DE2155983A1

DE2155983A1 - Assoziative Speicherzelle

Info

Publication number: DE2155983A1
Application number: DE19712155983
Authority: DE
Inventors: David H. Canterbury Kent Martin (Großbritannien)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-11-16
Filing date: 1971-11-11
Publication date: 1972-05-25
Also published as: FR2113842A1; IT939118B; US3725879A; GB1335890A; CA954219A; FR2113842B1

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket PI 970 069

Assoziative Speicherzelle

Die Erfindung betrifft eine assoziative Speicherzelle aus Transistoren, insbesondere bipolaren Transistoren, worin mindestens zwei als bistabile Schaltung kreuzgekoppelt sind.

Ein Assoziativspeicher zur Speicherung digitaler Daten unterscheidet sich von einem herkömmlichen Speicher dadurch, daß beim letzteren ein Datenwort durch die Angabe der Adresse der Speicherzelle adressiert wird, wohingegen in einem Assoziativspeicher ein Datenwort durch die Angabe wenigstens eines Teils eines Kennworts bzw. des Wortinhaltes adressiert wird. Wenn z. B. die Worte in einem Assoziativspeicher als Kontonummern und Kontoständen bestehen, kann das Wort, welches den Kontostand enthält, ausgelesen und auf den neuesten Stand gebracht werden durch Angabe der jeweiligen Kontonummer. Wenn andererseits angenommen wird, daß die Kontostände mit Vorzeichen versehen sind, können durch Angabe eines negativen Zeichens, z. B. alle Datenwörter ausgelesen werden, die sich auf Konten mit Sollstand beziehen. Ein derartiger Assoziativspeicher ist z. B. im Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung von K. Steinbuch auf Seite 653 beschrieben.

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Bei der üblichen Form eines Assoziativspeichers wird das Suchwort in die Bitpositionen eines Eingangsregisters gesetzt, die den Bitpositionen der Kennworte im Speicher entsprechen, wonach das Suchwort mit den Kennworten entweder parallel oder in Serie verglichen wird, über ein Maskenregister wird sichergestellt, daß der Vergleich nur zwischen bestimmten Bitpositionen des Eingangsregisters und solchen in den Kennworten erfolgt. Die Datenwörter, die an entsprechenden Bitpositionen mit dem Suchwort übereinstimmen, werden markiert und nachträglich in ein Ausgangsregister ausgelesen. Zur Markierung der zum Auslesen vorgesehenen Wörter ist es allgemein üblich, eine bistabile Kippschaltung, die mit der Speicherzelle verbunden ist, durch Setzen in einen entsprechenden Zustand zu verwenden. Da bei einem derartigen Assoziativspeicher eine sog. Suchoperation stattfindet, die mit einer Vergleichsoperation unmittelbar verbunden ist, muß eine assoziative Speicherzelle eine derartige Suchoperation ermöglichen, ohne daß der gespeicherte Inhalt gestört oder gar zerstört wird. Eine Speicherzelle, die nun dafür geeignet ist und drei stabile Zustände einnimmt, ist in der britischen Patentschrift 1 127 270 beschrieben. Der technische Aufwand von Assoziativspeichern mit drei stabilen oder gar mit vier stabilen Speicherzellen ist jedoch sehr hoch, so daß eine praktische An-Wendung des sehr vorteilhaften Assoziativprinzips nicht möglich ist. Um diesen Aufwand zu verringern, wurde bereits in der deutschen Offenlegungsschrift 2 057 124 eine assoziative Speicherzelle vorgeschlagen, die mindestens aus einem Ein-Emitter-Transistor, der direkt kreuzgekoppelt mit einem Doppel-Emitter-Transistor ist, besteht, wodurch diese Speicherzelle in einen sog. X-Zustand versetzt werden kann, wenn der genannte Ein-Emitter-Transistor leitend ist, und daß diese Speicherzelle in dem X-Zustand beim Abfragen auf eine gespeicherte 0 oder 1 kein Nicht-Übereinstimmungssignal bzw. ein Übereinstimmungssignal erzeugt. In der genannten Offenlegungsschrift wurde auch noch vorgeschlagen, die Assoziativspeicherzellen aus zwei direkt kreuzgekoppelten Doppel-Emitter-Transistoren aufzubauen.

