DE2204680A1

DE2204680A1 - Mikroprogramm-steuereinrichtung

Info

Publication number: DE2204680A1
Application number: DE19722204680
Authority: DE
Inventors: Gerhard Wolf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-02-01
Filing date: 1972-02-01
Publication date: 1973-08-09
Also published as: NL7301476A; IT978508B; GB1405322A; DE2204680C3; DE2204680B2; LU66928A1; BE794862A; FR2170723A5

Description

Mikroprogramm-Steuereinrichtung

Die Erfindung "bezieht sich auf die Steuerung einer aus Leitwerk, Rechenwerk, Arbeitsspeichor und peripheren Einrichtungen bestehenden Datenverarbeitungsanlage, insbesondere auf eine einen Teil des Leitwerks bildende Mikroprogramm-Steuereinrichtung.

Jeder Befehl (im folgenden Makrobefehl genannt) eines Programms zur Steuerung einer Datenverarbeitungsanlage lost im al Igen:· ei η en eine Folge von Elementaroperationen aus, die als Mikroprogramm bezeichnet wird. Zu einem erheblichen Teil bestehen die Elementaroperationen aus der Übertragung von Daten, beispielsweise von einem Register zu einem anderen. Dabei können Daten auch durch arithmetische oder logische Operationen miteinander kombiniert oder sonstwie verändert werden. Zur Steuerung der Datenübertragungen (',Vogedurchschal fangen) dienen die 7/egesteuerinformationen, die neben Sprungadressen für bedingte und unbedingte Sprünge im Mikroprogramm bzw. in seiner: Bestandteilen,, den Mikrobefehlen, enthalten sind.

Die Mikroprogramme sind in der Regel in einem Speicher und zwar - da sie nicht verändert werden müssen - zumeist in einem Festwertspeicher untergebracht. In der einfachsten Form einer Mikroprogramm-Steuerung müssen so viele komplette

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Mikroprogramme enthalten sein, als Makrobefehle zum Befehlsvorrat einer Anlage gehören. Dieses Verfahren ist wegen des hohen Speicherbedarfs für die Mikroprogramme unwirtschaftlich.

Da man davon ausgehen kann, daß in dem Befehlsvorrat einer Datenverarbeitungsanlage verhältnismäßig viele Ilakrobefehle mit ähnlichem Ablauf vorhanden sind, deren jeweils zugeordnete Mikroprogramme bis auf einzelne, unterschiedliche Teile weitgehend gleich sind, kann zur Verminderung des Speicheraufwands eine Unterprogramnsprungtechnik angewendet werden. Bei diesen bekannten Verfahren (vergl. z. B. K. Steinbuch: "Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung", 2. Aufl., Springer-Verlag 1967) wird der für gleichartige Abläufe gemeinsame Teil des Mikroprogramms verlassen und abhängig von Parametern des Makrobefehls ein spezieller Unterprogrammteil angesprungen. Ein weiterer Sprung nach Abwicklung dieses speziellen Teils führt wieder in den für verschiedene Makrcoperationer, gemeinsamen Teil des Mikroprogramms zurück.

Bei Anwendung der ünterprogrammsprungtechnik vermindert sich die Anzahl der erforderlichen Mikroprogramme beträchtlich, doch ist für ieden Makrobefehl wenigstens ein spezielles Unterprogramm mit einem oder mehreren Mikrobefehlen außerhalb des gemeinsamen Teils des Mikroprogramms notwendig. Die Gesamtzahl der im Mikroprogrammspeicher aufzunehmenden Mikrobefehle ist daher mindestens so groS wie die Zahl der in den gemeinsamen Teil der Mikroprogramme enthaltenen Mikrobefehle und die Zahl der vorhandenen Makrobefehle.

