operation zu überprüfen und auf Grund der erzielten Fortschritte in ihrem weiteren Ablauf zu beeinflussen. Letzteres kann bedeuten, daß die Operation auf dem eingeschlagenen Weg weitergeführt wird oder daß möglicherweise mit anderen Daten auf einem anderen Weg fortgefahren wird

Wie es bei Rechner allgemein üblich ist, sind in dem in F i g. 1 dargestellten Rechner mehrere Speicherhierarchten vorgesehen. Beispielsweise gibt es die vier folgenden Hierarchien:

(a) die zentrale Datenverarbeitungseinheit 10 mit dem schnellsten Speicher,

(b) die Speicher 12 bis 15 des Zentralspeichers, die etwas langsamer arbeiten

(c) die Plattenspeicher 16, 17, die noch langsamer arbeiten und

(d) die Bandspeicher 21 bis 26, die im Vergleich zu den zuvor erwähnten Speichern die längste mittlere Zugriffszeit haben, falls von ihnen keine entsprechend vorsortierten Daten abgerufen werden.

Der Rechner von F i g. 1 verfügt über mehrere Untersysteme, die neu sind und eine bemerkenswerte Steigerung der Verarbeitungskapazität für die Fälle aufweisen, bei denen eine große Anzahl vorsortierter, in bestimmten Gruppen geordneter Daten zur Verarbeitung anfallen.

Ein erstes solches Untersystem besteht in einer automatischen Ümschaitanordnung zwischen der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 und der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 des Rechners, in dem mehrere Programme gleichzeitig ablaufen und verarbeitet werden können.

Ein weiteres solches Untersystem ist in der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 enthalten. Dieses Untersystem ermöglicht es. Daten zur Eingabe in den Rechner so zu speichern, zu gruppieren und dem Rechner in solcher Reihenfolge anzubieten, daß damit seine Verarbeitungsgeschwindigkeit wesentlich erhöht wird.

Ein nächstes solches Untersystem betrifft ein Parallelrechenwerk mit hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit und Flexibilität, in dem Operanden in einer Art von Fließbandverfahren verarbeitet werden.

Ein weiteres solches Untersystem schließlich betrifft das Arbeiten mehrerer virtueller Datenverarbeitungseinheiten innerhalb der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 in einem Zeitteilverfahren.

ZuFig.2

Die Organisation des Rechners von F i g. 1 ist durch eine Erläuterung der im Blockschaltbild von Fig.2 aufgezeigten Datenkanäle leicht zu umreißen. Ein Kanal 29 verbindet die Speichersteuereinheit 18 mit einer puffernden Platten- und Trommelsteuereinheit 30, von der ein Kanal zum Plattenspeicher 16 und ein weiterer Kanal zum Plattenspeicher 17 führen. Die Platten- und Trommelsteuereinheit 30 ist ein einfacher, fest verdrahteter Einzweckrechner zur Durchführung des Datentransports zwischen den mit der Speichersteuereinheit 18 verbundenen Zentralspeicher und den Plattenspeichern 16, 17 über den Kanal 29 nach Erhalt eines entsprechenden Befehls.

Die eben erwähnten Kanäle sind bidirektional, wobei in dem zwischen den Plattenspeichern 16 und 17 und der Platten- und Trommelsteuereinheit 30 liegenden Kanal nur jeweils ein Wort pro Taktzeit gefördert wird. Im Kanal 29 werden dagegen gleichzeitig 8 Wörter, also eine Wortgruppe, zwischen der Speichersteuereinheit 18 und der Platten- und Trommelsteuereinheit 30 transportiert

Der Anschluß eines Trommelspeichers 31 an die Platten- und Trommelsteuereinheit 30 zur Erhöhung der Speicherkapazität mit mittlerer Zugriffszeit könnte Ober einen weiteren bidirektionalen Kanal erfolgen.

Ein weiterer Kanal zur simultanen Übertragung von 256 Bits ist der bidirektionale Kanal 32 zwischen der Speichersteuereinheit 18 und der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11, der je eine Wortgruppe zwischen dem Zentralspeicher und der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 Ober die Speichersteuereinheit 18 transportiert

Wie oben bereits angedeutet wurde, dient die periphere Datenverarbeitungseinheit U als Mehrzweckrechner, dem unter anderem die Steuerung des Datenflusses zu allen Peripheriegeräten, deren Datenkanäle an ihn angeschlossen sind, mit Ausnahme der S Plattenspeicher 16 und 17 und des Trommelspeichers 31 obliegt.

Beim nichtzerstörungsfreien Auslesen aus dem Zentralspeicher müssen die ausgelesenen Daten regene rativ wieder eingespeichert werden, während nur eines

ίο der acht Wörter einer Wortgruppe in der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 verarbeitet wird. Dies erweist sich schon deshalb als notwendig, da von der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 infolge der mehr oder weniger langsam arbeitenden Peripheriege rate nur jeweils ein Wort aus der Achtworigruppe (maximal) benötigt wird. Eine typische Größe dei Datenübertragungsgeschwindigkeit für die Übertragung von Daten innerhalb der peripheren Datenverar beitungseinheit 11 für ein Peripheriegerät liegt bei etwa 100 000 Wörtern pro Sekunde.

