DE2204680C3 - Mikroprogramm-Steuereinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikroprogramm-Steuereinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Jeder Befehl (im folgenden Makrobefehl genannt) eines Programms zur Steuerung einer Datenverarbeitungsanlage löst im allgemeinen 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 (Wegedurchschaltungen) dienen die Wegesteuerinformalionen, die neben Sprungadressen für bedingte und unbedingte Sprünge im Mikroprogramm bzw. in seinen 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 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 Makrobefehle mit ähnlichem Ablauf vorhanden sind, deren jeweils zugeordnete Mikroprogramme bis auf einzelne, unterschiedliche Teile

ao weitgehend gleich sind, kann zur Verminderung des Speicheraufwands eine Unterprogrammsprungtechnik angewendet werden. Bei diesen bekannten Verfahren (vgl. »Elektronische Rechenanlagen«, 1960, Heft 3, S. 123 bis 128) wird der für gleichartige Abläufe

»5 gemeinsame Teil des Mikroprogramms verlassen und abhängig von Parametern des Makrobefehls ein spezieller Unteiprogrammteil angesprungen. Ein weiterer Sprung nach Abwicklung dieses speziellen Teils führt wieder in den für verschiedene Makrooperationen gemeinsamen Teil des Mikroprogramms zurück.

Bei Anwendung der Unterprogrammsprungtechnik vermindert sich die Anzahl der erforderlichen Mikroprogramme beträchtlich, doch ist für jeden Makrobefehl wenigstens ein spezielles Unterprogramm mit einem oder mehreren Mikrobefehlen außerhalb des gemeinsamen Teils des Mikroprogramms notwendig. Die Gesamtzahl der im Mikroprograrnmspeicher aufzunehmenden Mikrobefehle ist daher mindestens so groß 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 F i g. 1 eine einfache Mikroprogramm-Steuereinrichtung in konventionelle Unterprogrammsprungtechnik dargestellt. Das im Makrobefehlsregister 1 stehende Makrobefehlswort liefert mit seinem Operationscode zunächst eine Anfangsadresse für das Mikroprogramm-Adressen-Umschalter 2 steht daher zu Beginn eines Mikroprogramms in der mittleren Stellung. Durch den Operationscode — direkt oder nach Umschlüsselung — wird dann das Mikrobefehlsregister 3 geladen. Über den Decodierer 4 (Adressendecodierer) wird der Speicher S, in dem die Mikrounterprogramme enthalten sind, angesteuert.

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 Zähloder Sprungschritte.

Bei Anwendung der Unterprogramm-Sprungtechnik im Mrikroprogramm muß von einer dem ähnlichen Makrobefehl zugeordneten Mikroprogramm-Anfangsadresse ausgegangen und der Operationscode des Makrobefehls zur Unterprogrammverzweigung

ausgenutzt werden. Hierbei wird entweder der Operationscode des Makrobefehls direkt (gegebenenfalls unter Verwendung von Vorsatz-Bits) als Unterprogramm-Sprungadresse verwendet oder über ein zwischengeschaltetes Netzwerk umgeschlüsselt.

Durch die DE-AS 12 50 659 ist eine Abwandlung der beschriebenen Unterprogramm-Sprungtechnik bekanntgeworden, deren Ziel es ist, den Aufwand an Steuerschaltungen und den Bedarf an Speicherplatz zu veringern. Hierzu sind zwei Decoder vorgesehen, von denen der eine mit Bereichen des Mikrobefehlsregisters und der andere mit weiteren Bereichen des Mikrobefehlsregisters und mit dem Operationscodebereich des Mikrobefehlsregisters verbunden ist. Die Ausgangssignale der beiden Decoder werden miteinander verknüpft und bestimmen die Adresse des jeweils nächsten Mikrobefehls. Auch bei dieser bekannten Methode ist der Bedarf an Speicherplatz gering gegenüber dem Bedarf, der sich ergibt, wenn für jeden Makrobefehl ein vollständiges Mikroprogramm bereitgestellt wird. Immerhin müssen aber sämtliche Mikrobefehle, die für die Steuerung der Datenverarbeitungsanlage erforderlich sind, gespeichert werden, auch wenn sie sich zum Teil nur ganz wenig voneinander unterscheiden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Mik roprogramm-Steuereinrichtung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß die Menge der Mikrobefehle und damit auch der für die Mikroprogrammierung benötigte Speicherraum verringert wird. Diese Einsparung darf jedoch nicht dazu führen, die Mikroprogramme zu verlängern oder ihre Herstellung zu erschweren.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der (erste) Mikroprograinmspeicher mikrobefehlsabhängige, zur unmittelbaren Steuerung der Operationen dienende Wegesteuerinfonnationen sowie eine mikrobefehlsabhängige Maske enthält, daß ein zweiter Mikroprogrammspeicher vorgesehen ist, in dem makrobefehlsspezifische Wegesteuerinformationen gespeichert sind, und daß die den unterschiedlichen Makrobefehlen einer Gruppe ähnlicher Makrobefehle entsprechenden Unterschiede im Mikroprogramm innerhalb bestimmter (ausgezeichneter) Mikrobefehle des Mikrogrundprogramms durch die mit Hilfe der Maske gesteuerte Einblendung makrobefehlsspezifischer Wegesteuerinformationen an Stelle von einzelnen mikrobefehlsabhängigen Wegesteuerinformationen erzeugt werden.