Zum besseren Verständnis des nachfolgenden ist in Pig. 1 eine einfache Mikroprogramm-Steuereinrichtung in konventionell Unterprngrammsprungtechnik dargestellt.. Das im Makrobefehl-

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register 1 stehende Makrobefehlswort liefert mit seinem Operationscode zunächst eine Anfangeaaresse für das Mikroprogramm. Der Mikroprogramm-Adressen-Umschalter 2 steht daher zu Beginn eines Mikroprogramms in der mittleren Stellung. Durch den Operationscode ~ direkt oder nach Unischlüsselung wird dann das Mikrobefehlsregister 3 geladen. Über den Decodieren 4 (Adressendecodierer) wird der Speicher 5, in dem die Mikroprogramme und MikroUnterprogramme enthalten sind, ange-.steuert.

Der Folge-Mikrobefehl kann nun entweder die mit Hilfe des Adressenaddierers 6 um 1 erhöhte Adresse haben, wobei der Mikroprogramm-Adressen-Umschalter 2 rechts steht, oder von einer Sprungadresse aus der Mikroprogrammspeicher abgeleitet werden, wobei der Schalter 2 in der linken Stellung stehen muß. Die weitere Folge der Mikrobefehle ergibt sich'dann durch die Aufeinanderfolge verschiedener Zähl- oder Sprungschritte.

Bei Anwendung der Unterprogramm-Sprungtechnik im Mikroprogramm muß von einer dem ähnlichen Makrobefehl zugeordneten Mikroprogramm-Anfangsadresse ausgegangen und der Operationscode des Makrobefehls zur Unterprogrammverzweigung ausgenutzt v/erden. Hierbei wird entweder der Operationscode des Makrobefehls direkt (ggf. unter Verwendung von Vorsatz-Bits) als Unterprogramm-Sprungadresse verwendet oder über ein zwischengeschaltetes Netzwerk umgeschlüsselt.

Die Mikrobefehle enthalten, wie schon erwähnt wurde, im wesentlichen Sprungadreseen für bedingte und unbedingte Sprünge im Mikroprogramm und Wegesteuerinformationen. Die

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Wegesteuerinfcrmationen sind vielfach in einem Adressteil für Registernuraner und in einen weiteren Teil aufgeteilt, der in Anlehnung an den entsprechenden Begriff bei Makrobefehlen als Operationscode bezeichnet wird. Während die Registernummern in der Regel direkt verarbeitet werden, muß der Mikro-Operationscode erst mit Hilfe einer Wegetafel 7, die aus einem Codiernetzwerk bzw. Festwertspeicher besteht, in die Wegesteuersignale umgeschlüsselt werden.

Diese Umschlüsselung ist dann notwendig, wenn bei der verhältnismäßig großen notwendigen Anzahl von Mikrobefehlen bei dieser Methode eine Verbreiterung des Mikroprogrammspeichers auf die Erfordernisse der '«Ve ge steuerung einen zu großen Aufwand darstellt. Allerdings muß man berücksichtigen, daß die zusätzliche Umschlüsselung Zeit kostet, so daß die Ablaufgeschwindigkeit der Befehle unter Umständen verlangsamt wird. Bei sehr schnellen Rechnern wird man daher auf die zusätzliche Umschlüsselung durch eine V/ege-Tafel verzichten und dafür eine harte Beschränkung der Zahl der Mikrobefehle in Kauf nehmen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, die es erlaubt, die Gesamtmenge der Mikrobefehle und damit auch den für die Mikroproprogrammierung benötigten Speicherraum zu verringern. Diese Einsparung darf jedoch nicht dazu führen, daß die Makroprogramme verlängert oder ihre Herstellung erschwert wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit einer Mikroprograir..T:- Steuereinrichtung, bei der jeweils für eine Gruppe von ähnlich ablaufenden Makrobefehlen ein gemeinsames Mikrogrundprogramm vorgesehen ist, mit einem Makrobefehlsregister, einem Mikroprogrammspeicher und einem Mikrobefehlsregister dadurch gelöst,daß der erste Mikroprogrammspeicher mikrobefehls-