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Es hat sich nun herausgestellt, daß bei der Implementierung einer derartigen Schaltung in integrierter Technik ein sehr hoher Platzaufwand für die beiden Doppelemitter oder den einen Doppel-Emitter-Transistor getrieben werden muß, um funktionsfähige Speicher zu erhalten. Auch weisen diese Schaltungen den Nachteil auf, daß das Match-Signal bei der Suchoperation relativ stark gestört ist, weshalb an die Leseverstärker extrem hohe Anforderungen gestellt werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Struktur einer assoziativen Speicherzelle anzugeben, die keine Doppel-Emitter-Strukturen verwendet und bei einem guten Match-Signal sich insbesondere zur hohen Integrierung in monolithischer Technik eignet.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die Basis des einen kreuzgekoppelten Transistors mit dem Emitter eines Transistors verbunden ist, dessen Kollektor mit der Wortsuchleitung und dessen Basis mit einer Suchleseleitung verbunden ist, mit denen emitterseitig jeweils ein weiterer Transistor verbunden ist, dessen Kollektor auf Masse liegt und dessen Basis mit einem der den beiden Klippschaltungstransistoren vorgeschalteten Transistoren verbunden ist und daß die Schreibleitungen über die Emitter der letztgenannten Transistoren an die Speicherzelle angelegt sind.

Der Vorteil dieser Speicherzelle besteht vor allem darin, daß durch die guten Ausgangssignale an die Peripherieschaltkreise, wie z. B. die Leseverstärker, keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen. Außerdem weist die vorgeschlagene Speicherzelle für eine Assoziativspeicherzelle eine sehr kleine Leistungsaufnahme auf, wodurch sie für eine hochintegrierte Technik sehr geeignet ist. Hinzu kommt noch, daß auch der Platzbedarf in integrierter Technik sehr klein ist.

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Die Erfindung wird nun an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

In den Zeichnungen bedeuten:

Fig. 1 ein Schaltbild für eine einzelne Zelle;

Fig. 2 zeigt schematisch die Struktur einer bekannten

Speicherzelle, an Hand derer die Suchoperation erklärt wird;

Fig. 3 zeigt schematisch die Struktur einer neuen

Speicherzelle, an Hand derer die Suchoperation erklärt wird und

Fig. 4 zeigt die Schaltelemente, die für die Leseope

ration erforderlich sind.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, bilden die Transistoren 1 und 2 die linke Hälfte und die Transistoren 3 und 4 die rechte Hälfte einer Zelle. Der Kollektor des Transistors 1 ist mit der Basis des Transistors 2 und der Kollektor des Transistors 2 mit der fe Basis des Transistors 1 verbunden.

Die Transistoren 3 und 4 sind ebenso kreuzgekoppelt.

Der PNP-Transistor 13 bildet die Stromquelle für den Kollektor des Transistors 1 und der Transistor 14 hat dieselbe Funktion für den Kollektor des Transistors 2. Der Transistor 5 wird in der vorliegenden Schaltung als Diode betrieben und verbindet den Kollektor des Transistors 1 mit der Schreibleitung DWLl. Ebenso verbindet der Transistor 6 den Kollektor des Transistors 2 mit der Schreibleitung DWL2. Die Basen der Transistoren 13 und 14 sind mit Masse verbunden. Der Kollektor des Transistors 11 ist ebenfalls mit Masse verbunden und sein Emitter ist mit der Suchleitung DSRLL verbunden. Die Basis des Transistors 11

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ist mit dem Kollektor des Transistors 1 verbunden. Außerdem ist der Transistor 9, d. h. dessen Kollektor, mit der Wortabfühlleitung WSL und die Basis mit der Suchleseleitung DSRLL verbunden. Weiterhin ist der Emitter des Transistors 9 mit der Basis des Transistors 1 verbunden.