Die periphere Datenverarbeitungseinheit 11 enthäl acht virtuelle Datenverarbeitungseinheiten, von denen die Mehrzahl so programmiert werden kann, daß jede beliebige virtuelle Datenverarbeitungseinheit mit jedem beliebigen Peripheriegerät gekoppelt werden kann. Die periphere Datenverarbeitungseinheit 11 arbeitet mit Hilfe der virtuellen Datenverarbeitungseinheiten ent sprechend dem im Zentralspeicher gespeicherten Programm, wobei die virtuellen Datenverarbeitungsein heiten außerdem das in der zentralen Datenverarbei tungseinheit 10 laufende Programm überwachen.

Ein Kanal 33 verbindet die zentrale Datenverarbei tungseinheit 10 mit der Speichersteuereinheit 18, die ihrerseits über Datenkanäle mit den Speichern 12 bis 15 des Zentralspeichers in Verbindung steht Im Gegensatz zu den obigen Ausführungen hinsichtlich der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 kann die zentrale Daten Verarbeitungseinheit 10 alle acht Wörter einer Wort gruppe aus dem Zentralspeicher verwerten, wobei sie überdies die Fähigkeit besitzt, eine beliebige Kombina tion dieser acht Wörter zu lesen oder zu schreiben. InKanal 33 werden vorzugsweise alle 50 Nanosekunden drei Wörter transportiert, wobei zwei Wörter in di« zentrale Datenverarbeitungseinheit 10 eingegeber werden, während ein Wort zur Speichersteuereinheit It gelangt

Weiter unten wird noch beschrieben, wie die zentrale Datenverarbeitungseinheit 10 Vektoroperationen di rekt und ohne Übersetzung durch einen Compilei ausführen kann, wodurch lange Befehlsketten vermie den werden, da die zentrale Datenverarbeitungseinhei 10 solche Operationen auf Grund eines einziger Makrobefehls intern ausführt. Die zentrale Datenverar beitungseinheit 10 hat diese Fähigkeit insbesondere deshalb, weil zwischen der Speichersteuereinheit 18 um dem Rechenwerk innerhalb der zentralen Datenverar beitungseinheit 10 Puffer vorgesehen sind, die solche zui Bildung der erforderlichen Befehlsketten benötigter Mikrobefehle enthalten oder zu bilden gestatten Zusatzlich enthalt die zentrale Datenverarbeitungsein heit 10 das ab sogenannten Schituchrechner ausgebildete Rechenwerk.

Ein Kanal 34 am Ausgang der Sperchersteuereinhei 18 ist zur Erweiterung der Rechnerkapazhit vorgese hen, falls weitere zentrale Datenverarbehungseinheitei

oder dergleichen zusätzlich angeschlossen werdei müssen.

Jeder der Kanäle 29 und 32 bis 34 hat über die

Speichersteuereinheit 18 direkt Zugriff auf jeden Speicher 12 bis 15 des Zentralspeichers. Zur Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit werden im Rechner und insbesondere im Zentralspeicher sich vorzugsweise zeitlich überlappende Arbeitszyklen angewendet. In der Speichersteuereinheit 18 ist eine Vorrangsteuerung mit vorzugsweise festen Zuordnungen vorgesehen, damit Anfragen an den Zentralspeicher in einer gewünschten Reihenfolge beantwortet werden können. So werden Anfragen von den an die Kanäle 29, 32, 33 und 34 unmittelbar angrenzenden Einheiten vorzugsweise in dieser Reihenfolge und vorrangiger behandelt als Anfragen von solchen Einheiten, die nachgeschaltet sind, wobei die Möglichkeit besteht, die Prioritätsreihcnfolge beliebig abzuändern.

Zu F i g. 3

In Form eines Blockschaltbilds wird eine automatische Umschaltanordnung gezeigt, die die periphere Datenverarbeitungseinheit 11 mit der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 verbindet. Mit Hilfe dieser Umschaltanordnung ist es möglich, den Zeithaushalt der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 vorsorglich so einzuteilen, daß zeitraubende Dialoge zwischen ihr und der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 vermieden werden. Die Wirkungsweise der Umschaltanordnung basiert darauf, daß in der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 echt gleichzeitig oder vorzugsweise quasi gleichzeitig mehrere Benutzerprogramme ablaufen können und daß andrerseits die periphere Datenverarbeitungseinheit 11 periphere Anfragen von Seiten dieser Programme zu erledigen hat, wodurch nun der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 die Aufgabe zukommt, den Ablauf der in der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 wirksam werdenden Benutzerprogramme planerisch festzulegen.