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abhängige Wegesteuerinfermationen sowie eine mikrobefehlsabhängige Maske enthält, daß/4in z-.veiter Mikroprogrammspeicher vorgesehen ist, in dem neben Startadressen für die Operandenverarbeitung makrobefehlsspezifische ',Yegesteuerinformationen gespeichert sind, raid daß die den unterschiedlichen Makrobefehlen einer Gruppe entsprechenden Unterschiede im Mikroprogramm innerhalb bestimmter (ausgezeichneter) Mikrobefehle des Mikrogrundprogramms durch die mit Hilfe der Maske gesteuerte Einblendung makrobefehlsspezifischer Wege-Steuerinformationen anstelle von mikrobefehlsabhängigen Wegesteuerinformationen erzeiigt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die vereinfachte Darstellung in Pig. 2 gibt einen Überblick über das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip. Ein Speicher 11, in der Regel ein Pestwertspeicher, enthält unter anderem ein oder mehrere Mikrogrundprogramme. Ihre Anzahl entspricht der Anzahl der Gruppen aus untereinander "ähnlichen" Makrobefehlen. Gesteuert v~>n dem jeweiligen Inhalt des Mikrobefehlsregisters 12 werden aus dem Speicher 11 die den einzelnen Mikrobefehlen entsprechenden Wegesteuerinformationen gelesen, die am Speicherausgang beispielsweise in Form, einer abhängig von der Organisation der Anlage - mehr oder weniger großen Zahl von '.Yegesteuersignalen zur Verfügung stehen. Dieses Wegesteuerwort 7/ ist in Pig. 2 als ein Feld von Pfeilen unmittelbar unterhalb dem Speicher 11 angedeutet.

Ein für eine Gruppe von ähnlichen Makrobefehlen vorgesehenes Kikrogrundprogranm gibt naturgemäß im allgemeinen nicht genau den für einen bestimmten Mikrobefehl erforderlichen Funktionsablauf wieder. Zumeist läßt sich die notwendige

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Anpassung schon durch Änderung eines V/egesteuerv/ortes, gegebenenfalls einiger weniger 7/egesteuerworte erreichen.

Gemäß der Erfindung wird nun aber nicht etwa ein änderungsbedrüftiges Wegesteuerwort vollständig durch ein im jeweiligen Pail zutreffendes 'V'egesteuerwort, das zu diesem Zweck in voller Breite in einem Speicher zur Verfugung stehen müßte, ersetzt, sondern es werden nur anstelle einiger Y/egesteuersignale im Teilbereich S des änderungsbedürftigen Wegesteurworts neue, im Speicher 13 enthaltene 7/eges teuersignale eingeblendet. Dieser Vorgang wird durch eine Maske M gesteuert, die ebenfalls im Speicher 11 gespeichert ist und mikrobefehlsabhängig gesetzt wird. Diese Maske M bestimmt das jeweils zu ändernde '.Vegeateuerv/ort und den zu ändernden Teil, der selbstverständlich von Fall zu Pail verschieden sein kann.

In Pig.2 iet das durch einen Schalter 14 angedeutet, der über die unterbrochen gezeichnete 7/irkungslinie von der Maske M bedient wird und anstelle der in den Bereich S fallenden Wegesteuersignale des ursprünglichen V/egesteuerworts W die dem Speicher 13 entnommenen Ti'egesteuer.signale durchsehaltet. Alle nicht in dem Bereich S liegenden V/egesteuersignale des ursprünglichen Wegesteuerworts werden direkt den Stellen zugeleitet, an denen die betreffenden ".Vegedurchschaltungen zu steuern sind.