Die rechte Hälfte ist mit der linken Hälfte spiegelbildlich und enthält die genannten Transistoren 3 und 4, die den Transistoren

1 und 2 entsprechen; die Transistoren 7 und 8, die den Transistoen 5 und 6 entsprechen; die Transistoren 15 und 16, die den Transistoren 13 und 14 entsprechen; und den Transistor 12, der dem Transistor 9 entspricht.

Der Emitter des Transistors 12 ist mit der Suchleseleitung DSRLR verbunden, die außerdem mit der Basis des Transistors 10 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 10 ist in der Schaltung nach Fig. 1 mit der Abfühlleitung WSL verbunden. Der Emitter des als Diode geschalteten Transistors 7 ist mit der Schreibleitung DWL3 und der Emitter des als Diode geschalteten Transistors 8 ist mit der Schreibleitung DWL4 verbunden.

Im nachfolgenden wird nun die Schreiboperation beschrieben. Die Transistoren 1, 2, 13 und 14 bilden zusammen eine bekannte bistabile Schaltung, die einen stabilen Zustand einnimmt, wenn der Transistor 1 eingeschaltet und der Transistor 2 ausgeschaltet ist und der andere stabile Zustand der Zelle wird dadurch repräsentiert, daß der Transistor 1 im ausgeschalteten und der Transistor 2 im eingeschalteten Zustand ist. Ein Wechsel der bistabilen Zustände während einer Schreiboperation kann dadurch erreicht werden, daß die Emitterspannung der Transistoren 1 und

2 auf einem Potential gehalten werden und daß eine der zwei Basen über die Schreibdioden 5 und 6 und die Schreibleitung DWLl oder DWL2 im Potential herabgesetzt werden. Liegt nun die Spannung auf der Schreibleitung DWLl unterhalb der Spannung der Worttreibleitung WDL, dann wird der Transistor 2 ausgeschaltet. Die Kollektorspannung des Transistors 2 steigt dann solange an, bis

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der Transistor 1 leitend ist, das ist zu dem Zeitpunkt, in dem die bistabile Schaltung ihren Zustand ändert. Liegt anstattdessen die Spannung auf der Schreib leitung DWL2 tiefer, dann wird der Transistor 1 ausgeschaltet und der Transistor 2 eingeschaltet. Die soeben beschriebenen Funktionen erfüllen für die rechte Seite der Speicherzelle die Schreib leitungen DWL3 und 4 für die Transistoren 3 und 4. Wenn die Spannung der Wortleitung WDL unterhalb der Spannung einer der Schreib leitungen DWLl oder DWL2 liegt, wird der bistabile Zustand der Zelle nicht geändert. Durch Anheben des Potentials auf die entsprechenden Wortleitungen kann ein Wort selektiert werden und nur dieses selektierte Wort kann dann während einer Schreiboperation modifiziert werden.

Es folgt nun die Beschreibung der Leseoperation. Zum Lesen dienen die Transistoren 11 und 12, die mit der Suchleseleitung DSRLL bzw. DSRLR verbunden sind. Wie in Fig. 4 zu sehen ist, ist jede Lesesuchleitung mit einer Spannungsquelle 17 und einem Transistor 27 verbunden. Die Basis des Transistors 27 ist mit der Referenzspannung von -0,4 Volt verbunden. Wenn die Basis des Transistors 11 oder die des Transistors 12 oberhalb -0,4 Volt angehoben wird, dann wird der Strom vom Transistor 27 zu den Transistoren 11 oder 12 abgeleitet. Nur wenn alle Basen unterhalb -0,4 Volt liegen, fließt ein Strom im Transistor 27. Auf diese Weise wird die Oder-Funktion von allen Zellen-Zuständen erreicht.