Durch zwei verschiedene Signale können die in der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 ausgeführten Benutzerprogramme von der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 periphere Dienstleistungen anfordern. Diese Signale haben die Bezeichnungen 5CP und SCW. Das Signal SCP kommt dann im Benutzerprogramm vor, wenn es möglich ist, in der Verarbeitung dieses Programms fortzufahren, ohne den Vollzug der angeforderten peripheren Dienstleistung von seiten der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 abzuwarten. Die periphere Datenverarbeitungseinheit 11 wird also auf Grund der entsprechend gestellten Anforderung Daten, Adressen oder ein ganzes Programm sicherstellen bzw. zusammenstellen, welche im weiteren Ablauf des innerhalb der zentralen Datenverarbeitungseinheit weiterverarbeiteten gleichen Benutzerprogramms erforderlich werden. Die periphere Datenverarbeitungseinheit 11 überträgt dann das angeforderte Datenmate rial bei passender Gelegenheit Das Signal SCP wird, wie in F i g. 3 dargestellt ist, über eine Ausgangsleitung 41 von der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 zur peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 übertragen.

Das Signal SCW wird dagegen dann von einem Benutzerprogramm ausgegeben, wenn dieses nicht weiter ablaufen kann, ohne die von der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 angeforderte periphere Dienstleistung erhalten zu haben. Das Signal SCW wird Ober eine Ausgangsleitung 42 aus der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 an die in F i g. 3 zwischen der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 und der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 liegende eigentliche Umschaltanordnung angelegt

Die periphere Datenverarbeitungseinheit 11 untersucht die innerhalb der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 gerade unterbrochenen und nicht weiter ablaufenden Programme daraufhin, welches von der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 weiterverarbeitet werden sollte. Hat sie ein solches Programm gefunden, dann setzt die periphere Datenverarbeitungseinheit U eine Schaltkennzeicheneinrichtung 44, die hier als Flip-Flop-Schaltung dargestellt ist. Wird nun in

ίο der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 beim Ablauf eines in ihr verarbeiteten Benutzerprogramrns ein Signal SCW gefunden, dann entsteht über die Und-Gatter 43 auf einer Leitung 45 ein Signal »Umschalten«, wenn auch die Schaltkennzeichenvorrichtung 44 gesetzt ist. Das Signa! »Umschalten« verursacht in der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 die Durchführungen der erforderlichen Umschaltung von dem Benutzerprogramm, das zu einem Signal SCW geführt hat, zu dem Programm, das von der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 aus den in Reserve befindlichen Programmen als das Programm ausgewählt worden ist, das als nächstes an die Reihe kommt

Im einzelnen spielt sich bei diesem Vorgang folgendes ab: Wenn die Schaltkennzeichenvorrichtung 44 gesetzt ist, kann beim Auftreten eines Signals SCW von seiten der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 über das Und-Gatter 43 das Signal »Umschalten« auf der Leitung 45 zur zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 gelangen und dieser anzeigen, daß sie anstelle des Programms, das zur Abgabe des Signals SCW geführt hat und das sich nun vorher in Wartestellung befindet ein anderes, bisher in Reserve befindliches Programm oder Programmsegment weiterbearbeiten kann. Sie wird dieses Programm oder Programmsegment automatisch und ohne Verzögerung übernehmen und weiterverarbeiten, indem ihr durch Rückfrage bei der peripheren Datenverarbeitungseinheit 11 von dieser das betreffende Programm oder Programmsegment angezeigt wurde. Hat nun aber beispielsweise die periphere Datenverarbeitungseinheit 11 etwa bei Fehlen solcher in Wartestellung befindlicher, betriebsbereiter Programme keine solche Anzeige zu machen, dann ist von der peripheren Datenverarbeitungseinheit auch die Schaltkennzeichenvorrichtung nicht gesetzt worden, so daß die Abgabe des Signals »Umschalten« von vornherein unmöglich gemacht ist Beim Auftreten des Signals SCWbeendet die zentrale Datenverarbeitungseinheit 10 in diesem Fall zwar ebenso die Weiterverarbeitung des Benutzerprogramms, das zur Abgabe des Signals SCW geführt hat, doch bleibt dieses Benutzerprogramm in der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 so lange, bis die Schaltkennzeichenvorrichtung 44 von der peripheren Datenverarbeitungseinheit U gesetzt wird. Sobald das Signal »Umschalten« erscheint,

ss wird die die Schaltkennzeichenvorrichtung 44 bildende Flip-Flop-Schaltung zurückgesetzt

Mit dieser automatisch arbeitenden Umschaltanordnung wird ein sonst üblicher zeitraubender Dialog zwischen der zentralen und der peripheren Datenverar beitungseinheit dadurch vermieden, daß die periphere Datenverarbeitungseinheit 11 vorsorglich sämtlich in Reserve befindliche Programme innerhalb der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 auf Einsatzbereitschaft, d.h. auf die Möglichkeit, sofort weiterverarbeitet zu werden, prüft und registriert Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß in der zentralen Datenverarbeitungseinheit keine Schaltungseinrichtungen zur Durchfuhrung des sonst üblichen Dialogs benötigt werden.

Zu F i g. 4

Der hier beschriebene Rechner eignet sich nicht nur für skalare Operationen, sondern insbesondere auch zur Verarbeitung laufend veränderlicher, vektorieller Daten, welche dem Rechenwerk wiederholt zugeführt werden; der Rechner ist also besonders für Vektoroperationen geeignet.