Neben den schon erwähnten makrobefehlsspezifischen Y/egesteuerinformationen enthält der Mikroprogrammspeicher 13 (MaP) im allgemeinen noch v/eitere makrobefehlsabhängige Steuerdaten, nämlich Startadressen für die Operandenbereit-

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stellung und Startadressen für die Operandenverarbeitung. Auf diese Startadressen soll später noch näher eingegangen werden,Zunächst sei zur Vermeidung von Mißverständnissen nur darauf hingewiesen, daß die genannten AdresBen.für die Operandenbereitstellung nicht mit der Operandenadresse bzw. den Operandenaüressen im Makrobefehl gleichzusetzen sind, die gewöhnlich eine bzw. mehrere Arbeitsspeicheradressen angeben, unter denen die betreffenden Operanden zu finden sind«

Die Maßnahmen gemäß der Erfindung lassen eine erhebliche Einsparung des für die Mikrοprogrammierung insgesamt erforderlichen Speicherraums zu. Setzt man den bei Anwendung der bekannten Unterprogrammsprungtechnik benötigten Speicherraum gleich 100 >£, so liegt nunmehr der Bedarf an Speicherrauin für den Speicher 11 bei ungefähr 50 $ und für den Speicher bei ungeführ 20 $, insgesamt also etwa bei 70 fo. Abgesehen von der Verminderung des materiellen Aufwands verursacht die Verkleinerung der Speicher wegen der kleineren Umladekapazitäten sinen rascheren Zugriff.Verzichtet man jedoch auf eine Einsparung an Speicherraum, so lassen sich dafür breitere Mikrobefehlsworte verwenden.. Dadurch wird ein höherer Grad von Simultanarbeit im Zentralprozessor erzielt, was sich günstig auf die Arbeitsgeschwindigkeit des Rechners auswirkt.

Die Pig. 3 zeigt eine mehr in Einzelheiten gehende Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das anhand seiner Wirkungsweise im folgenden näher beschrieben wird. Dazu wird · angenommen, daß der Ablauf eines Makrobefehls in der Regel in den Mikroprogrammteilen "Bereitstellung von Operanden" und "Verarbeitung von Operanden" durchgeführt werden kann.

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Dem muß jedoch ein Mikroprogrammteil "Lesen eines Makrobefehls" vorausgehen, durch den zunächst einmal ein Makrobefehl aus dem Arbeitsspeicher oder aus einem Register, in dem er vorübergehend aufbewahrt wurde, in das Makrobefehlsregister 15 übergeführt wird. Dieser Mikroprogrammteil erhält seine Startadresse aus einer durch ein Prioritätsnetzwerk 16 gesteuerten Adresstafel 17 (Adressgenerator), die daneben noch Startadressen für v/eitere Sonderprogramme, wie Fehle rprogr arme und dergl., enthält. Die Startadresse für "Lesen eines Makrobefehls" wird über den Schalter 18 für Adressteilsubstituticr. in Stellung a an das Mikrobefehlsregister 12 weitergegeben und von diesem übernommen. Die Steuerung des Schalters 18,' dessen Darstellung in Fig. 3 selbstverständlich nur symbolisch ist, geschieht durch die Prioritätssteuerung 19 mit einer bestimmten Rangordnung der Reihenfolge, die allerdings abhängig vom Vorliegen gewisser Bedingungen am Eingang C sowie von der schon erwähnten mitrobefehlsabhängigen Maske " verändert werden kann. Die verschiedenen möglichen Verzweigungsadressen des Mikroprogramms, auf die noch näher eingegangen wird, stehen am Schalter 18 parallel zur Verfügung. So wird vermieden, daß unnötig Zeit zur Bildung der nächsten Sprungbzw. Folgeadresse verloren geht.

Der Mikrobefehl löst nun über den Decodierer 20 die Ausgabe eines ersten Wegesteuerworts aus dem die mikrobefehlsabhängigen Steuerdaten enthaltenden Speicher 11 (MiP) aus. Der weitere Ablauf geht in an sich bekannter Weise vor sich, indem die im Mikrobefehlsregister 12 stehenden Adressen mit Hilfe des Adressenaddierers 21 jeweils um 1 erhöht (Schalter 18 in Stellung e) oder durch Sprungadressen, die als dritte Datengruppe im Mikroprogrammspeicher 11 (MiP) enthalten sind (Schalter 18 in Stellung d), ersetzt werden.