Diese Maßnahmen lassen eine erhebliche Einsparung des für die Mikroprogrammierung ingesamt erforderlichen Speicherraums zu. Setzt man den bei Anwendung der bekannten Unterprogrammsprungtechnik benötigten Speicherraum gleich 100%, so liegt nunmehr der Bedarf an Speicherraum für den Speicher 11 bei ungefähr 5O°/o und für den Speicher 13 bei ungefähr 2O°/o, insgesamt also etwa bei 7O°/o. Abgesehen von der Verminderung des materiellen Aufwands verursacht die Verkleinerung der Speicher wegen der kleineren Umladekapazitäten einen 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.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Die vereinfachte Darstellung in Fig. 2 gibt einen Überblick über das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip. Ein Speichern, in der Regel ein Festwertspeicher, enthält unter anderem ein oder mehrere Mikrogrundprogramme. Ihre Anzahl entspricht der Anzahl der Gruppen aus untereinander »ähnlichen« Makrobefehlen. Gesteuert von dem jeweiligen Inhalt des Mikrobefehlsregisters 12 werden aus dem Speicher 11 die den einzelnen Mikrobefehlen entsprechenden ίο Wegesteuerinformationen gelesen, die am Speicherausgang beispielsweise in Form einer — abhängig von der Organisation der Anlage — mehr oder weniger großen Zahl von Wegesteuersignalen zur Verfügung stehen. Dieses Wegesteuerwort W ist in Fi g. 2 als ein Feld von Pfeilen unmittelbar unterhalb dem Speicher 11 angedeutet.

Ein für eine Gruppe von ähnlichen Makrobefehlen vorgesehenes Mikrogrundprogramm gibt naturgemäß im allgemeinen nicht genau den für einen bestimmten ao Makrobefehl erforderlichen Funktionsablauf wieder. Zumeist läßt sich die notwendige Anpassung schon durch Änderung eines Wegesteuerwortes, gegebenenfalls einiger weniger Wegesteuerworte erreichen.

Gemäß der Erfindung wird nun aber nicht etwa ein änderungsbedürftiges Wegesteuerwort vollständig durch ein im jeweiligen Fall zutreffendes Wegesteuerwort, das zu diesem Zweck in voller Breite in einem Speicher zur Verfügung stehen müßte, ersetzt, sondern es werden nur an Stelle einiger Wegesteuesignale im Teilbereich S des änderungsbedürftigen Wegesteuerworts neue, im Speicher 13 enthaltene Wegesteuersignale 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 Wegesteuerwort und den zu ändernden Teil, der selbstverständlich von Fall zu Fall verschieden sein kann.

In Fig. 2 ist das durch einen Schalter 14 angedeutet, der über die unterbrochen gezeichnete Wirkungslinie von der Maske M bedient wird und an Stelle der in den Bereich S fallenden Wegesteuersignale des ursprünglichen Wegesteuerworts W die dem Speicher J3 entnommenen Wcgestcucrsignr.le durchschallet. Alle nicht in dem Bereich S liegenden Wegesteuersigiuilc des ursprünglichen Wegesteuerworts werden direkt den Stellen zugeleitet, an denen die betreffenden Wegedurchschaltungen zu steuern sind. Die Verwendung von veränderbaren Masken zur Ausblendung bestimmter Teile aus Bitmustern ist an sich bekannt und kommt in der Da'enverarbeitungstechnik häufig vor.