Eine typische^ektoroperation ist die Addition zweier Vektoren Xf B^-C^mit A, Bund CaIs n-dimensionalen linearen Feldern) in Form einer Addition ihrer Komponenten a,+ /»,= a. Die Vektoren A und B werden durch Kanalrechner so hindurchgeführt, daß die entsprechenden Komponenten addiert werden. Auf diese Weise ergibt sich der Vektor C.

Eine weitere häufig benutzte Operation innerhalb des Rechners ist die Bildung eines skalaren Produkts (A ■ B)= C oder eines Vektorprodukts [X Ttj= C*Das Ergebnis wird wiederum so gewonnen, daß die Vektoren in ihre Komponenten zerlegt und gemäß der Gleichung

Determinante C. In solcher Weise wird nun noch zweimal verfahren. Ein erstes Mal, indem jetzt statt des Reihenvektors 1 der Reihenvektor 2 der Determinante A und ein zweites Mal, indem jetzt der Reihenvektor 3 der Determinante A zur Erzeugung der Reihenvektoren 2 bzw. 3 der resultierenden Determinante C verwendet wird.

Eine solche skalare Vektormultiplikation in Form einer Matrixmultiplikation kann demnach so durchgeführt werden, daß zwei verschiedene Schleifen mehrmals durchlaufen werden. Diese Schleifen seien als innere bzw. äußere Schleife bezeichnet. Für das Beispiel der Matrixmultiplikation sei die innere Schleife zur Indizierung von Element zu Element innerhalb einer Reihe der Matrix C vorgesehen, die äußere Schleife dagegen zum Fortschreiten von Reihe zu Reihe innerhalb der Matrix C.

Die in Fig.4 hinsichtlich ihrer Ablaufschleifen skizzierten Operationen werden in der gemäß Fig.5 aufgebauten zentralen Datenverarbeitungseinheit in problemorientierter, optimierter Weise realisiert.

= Σ «Α

arithmetisch berechnet werden, wobei der Cosinus oder Sinus des Winkels zwischen A und B berücksichtigt wird.

Dies kann auf eine Multiplikation von Determinanten oder Matrizen erweitert werden. Heißt die eine Determinante A und die andere B, so folgt für die resultierende Determinante Cim Falle eines dreidimensionalen Raums:

«11 «12 «13	i>_nf>₁₂fc₁₃	_	^CU^c'l2ⁱ'l3
«21 «22 «23	^h21^22*23		*^cil^c21^c23*
«31 «32 «33	*^fe3132^33**	^cSl ^C32^C33

mit beispielsweise

und allgemein

cij =

a_ikb_kJ

wobei ρ der Grad der Determinante ist.

Die Erzeugung des Elements cn kann man als eine Multiplikation der ersten Reihe der Determinante A mit der ersten Spalte der Determinante B durchführen. Ein Element Ci₂ kann als Multiplikation der ersten Reihe der Determinante A mit der zweiten Spalte der Determinante B entsprechend erzeugt werden; ein Element c_l3 aus der Multiplikation der ersten Reihe der Determinante A mit der dritten Spalte der Determinante B.

Vektoriell ausgedrückt kann man so sagen: der Reihenvektor 1 der Determinante A dient als Operandenvektor für drei Vektoroperationen mit dem Spaltenvektor 1 oder 2 oder 3 der Determinante Azur Erzeugung des Reihenvektors 1 der resultierenden Zu F i g. 5

Die Verarbeitungsgeschwindigkeit der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 des hier beschriebenen Rechners liegt wesentlich über der Verarbeitungsgeschwindigkeit, mit der Daten aus einem Speicher ausgelesen und in diesen wieder eingespeichert werden können. Damit die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit innerhalb der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 zur Verarbeitung großer, vorsortierter Datenblöcke, beispielsweise bei Vektoroperationen, ausgenutzt werden können, wird zwischen dem Rechenwerk und dem Speicher eine Kopplungseinrichtung angebracht, die speziell der Forderung nach höchster Verarbeitungsgeschwindigkeit Rechnung trägt Die Kopplungseinrichtung wird im folgenden als Puffereinheit 100 bezeichnet,

4c die nach F i g. 5 zwischen die Speichersteuereinheit 18 und das Rechenwerk 101 eingefügt ist.

Die Puffereinheit 100 wird als Teil der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 angesehen, und sie ist über den Kanal 33 mit der Speichersteuereinheit 18 verbunden. Außerdem führen zwei Datenkanäle 100a und 1006 von der Puffereinheit 100 zum Rechenwerk 101, das hier als Vektorrechenwert bezeichnet werden kann. Ein Datenkanal 100c führt vom Rechenwerk 101 zur Puffereinheit 100. Über die Datenkanäle 100a und 100Λ werden Operanden zum Rechenwerk transportiert, während der Datenkanal 100c das im Rechenwerk erzeugte Resultat zur Puffereinheit 100 überträgt, von wo es über die Speichersteuereinheit 18 zu den Speichern 12 bis 15 gelangen kann.