Im nachfolgenden soll nun die Suchoperation erklärt werden. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, ist jede Worttreibleitung WDL mit einer Konstantstromquelle verbunden, die allgemein mit 25 bezeichnet ist, und aus einem Transistor 18, dessen Emitter über einen Widerstand 23 mit einer Spannungsquelle von -2,5 Volt verbunden ist, besteht. Der Kollektor des Transistors 18 ist über die Diode 19 mit der Referenzspannung von -0,75 Volt verbunden. Außerdem ist der Emitter des Transistors 20 über den Widerstand 21 mit der Spannungsquelle von -2,5 Volt verbunden. Wie aus

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der Schaltung zu ersehen ist, ist der Transistor 20 durch die Leitung 24 zwischen Basis und Kollektor als Diode geschaltet und der Kollektor ist außerdem über den Widerstand 22 mit Masse verbunden. Der mit der Basis verbundene Kollektor des Transistors 20 ist über die Leitung 26 mit der Basis des Transistors 18 verbunden. Jede gezeigte Halbzelle funktioniert so wie eine umschaltbare Spannungsquelle, die zwischen den Emitter der Suchtransistoren 9 und 10 und der Worttreiberleitungen WDL liegt. Die Amplitude dieser Spannungsquelle ist dabei abhängig vom Zustand der bistabilen Anordnung. Zum Beispiel liegt die Spannung bei ungefähr 0,7 Volt, wenn der Transistor 1 eingeschaltet und der Transistor 2 ausgeschaltet ist. Ist hingegen der Transistor 1 ausgeschaltet und der Transistor 2 eingeschaltet, dann ist die Spannung ungefähr gleich 0 Volt. Die beiden Suchtransistoren 9 oder 10 sind bei 0,7 Volt effektiv nichtleitend, während sie bei 0 Volt effektiv leitend sind. Wenn die Basisspannung einer der leitenden Transistoren über -0,75 Volt angehoben wird, dann wird der Strom in der Konstantstromquelle 25 von der Diode 19 zu dem leitenden Transistor und weg von der Wortabfühlleitung geleitet. Wenn ein Potential irgendeiner Suchleseleitung oberhalb -0,25 Volt liegt und die zugehörige bistabile Hälfte der Zelle ist gleichzeitig im 0 Volt-Zustand, dann wird ein Nicht-Übereinstimmungsstrom erzeugt werden.

Wenn z. B. die Transistoren 1 und 3 im ausgeschalteten Zustand sind und die Suchleitung DSRLL ist positiv, oder die Transistoren 1 und 3 sind im eingeschalteten Zustand und die Suchleitung DSRLR ist positiv, dann fließt ein Nicht-Übereinstimmungsstrom. Wenn beide Leitungen sich im unteren Zustand befinden und wenn die Transistoren 1 und 4 im eingeschalteten Zustand sind, dann wird keine Nicht-Übereinstimmung festgestellt und deshalb auch kein Strom erzeugt, der in diesem Falle auf den Wert des Stromes I der Konstantstromquelle gehalten wird.

Wenn die PNP-Stromquellen 13, 14 und 15, 16 auch den Strom in

iren, dann muß de

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der Wortleitung definieren, dann muß der Strom I gleich der

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Summe dieser Ströme und des erforderlichen Nicht-Übereinstimmungsstroms sein. Wenn in einer Wortleitung bzw. in einem ausgewählten Wort mehrere Nicht-Übereinstimmungssignale erzeugt werden, dann teilt sich der Suchstrom I -I zwischen den Such-

w pnp

transistoren 9 und 10 auf, jedoch erhöht sich der Gesamtstrom auf der Wortabfühlleitung um denselben Wert.

Wie gezeigt wurde, wird damit das Problem bei den bekannten Speicherzellen nach Fig. 2 eliminiert, das darin besteht, daß der Suchstrom proportional der Anzahl der Nicht-Übereinstimmungssignale in einem Wort ist. In der bekannten Speicherzelle nach Fig. 1 muß jeder Widerstand R den Strom bestimmen, der fließt, wenn die Suchleseleitung, die mit dem Widerstand R verbunden ist, ein negatives Potential zur selben Zeit aufweist, bei der die zugehörige Zellverbindung positiv ist. Wenn nur ein Nicht-Übereinstimmungssignal vorhanden ist, dann wird auch nur eine Stromeinheit in die Wortabfühlleitung WSL gegeben. Wenn jedoch zwölf Nicht-Übereinstimmungssignale gleichzeitig erzeugt werden, dann wird zwölfmal dieser Strom in die Wortabfühlleitung WSL gegeben. Unter Einbeziehung der üblichen Toleranzen ergibt sich bei der bekannten Speicherzelle für den Nicht-Übereinstimmungsstrom ein Verhältnis vom Maximum zum Minimum wie 25 : 1. Dies erfordert, daß der minimale Strom äußerst klein sein muß, woraus sich wiederum eine äußerst schwierige und aufwendige Schaltung für die Abfühlverstärker bzw. Leseverstärker ergibt. Der relativ hohe Strom für die Nicht-Übereinstimmungssignale ergibt außerdem für eine Zelle eine relativ hohe Verlustleistung, die sich bei der hohen Integrationsdichte als sehr nachteilig auswirkt, da durch die Verlustleistungswärme die Speicherzellen nicht mehr sicher arbeiten können.