Neben den schon erwähnten makrobefehlsspezifischen Wegesteuerinformationen enthält der Mikro-Programmspeicher 13 im allgemeinen noch weitere makrobefehlsabhängige Steuerdaten, nämlich Startadressen für die Operandenbereitstellung und Startadressen für die Operandenverarbeitung. Auf diese Startadressen soll später noch näher eingegangen wrden. Zunächst sei zur Vermeidung von Mißverständnissen nur darauf hingewiesen, daß die genannten Adressen für die Operandenbereitstellung nicht mit der Operandenadresse bzw. den Operandenadressen im Makrobefehl gleichzusetzen sind, die gewohnlich eine bzw. mehrere Arbeitsspeicheradressen angeben, unter denen die betreffenden Operanden zu finden sind.

Die F i g. 3 zeigt eine mehr in Einzelheiten gehende

Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das an Hand seiner Wirkungsweise im folgenden naher 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.

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 Makrobefehlsrcgister 15 übergeführt wird. Dieser Mikroprogrammteil erhält seine Startadresse aus einer durch ein Piioiitätsiietzwerk 16 gesteuerten Adreßtafel 17 (Adreßgenerator), die daneben noch Startadressen für weitere Sonderprogramme, wie Fehlerprogramme u. dgl., enthält. Die Startadresse für »Lesen eines Makrobefehls« wird über den Schalter 18 für Adreßteilsubslitulion in Stellung ti 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 Prioritälssteuerung 19 mit einer bestimmten Rangordnung der Reihenfolge, die allerdings abhängig vom Vorliege'! gewisser Bedingungen am Eingang C sowie von der schon erwähnten mikrobefehlsabhängigen Maske M 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 Sprung- bzw. Folgeadresse verlorengeht.

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

Steht nun der Makrobefehl im Makrobefehlsregister 15, so wird sein Operationscode (der hier allein interessiert) über den Decodierer 22 dem zweiten Mikroprogrammspeicher 13 zugeführt und löst zunächst den Ablauf eines zweiten Mikroprogrammteils aus. Zu diesem Zweck wird eine der im zweiten Mikroprogrammspeicher 13 enthaltenen Adressen für die Operandenbereitstellung als Startadresse über den Schalter 18 (in Stellung b) in das Mikrobefehlsregister 12 eingegeben. Der weitere Ablauf des Mikroprogrammteils einschließlich der Substitution einzelner makrobefehlsspezifischer Wegesteuersignale in bestimmte Wegesteuerworte geschieht in der vorher teils schon an Hand der F i g. 2 beschriebenen Weise. Für die durch die Maske M gesteuerte Einblendung der im Speicher 13 enthaltenen makrobefchlsspezifischen Wegesteuersignale in die änderungsbedürftigen Wegesteuerworte aus dem Speicher 11 ist die Substitionseinheit 23 zuständig, die damit der in Fig. 2 als Umschalter^ dargestellten Einrichtung entspricht. Am Ausgang der Substitionseinheit 23 stehen dann die endgültigen Wegesteuerworte 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 <·) der Ablauf des entsprechenden Mikroprogrammteils eingeleitet und durchgeführt.

ίο Da in einer Datenverarbeitungseinrichtung in der Regel nur verhältnismäßig wenige unterschiedliche Arten der Operandenbereitstellung vorkommen, kann es zweckmäßig sein, für die Adressen für die Operandenbereitstellung eine besondere Adreßtafel vorzusehen und im Speicher 13 an Stelle dieser Adressen nur einen Code zur Bestimmung der Adressen in der zusätzlichen Adreßtafel aufzunehmen.