Zu Fig. 6

Unter Bezugnahme auf die mehr ins einzelne gehende Darstellung von Fig.6 kann die Wirkung des Puffers 100 bei Hochgeschwindigkeitsübertragungen zum und vom Rechenwerk 101 erläutert werden. Wie bereits erwähnt wurde, sind im Zentralspeicher Wortgruppen von 256 Bits in Wörtern zu je 32 Bits enthalten; eine Wortgruppe kann dabei jeweils gleichzeitig gelesen

oder geschrieben werden. Die Wortgruppen werden aus dem Zentralspeicher über die Speichersteuereinheit 18 und den Kanal 33 zu einer Torschaltungseinheit 18a

transportiert. Der Torschaltungseinheit 18a ist der Puffer 100 nachgeschaltet. Wie in F i g. 5 dargestellt ist, verlaufen zwischen der Puffereinheit 100 und dem Rechenwerk 101 drei Datenkanäle 100a, 100ό und 100c. Der Kanal 100a ist der Ausgangsteil eines Registerkanals für den Operanden A, der zwei in Serie geschaltete Puffer 102 und 103 enthält. Der Kanal 1006 ist der Ausgangskanal eines Registerkanals für den Operanden B, der von zwei in Serie geschalteten Puffern 105 und 106 gebildet wird. Der Kanal 100c ist dagegen der E^:ngangskanal eines Registerkanals für das Resultat C, der aus zwei in Serie geschalteten Puffern 108 und 107 besteht Die Registerkanäle für die Operanden A und B puffern die Operanden auf dem Weg zwischen dem Zentralspeicher und dem Rechenwerk. Der Resultatregisterkanal puffert dagegen die vom Rechenwerk 101 ausgegebenen Ergebnisse, ehe sie beispielsweise in Wortgruppen gesammelt zu den Speichern 12 und 15 zurücktransportiert werden.

Der Puffer 102 ist so aufgebaut, daß er beispielsweise mit jeder achten Taktzeit auf einmal eine aus acht Wörtern bestehende Wortgruppe empfangen und Abspeichern kann. Synchron mit dem Puffer 102 wird jede Wortgruppe zum Puffer 103 weitertransportiert. Aus zweiunddreißig Bits bestehende Wörter werden vom Puffer 103 zum Rechenwerk 101 so übertragen, daß ein Wort pro Taktimpuls bewegt wird. Je nach Art der vom Rechenwerk 101 auszuführenden Operation wird zu jeder Taktzeit ein vom Rechenwerk gebildetes Resultat aus den Puffern 108 und 107 zum Zentralspeicher gebracht Der Rechner kann in gleicher Weise hochwirksame Operationen wie auch Operationen mit geringeren Anforderungen ausführen. Ein Beispiel für höchste Anforderungen bei einer Operation der Puffereinheit 100 und des Rechenwerks 101 ist die Addition von Vektoren, bei der die zwei Operanden aus den Puffern 103 und 106 mit jedem Taktimpuls zum Rechenwerk 101 übertragen werden, das mit jedem Taktimpuls eine Summe bildet, die unmittelbar vom Puffer 108 aufgenommen wird.

In der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 befindet sich eine Datei aus adressierbaren Registern, nämlich Basisregistern 120, 121, allgemeinen Registern 122 und 123, einem Indexregister 124 sowie einem Vektorparameterregister 125. Jedes der Register 120 bis 125 hat über einen gemeinsamen Kommunikationskanal 104 und eine Operandenabruf- und Operandenspeicheranordnung 126 Zugang zum Rechenwerk 101. Die Anordnung 126 dient als Durchgangskanal zu Operanden in beiden Richtungen. Eine Steuereinheit 127 dient unter anderem zur Steuerung des Rechenwerks 101 dadurch, daß sie ihre Steuersignale auf Grund der von einem Befehlspufferspeicher 127a gelieferten Befehle bildet Der Befehlspufferspeicher 127a dient der Pufferung von Befehlen, die aus einer Befehlsabrufeinheit 128 stammen. Die Befehlsabrufeinheit 128 beliefert nicht nur den Befehlspufferspeicher 127a mit Befehlen, sondern sie liefert auch Adressen an eine Indexeinheit 126a,- der Ausgang der Indexeinheit 126a führt dabei zur Anordnung 126. Die Befehlsdateien 129 und 130 bilden puffernde Kanäle für einen Befehlsfluß von den Speichern 12 bis 15 zur Befehlsabrufeinheit 128.

Eine Steuereinheit 131 steht mit Ausnahme der Befehlsdateien 129 und 130 mit allen in F i g. 7 gezeigten Einheiten in Verbindung; es besteht auch eine Verbindung zwischen ihr und der Torschaltungseinheit 18a. Zur Aufgabe der Steuereinheit 131 gehört es, auf Grund des Signals SCW oder des Fehlersignals den gesamten augenblicklichen Zustand der zentralen Datenverarbeitungseinheit 10 vorzugsweise in den Zentralspeicher zu übertragen und anstelle dieses Zustandes in die zentrale Datenverarbeitungseinheit einen neuen Zustand einzugeben, so daß der Abiauf eines neuen Programms begonnen werden kann.