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Steht nun der Makrobefehl im Makrobefehlsregister 15, so wird sein Operationscode (der hier allein interessiert) über den Decodierer 22 dem zweiten Mikroprogrammspeieher 13 (MaP) zugeführt und löst zunächst den Ablauf eines zweiten Mikroprogrammteils aus. Zu diesem Zweck wird eine der im zweiten Mikroprogrammspeicher 13 (MaP) enthaltenen Adressen für die Öperandenbereitstellung als Startadresse über den Schalter 18 (in Stellung b) in das Mikrobefehlsregister 12 eingegeben. Der weitere Ablauf des Mikroprogrammteils einschließlich der Substitution einzelner makrobefehlsspezifischer Y/egesteuersignale in bestimmte Wegesteuerworte geschieht in der vorher teils schon anhand der Fig. 2 beschriebenen V/eise. Pur die durch die Maske M gesteuerte Einblendung der im Speicher 13 (MaP) enthaltenen makrobefehlsspezifischen Wegesteuersignale in die änderungsbedürftigen Wegesteuerworte aus dem Speicher 11 (MiP) ist die Substitionseinheit 23 zuständig, die damit der in Pig. 2 als Umschalter 14 dargestellten Einrichtung entspricht. Am Ausgang der Substitionseinheit 23 stehen dann die endgültigen V/egesteuerworte 24 zur Verfügung, die nach ihrem Inhalt und ihrer Aufeinanderfolge dem durch den betreffenden Makrobefehl bestimmten Mikroprogrammablauf entsprechen.

In analoger Weise wird durch die Startadresse für die Operandenverarbeitung (Schalter 18 in Stellung c) der Ablauf des entsprechenden Mikroprogrammteils eingeleitet und durchgeführt.

Da in einer Datenverarbeitungseinrichtung in der Regel nur verhältnismäßig wenige unterschiedliche Arten der Operandenbereitstellung vorkamen, kann es zweckmäßig sein, für die Adressen für die 'Operandenbe.reitstellung eine besondere Adresstafel vorzusehen und im Speicher 13 (MaP) anstelle

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dieser Adressen mir einen Code zur Bestimmung der Adressen in der zusätzlichen Adresstafel aufzunehmen.

Die an den Ausgängen der Sutebitionseinheit 23 auftretenden Wegesteuersignale müssen immer eine gewisse Zeit zur Verfügung stehen und zwar mindestens so lange, "bis die von ihnen gesteuerten Datenübertragungen auch tatsächlich abgelaufen sind. Pur den Pail, daß die beiden Mikroprogrammspeicher 11, 13 nur flüchtige Ausgangssigr.ale abgeben, muß die Substitutionseinheit 23 neben der für die Einblendung einzelner V/egesteuersignale in bestimmte Wegesteuerworte erforderlichen Umschalteinrichtung (Multiplexer) ein Register zur vorübergehenden Speicherung der 7/egesteuersignale enthalten. Die Pig. 4 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel mit den UND-Gliedern U1 bis U3 mit je zwei Eingängen und dem ODER-Glied 01, das die Ausgänge der UITD-Glieder zusammenfaßt. Der Ausgang des ODER-Glieds ist mit einem Eingang eines der UND-Glieder verbunden. Liegt an de.-n zweiten Eingang rT ein der logischen "1" entsprechender Signalwert an, so ist diese an sich bekannte asynchrone Kippschaltung (vergl. DT-OS 1 537 414) zur Aufnahme und Speicherung eines mit Hilfe der von der Maske K bestimmten Auswahlsignale A1 bzw. A2 ausgewählten Datenbits, hier eines '.Yegesteuersignals aus dem Speicher 11 (MiP) oder aus dem Speicher 13 (MaP) bereit. Der Registerinhalt wird durch ein der logischen "0" entsprechendes Signal am Eingang RT gelöscht.

Die für jedes V/egesteuersignal einmal vorhandene, aus den UND-Gliedern U1 bis U3 und dem ODER-Glied 01 bestehende Schaltungsanordnung stellt also eine Kombination des Einblendschalters (Einblendmultiplex'er) und des Zwischenspeicherregisters dar. Ihr besonderer Vorzug ist der einfache Aufbau und die geringe Sinallaufzeit.