Wie bereits gesagt, ist durch die erfindungsgemäße Speicherzelle der Suchstrom in der Worttreiberleitung WDL genau bestimmt. Außerdem hängt der Strom auf der Wortabfühlleitung nicht mehr von der Anzahl der Nicht-Übereinstimmungen ab und das Verhältnis vom Maximum- zum Minimumstrom ist nunmehr höchstens 2:1, woraus

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sich. auch, ein größerer möglicher, wiederum wesentlich unempfindlicherer und damit technisch nicht aufwendiger Leseverstärker sowie eine geringere Verlustleistung ergibt.

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Claims

- 10 PATENTANSPRÜCHE

(l\ Assoziative Speicherzelle aus Transistoren, insbesondere bipolaren Transistoren, worin mindestens zwei als bistabile Schaltung kreuzgekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des einen kreuzgekoppelten Transistors (1 oder 3) mit dem Emitter eines Transistors (9 oder 10) verbunden ist, dessen Kollektor mit der Wortsuchleitung (WSL) und dessen Basis mit einer Suchleseleitung (DSRLL, DSRLR) verbunden ist, mit denen emitterseitig jeweils ein weiterer Transistor (11, 12) verbunden ist, dessen Kollektor auf Masse liegt und dessen Basis mit einem der den beiden Klippschaltungstransistoren (1 und 2) vorgeschalteten Transistoren (5, 6 bzw. 7_P 8) verbunden ist und daß die Schreib leitungen (DWL) über die Emitter der letztgenannten Transistoren (5, 6 bzw« 7, 8) an die Speicherzelle angelegt sind«

2. Assoziative Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Speicherzellen vorgeschalteten Transistoren (5, 6 bzw. 7, 8) als Dioden geschaltet sind.

3. Assoziative Speicherzelle nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Suchleseleitung (DSRLL bzw. DSRLR) verbundenen Transistoren (II hzw. 12} als Lesetransistören dienen und über diese mit einer Spannungsquelle (17) und einem Transistor (27) verbunden sind, dessen Basis auf einer Referenzspannung liegt.

4. Assoziative Speicherzelle nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Worttreibleitung (WDL) mit einer Konstantstromquelle (25) verbunden ist.

5. Assoziative Speicherzelle nach Anspruch 4, dadurah ge-Doc_ket pi 970 069 209822/0885

kennzeichnet, daß die Konstantstromquelle (25) aus einem Transistor (18) besteht, dessen Emitter über einen Widerstand (23) mit einer Spannungsquelle verbunden ist, dessen Kollektor über eine Diode (19) mit der Referenzspannung beaufschlagt ist und dessen Basis über eine Leitung (26) mit einem Transistor (20) verbunden ist, dessen Basis und Kollektor über eine Leitung (24) kurzgeschlossen ist und dessen Kollektor auf Masse liegt.

Assoziative Speicherzelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom für ein Wort (I ) gleich der Summe der Ströme der Nicht-Übereinstimmungssignale ist, und daß bei Auftreten gleichzeitig mehrerer Nicht-Übereinstimmungssignale in einer Wortleitung der

Suchstrom (I -I ) zwischen den Suchtransistoren (9 und w pnp

10) aufgeteilt wird.

Assoziative Speicherzelle nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Maximum zum Minimum des Stromes auf der Wortabfuhlleitung (WSL) höchstens wie 2 : 1 verhält.

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