Die Puffereinheit 100 enthält eine Parameterregisterdatei 132 und eine Arbeitsspeicherregisterdatei 133. Die Parameterregisterdatei 132 ist über einen Kanal 134 und über den Kommunikationskanal 104 mit dem Vektorparameterregister 1125 verbunden. Der Inhalt des Vektorparameterregisters 125 wird in die Parameterregisterdatei 132 übertragen, sobald ein Vektorbefehl aus dem Zentralspeicher zur Befehlsabrufeinheit 128 geholt wird.

Wenn die Befehlsabrufeinheit 128 beispielsweise einen solchen Vektorbefehl aufgenommen hat, erfolgt unmittelbar in Maschinensprache eine Übertragung der Parameterdaten aus dem Vektorparameterregister 125 in die Parameterregisterdatei 132 Die Ausführung der daraufhin erfolgenden Operationen erfolgt vermittels der Indexeinheit 126a, des Befehlspufferspeichers 127a sowie der Anordnung 126 und der Steuereinheit 127. Dies bedeutet im einzelnen, daß im Verlauf der Zeit, in der das Rechenwerk 101 eine bestimmte Operation

2s ausführt die Anordnung 126 und die Steuereinheit 127 die nächste nachfolgende Operation zur Durchführung durch das Rechenwerk 101 vorbereiten. In der gleichen Zeit bereiten auch die Indexeinheit 126a und der Befehlspufferspeicher 127a die nächstfolgende Opera tion vor. Schließlich nimmt während derselben Zeit dauer die Befehlsabrufeinheit 128 den daraufhin folgenden Befehl auf. Dieser Befehl wird somit im Rechenwerk 101 drei Operationen später als der augenblicklich wirksame Befehl ausgeführt Bei einer derartigen Organisation werden also vier Befehle gleichzeitig verarbeitet, indem sich jeder in einer verschiedenen Verarbeitungsstufe hinsichtlich der anderen Befehle befindet, wie dies in F i g. 6 durch die Zeiten Ti, TX T3 und 7*4 angedeutet ist

Es sei darauf hingewiesen, daß infolge der Kombination des Vektorparameterregisters 125 mit der Parameterregisterdatei 132 die Kapazität des Rechners dahingehend erhöht wird, daß mit hoher Geschwindigkeit komplexe Vektoroperationen in Maschinensprache _j programmgesteuert durchgeführt werden können.

In der Parameterregisterdatei 132 und in der Arbeitsspeicherregisterdatei 133 vorkommende Abkürzungen sind in der am Ende angefügten Tabelle I aufgeführt und erklärt

Die Parameter werden vorzugsweise vor Ausführung eines Ysktorbefehls aus dem Zentralspeicher in die Register geladen. Die Vektoren werden hintereinander entsprechend den in der zentralen Datenverarbeitungseinheit enthaltenen Parameterwerten durch das Re- chen werk geschleust.

Im folgenden wird das durch die oben angegebenen Gleichungen beschriebene Beispiel einer Determinantenmultiplikation ausgeführt, wobei die Zuordnung zwischen den Speicherplätzen und den Elementen der Determinanten A, Bund C(auch Vektoren genannt) in der am Ende angefügten Tabelle II angegeben ist

Aus der am Ende angefügten Tabelle IH ist die Adressenfolge und die Art der Berechnung des Vektors A zu erkennen.

Die Vektoren B und C werden in ähnlicher Weise bearbeitet Die Adressenfolge des Vektors B gleicht der Adressenfolge des Vektors A, mit der Ausnahme, daß als Startadresse anstelle von k die Startadresse 1

Arbeitsadresse (laufende Adresse) für Vektor A Arbeitsadresse (laufende Adresse) für Vektor B Arbeitsadresse (laufende Adresse) für Vektor C laufende Zählung der Vektorkomponenten laufende Zählung der Innenschleifen laufende Zählung der Außenschleifen

genommen wird. Die Adressenfolge des Vektors Cist m, m+\ ... m+8. Die Erzeugung der Adressenfolge ist jeweils von dem speziell: η Vektorbefehl abhängig. Das obige Beispiel gilt für eine skalare Multiplikation von Vektoren. Der entsprechende Vektorcode wird zwecks dieser Bestimmung in die Puffereinheit 100 eingegeben.