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Mit der im Prinzip gleichen Schaltungsanordnung aus den UND-Gliedern U4 "bis U9 und dem ODER-Glied 02 ist es gemäß Pig. 4 (oben) auch möglich, die Kombination aus dem Schalter 18 nach Fig. 3 und dem Mikrobefehlsregister 12 zu realisieren. Die Anschlußpunkte a¹, b' bis e¹ entsprechen den Stellungen a, b bis e des Schalters 18 in Fig. 3, wobei wieder zu berücksichtigen ist, daß die in Fig. 4 oben gezeigte Schaltungsanordnung für jedes im Mikrobefehlsregister parallel zu speichernde Bit einmal vorhanden sein muß. Die Auswahl der einzugebenden Informationen (die Festlegung der Stellung des Schalters 18) erfolgt über die Steuerleitungen a , b" bis e" durch die Prioritätssteuerung 19.

4 Figuren

7 Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

ι λ) Mikroprogramm-Steuereinrichtung, bei der jeweils für eine Gruppe von ähnlich ablaufenden Makrobefehlen ein geraeinsames Mikrogrundprogramm vorgesehen ist, mit einem Makrobefehlsregister, einem Mikroprogrammspeicher und einem Mikrobefehlsregister, dadurch gekennzeichnet, daß der (erste) Mikroprcgrammspeicher (MiP)(H) mikrobefehlsabhängige 7/egesteuerinformationen sowie eine mikrobefehlsabhängiae Maske enthält, daß ein zweiter Mikroprograr/.raspe icher (MaP) (13) vorgesehen ist, in dem neben Startadressen für die Operandenverarbeitung makrobefehlsspezifische 'A'egesteueriniorir,ationen gespeichert sind, und daß die den unterschiedlichen Makrobefehlen einer Gruppe entsprechenden Unterschiede im Mikroprogramm innerhalb bestimmter (ausgezeichneter) Mikrobefehle des Mikrogrundprogramms durch die mit Hilfe der Maske gesteuerte Einblendung makrobefehlsspezifischer V/egesteuerinforrcationen anstelle von mikrobefehlsabhängigen Wegesteuerinformationen erzeugt v/erden.
2. Mikroprogramir.-Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Mikroprogrammspeiche.r (MiP, MaP), (11, 13) als Pestwertspeicher ausgebildet sind.
3. Mikroprogramm-Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Mikroprogrammspeicher (MiP) (11) Sprungadressen für bedingte oder unbedingte Sprünge im Mikroprogramm enthält.

A. Mikroprogramm-Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, da 3 der zweite Mikroprogrammspeieher (MaP) (13) Startadressen

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- 13 für die Operandenbereitstellung enthält.

5. Mikroprogramm-Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Adresstafeln vorgesehen sind, die die Startadressen für Sonderprogramme oder für besondere Mikroprogramm-Verzweigungen liefern.

6. Mikroprogramm-Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblendung makrobefehlsspezifischer V/egesteuerinformationen in bestimmte (ausgezeichnete)· V/egesteuerworte des Mikrogrundprogramms durch eine Substitutionseinheit (23) erfolgt, die eine maskengesteuerte Umschalteeinrichtung sowie ein Zwischenspeicherregister enthält, für den Fall, daß die Mikroprogranrnspeicher (MiP, MaP) (11, 13) flüchtige Ausgangssignale abgeben.

7. Mikroprogramm-Steuereinrichtung nach Anspruch 6,dadurch gekenn?, e ichne t, daß zur gemeinsamen Realisierung der maskengesteuerten Umschalteeinrichtung und des Zwischenspeicherregisters für jedes parallel zn verarbeitende Bit bzw. Wegesteuersignal eine an sich bekannte asynchrone Kippschaltung mit durch Auswahlsignale einzeln wählbaren Informationseingängen vorgesehen ist.

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