Die an den Ausgängen der Substitionseinheit 23 auftretenden Wegesteuersignale müssen immer eine gewisse Zeit zur Verfugung stehen und zwar mindestens so lange, bis die von ihnen gesteuerten Datenübertragungen auch tatsächlich abgelaufen sind. Für den Fall, daß die beiden Mikroprogrammspeicher 11, 13 nur flüchtige Ausgangssignale abgeben, muß die Substitutionseinheit 23 neben der für die Einblendung einzelner Wegesteuersignale in bestimmte Wegesteuerworte erforderlichen Umschalteinrichtung (Multiplexer) ein Register zur vorübergehenden Speicherung der Wegesleuersignale enthalten. Die F i g. 4 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel mit den UND-Gliedern U 1 bis t/3 mit je zwei Eingängen und dem ODER-Glied 01, das die Ausgänge der UND-Glieder zusammenfaßt. Der Ausgang des ODER-Gliedes ist mit einem Eingang eines der UND-Glieder verbunden. Liegt an dem zweiten Eingang 7?T ein der logischen »1« entsprechender Signalwert an. so ist diese an sich bekannte asynchrone Kippschaltung (vgl. DT-OS 15 37 414) zur Aufnahme und Speicherung eines mit Hilfe der von der Maske M bestimmten Auswahlsignale A 1 bzw. A 1 ausgewählten Datenbits, hier eines Wegesteuersignals aus dem Speicher 11 oder aus dem Speicher 13 bereit. Der Registerinhalt wird durch ein der logischen »0« entsprechendes Signal am Eingang 7ΓΓ gelöscht.

Die für jedes Wegesteuersignal einmal vorhandene, aus den UND-Gliedern U 1 bis U 3 und dem ODER-Glied 01 bestehende Schaltungsanordnung stellt also eine Kombination des Einblendschalters (Einblendmultiplexer) und des Zwischenspeicherregisters dar. Ihr besonderer Vorzug ist der einfache Aufbau und die geringe Signallaufzeit.

Mit der im Prinzip gleichen Schaltungsanordnung aus den UND-Gliedern U 4 bis U 9 und dem ODER-Glied 01 ist es gemäß Fig. 4 (oben) auch möglich die Kombination aus dem Schalter 18 nach Fig. 1 und dem Mikrobefehlsregister 12 zu realisieren. Die Anschlußpunkte a\ V bis e entsprechen den Stellungen a, b bis e des Schalters 18 in Fig. 3, wöbe wieder zu berücksichtigen ist, daß die in F i g. 4 ober gezeigte Schaltungsanordnung für jedes im Mikrobefehlsregister parallel zu speichernde Bit einmal vorhanden sein muß. Die Auswahl der einzugebender Informationen (die Festlegung der Stellung de: Schalters 18) erfolgt über die Steuerleitungen a", V bis e" durch die Prioritätssteuerung 19.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Mikroprogramm-Steuereinrichtung, bei der jeweils für eine Gruppe von ähnlich ablaufenden Makrobefehlen ein gemeinsames Mikrogrundprogramm vorgesehen ist, das durch die Variation einzelner Teile den speziellen Makrobefehlen angepaßt wird, mit einem Makrobefehlsregister, einem Mikroprogrammspeicher und einem Mikrobefehlsregister, dadurch gekennzeichnet, daß der (erste) Mikroprogrammspeicher (11) mikrobefehlsabhängige, zur unmittelbaren Steuerung der Operationen dienende Wegesteuerinformationen sowie eine mikrobefehlcabhängige Maske enthält, daß ein zweiter Mikroprogrimmspeicher (13) vorgesehen ist, in dem makrobefehlsspezifische Wegesteuerinformationen gespeichert sind, und daß die den unterschiedlichen Makrobefehlen einer Gruppe ähnlicher Makrobefehle entsprechenden Unterschiede im Mikroprogramm innerhalb bestimmter (ausgezeichneter) Mikrobefehle des Mikrogrundprogramms durch die mit Hilfe der Maske gesteuerte Einblendung makrobefehlsspezifischer Wegesteuerinformationen an Stelle von einzelnen mikrobefehlsabhängigen Wegesteuerinformationen erzeugt werden.

2. Mikroprogramm-Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Mikroprogrammspeicher (11, 13) als Festwertspeicher ausgebildet sind.

3. Mikroprogramm-Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblendung makrobefehlsspezifischer Wegesteuerififormattonen in bestimmte (ausgezeichnete) Wegesteuerinformationen des Mikrogrundprogramms durch eine Substitutionseinheit (23) erfolgt, die eine maskengesteuerte Umschalteeinrichtung sowie ein Zwischenspeicherregister enthält, für den Fall, daß die Mikroprogrammspeicher (11, 13) flüchtige Ausgangssignale abgeben.

4. Mikroprogramm-Steuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur gemeinsamen Realisierung der maskengesteuerten Umschalteeinrichtung und des Zwischenspeicherregisters für jedes parallel zu verarbeitende Bit bzw. Wegesteuersignal eine an sich bekannte asynchrone Kippschaltung mit durch Auswahlsignale einzeln wählbaren Informationseingängen vorgesehen ist.