Tabelle I Parameter-Datei 132:

SA Speicherstartadresse zum Auslesen des Vektors A SB Speicherstartadresse zum Auslesen des Vektors B SC Speicherstartadresse zum Einschreiben des Vektors C

NY Anzahl der Elemente in einer fundamentalen Vektoroperation

Anzahl der Durchläufe in der inneren Schleife Anzahl der Durchläufe in der äußeren Schleife ΔΙ Adresseninkrement für die innere Schleife Δ O Adresseninkrement für die äußere Schleife

Arbeits-Datei 133: Tabelle II

Speicherplatzbelegung zur Durchführung einer Multiplikation zweier Determinanten dritten Grades

Speicherstelle für Determinante A

Speicherstelle für Determinante B

Speicherstelle für Determinante C

k	an	I	bn	m	CIl
Jt+1	312	/+1	*bi\*	m+\	ei:
10 k+2	313	1+2	bn	m+2	CI3
Ar+3	*ai\*	/+3	*b\2*	/n+3	C2I
Jt+4	*ß22*	/+4	to	Π7+4	C22
k+5	323	/+5	bn	/71 + 5	C23
k + b	*ai\*	/+6	bn	m+b	C3I
15 k+7	an	1+7	*b21*	m+7	f32
Ar+8	au	1+8	bn	in+8	C3)

Die Determinante A ist reihenmäßig auf die Speicherstellen λ bis Ar+8 verteilt; die Determinante B ist spaltenmäßig auf die Speicherstellen/bis/+8 verteilt:

die Determinante C ist reihenmäßig auf die Speicherstellen /nbis m+8 verteilt.

Zu Beginn der V. jltiplikation wird:

SA = k	NV	= 3	ΔΙ	= 1
SB = I	Nl	= 3	ΔΟ	= 3
*SC = in*	NO	= 3

Tabelle 111 Adressen- und Steuerungsablauf für die Determinante A zur Durchführung der Multiplikation gemäß Tabelle V

Schritt

Operation

VC

IC

OC

A Adresse

1	SA-+AA /VV-I-	VC
	/V/- 1 - IC NO- 1	*-+OC*
2	AA+\-AA
	VC-1 - VC
3	AA+\-+AA
	VC-1 - VC
4	SA - AA NV- 1 -	VC
	/C- 1 - IC
5	AA + 1-+AA
	VC- 1 -. VC
6	AA + ]- AA*
	VC-1 - VC
7	SA^AA NV-X-*	VC
	IC- 1 - IC
8	AA+ \ -^AA
	VC-1 - VC
9	AA + \^AA
	VC-1 - VC
10	SA+ 4O-Λ Α &4	NV-I
	M-I-/C OC-I	*-+OC*
11	AA+\^AA
	VC- 1 -» VC
12	AA+\-AA
	VC-1 - VC
13	SA - AA NV-1 -	VC
	/C-1 - IC
14	AA + 1 -+AA
	VC-1 - VC
15	AA + \^AA
	VC-1 - VC
16	SA^AA NV-I-	VC
	/C- 1 - IC
17	AA + \^AA

VC

2	2	2	k
1	2	2	k+\
0	2	2	k + 2
2	1	2	k
1	1	2	k+\
0	1	2	k + 2
2	0	2	k
1	0	2	k+\
0	0	2	k + 2
2	2	1	k + 3
1	2	1	k + 4
0	2	1	k + 5
2	1	1	k + 3
1	1	1	k + 4
0	1	I	k + 5
2	0	1	k + 3
I	0	1	k + 4

r ^. — 1 —·■ r«

15

Fortsetzung

16

Schritt

Operation

VC

OC

A Adresse

AA+\^AA VC-1 - VC

SA+AO-~AA,SA NV-1 yV/_1 -. IC OC- 1 - OC ΛΛ+1-ΛΛ VC-1 - VC

VC

VC- 1 - VC

SA^AA NV-\

IC- 1 - IC

AA + 1 — /M

VC-1 — VC

AA + 1 - AA

VC-1 - VC

SA - AA NV- 1 - VC

/C- 1 - /C

AA + l-AA

VC-1 - VC

AA+1-AAO

VC-1 - VC

G 2 1

0 2 1

0 2 1 0

1 0 0 0 ü 0 0 0 0 0

Jt+5 Jt + k+7 Jt+8 Jt-H k+7 k+8 Jt+6 jt+7

Hierzu 2 Blatt Zcichnuimen

Claims

Patentansprüche:

1. Digital-Rechner zur Verarbeitung von Vektorfeldern mit einer Zentraleinheit zum Decodieren von Vektorbefehlen, mit einem Rechenwerk, das die s Vektorfelder entsprechend den Vektorbefehlen verarbeitet, und mit einem Direktzugriffsspeicher zum Speichern von Vektorfeldern und von Vektorbefehlen, wobei die Vektorfelder in dem Direktzugriffsspeicher in einer solchen Reihenfolge gespei- chert sind, daß sie das Rechenwerk hintereinander durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speicherpuffereinheit (Fig.6,100) vorgesehen ist, die die Übertragung der Vektorfelder vom Direktzugriffsspeicher (F i g. 1,12—15) zum Rechenwerk (Fig.6,101) derart steuert, daß eine ununterbrochene Datenfolge in einer für die Ausführung des Vektcrbefehls erforderlichen Reihenfolge übertragen wird, daß die Speicherpuffereinheit (100) einen ersten und einen zweiten Datenkanal (100a, tOObJ zur Übertragung einer ersten bzw. einer zweiten Vektordatenfolge vom Direktzugriffsspeicher (12—15) zum Rechenwerk (101) enthält, daß in der Speicherpuffereinheit (100) eine Vektorsteuerdatei (132,133) enthalten ist, in der mehrere Vektorsteuerparameter gespeichert sind, und daß die Zentraleinheit (10) derart ausgebildet ist, daß sie in Abhängigkeit von Vektorbefehlen den Durchlauf der ersten und zweiten Vektordatenfolgen durch das Rechenwerk (101) in einer Reihenfolge herbeiführt, die von den in der Vektorsteuerdatei (132, 133) gespeicherten Vektorsteuerparametern bestimmt ist

2. Digital-Rechner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vektorsteuerdatei (132,

133) eine Adressierungsinformation für den Direktzugriffsspeicher (12—15) liefert, mit deren Hilfe die jeweils in der von den Vektorsteuerparametern bestimmten Reihenfolge als nächste zu verarbeitenden Elemente der Vektorfelder aus dem Speicher entnehmbar sind.

3. Digital-Rechner nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vektorparameterdatei (125) und einen Übertragungsweg (104, 134) zur direkten Übertragung des Inhalts der Vektorparameterdatei (125) in die Vektorsteuerdatei (132,133) für die Parametersteuerung' des Durchlaufs der Vektorfelder durch die Datenkanäle (100a, iOOb) zum Rechenwerk (101).

4. Digital-Rechner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Befehlsabrufeinheit (128) vorgesehen ist und daß die Übertragung des Inhalts der Vektorparameterdatei (125) zur Vektorsteuerdatei (132, 133) über den Übertragungsweg (104,

134) in Abhängigkeit vom Abruf eines zugehörigen Vektorbefehls aus dem Direktzugriffsspeicher (12—15) in die Befehlsabrufeinheit (128) erfolgt

5. Digital-Rechner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Datenkanal (iOOc) in der Speicherpuffereinheit (100) zur Übertragung der verarbeiteten Vektorfelder als ununterbrochene Folge aus dem Rechenwerk (101) in den Direktzugriffsspeicher (12—15).

6. Digital-Rechner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vektorsteuerdatei (132, 133) eine Adressierungsinformation zum Speichern des Ergebnisvektorfeldes im Direktzugriffsspeicher

7. Digital-Rechner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vektorsteuerdatei (132, 133) Register für folgende Daten enthält:

a) (SA) Speicherstartadresse zum Auslesen eines

Vektors A aus dem Speicher (12—15);

b) (SB) Speicherstartadresse zum Auslesen eines

Vektors Baus dem Speicher;

c) (SC) Speicherstartadresse zum Einschreiben

eines Vektors Cin den Speicher;

d) (NV) Anzahl der Elemente einer Vektorgrund

operation;

e) (NI) Anzahl der Durchläufe in einer inneren

Programmschleife;

f) (NO) Anzahl der Durchläufe in einer äußeren

Programmschleife;

g) (ΔΙ) Adresseninkrement für die innere Pro

grammschleife;

h) (AO) Adresseninkrement für die äußere Programmschleife.

8. Digital-Rechner nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vektorsteuerdatei eine Arbeitsdatei (133) zur Verfolgung des Programmablaufs im Rechenwerk (101) enthält

9. Digital-Rechner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsdatei (133) Register für folgende Daten enthält:

a) (AA) laufende Arbeitsadresse des Vektors A;

b) (BB) Arbeitsadresse des Vektors B;

c) (CC) Arbeitsadresse des Vektors C;

d) (VC) Inhalt eines Zählers für die Vektoropera

tion;

e) (IC) laufender Zählerstand der Innenschlei-

fendurchläufe;

f) (OC) laufender Zählerstand der Außenschlei-

fendurchläufe.

10. Digital-Rechner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Direktzugriffsspeicher (12—15) so ausgebildet ist, daß in einem Speicherzyklus Wortgruppen mit jeweils N Worten gleichzeitig einspeicher- und abrufbar sind, daß mindestens einer der Datenkanäle (100a; zwei Pufferregistcr (102,103) enthält, daß in einer Taktzeit aus dem Direktzugriffsspeicher (12—15) in das erste Pufferregister (102) eine Wortgruppe einspeicherbar ist, daß ebenfalls in einer Taktzeit der Inhalt des ersten Pufferregisters

(102) in das zweite Pufferregister (103) übertragen werden kann, und daß über mindestens einen der Datenkanäle Wörter aus dem zweiten Pufferregister

(103) seriell innerhalb eines Zeitraums in das Rechenwerk übertragbar ist, der kürzer als ein Speicherzugriffzyklus ist

11. Digital-Rechner nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Zustandsspeicherungs- und Umschalteinheit (131), die mit dem Direktzugriffsspeicher (12—15) dem Rechenwerk (101) und der Speicherpuffereinheit (100) verbunden ist und die Abspeicherung des Zustandes der Zentraleinheit (10) sowie die Auswahl der nächsten in das erste Pufferregister (102) zu übertragenden Wortgruppe steuert.