DE2610881C2 - Schneller Assoziativ-Speicher - Google Patents

Schneller Assoziativ-Speicher

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Description

Die Erfindung betrifft einen schnellen Assoziativspeicher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Assoziativspeicher sind prinzipiell bekannt, so z. B. durch das US-Patent 37 13 115 und gestatten auch das Lesen von Daten auf einer Suchbasis in den Fällen, wo die im Speicher gespeicherten Daten unbekannt sind. Der Code wird im Suchbetrieb an den Speicher gegeben und der Speicher antwortet mit einer Übereinstimmung oder einer Nichtübereinstimmung. Bei dieser leistungsfähigen Fragetechnik braucht der Abfragende nicht zu wissen, wieviele oder welche Art von Daten zu dem jeweiligen Thema im Speicher gespeichert sind. Dieses Konzept läßt sich somit auf Systemsteuerungen, Signalverarbeitung, Datenbasisverwaltung, Zeichenerkennungssystems usw. anwenden.
Durch das IBM TDB, Mai 1974, Seiten 3963 und 3964 ist eine Speicherzelle bekanntgeworden, die aus einem Transistor-Flipflop besteht, das am emitterseitigen Flußpunkt mit der Wortleitung verbunden ist. Außerdem besitzt diese Zelle zwei zusätzliche Dioden, die die eigentliche assoziative Operation erst ermöglichen und den dazu erforderlichen Strom bereitstellen helfen. Der Nachteil dieser Zelle besteht jedoch darin, daß der erforderliche Strom in den einzelnen Betriebsweisen der Zelle nicht in dem gewünschten Maße gesteuert werden kann, so daß eine derartige Zelle sich für den Assoziativbetrieb nur bedingt eignet.
Außerdem ist durch die DE-OS 19 24159 ein assoziatives Speicherelement bekanntgeworden, das eine Übereinstimmungsleitung aufweist, die mit dem assoziativen Leseverstärker verbunden ist.
Ein Hauptproblem bei der Entwicklung kommerziell anwendbaren Assoziativ-Speicher besteht in der Schwierigkeit, hohe Suchgeschwindigkeiten bei vertretbaren Leistungspegeln ohne Zerstörung des Zelleninhaltes zu erreichen. In vielen Speichern ist die Speicher-Zelle für Abweichungen des Eingangssignals sehr empfindlich. Ein zu hohes Suchsignal zerstört die gespeicherten Daten, ein zu niedriges Signal erzeugt keine Ausgabe in Form einer Übereinstimmung oder Nichtübereinstimmung. In diesen Fällen muß die Größe der Signale genau gesteuert werden; eine Beschränkung, die in handelsüblichen kosteneffektiven Systemen oft nicht zu erreichen ist. Die meisten herkömmlichen Systeme ziehen Strom von den Speicherzellen im Suchbetrieb und ein weiterer Strombetrag muß zur Verfügung stehen, sowohl um die Suchgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, als auch angemessene Grenzen gegen Störungen festzusetzen, die den Zelleninhalt zerstören würden. Das führte zu einem sehr hohen Stromverbrauch innerhalb der Zelle während des Suchbetriebes.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit geringem Schaltungsaurwand sowohl die Arbeitsgeschwindigkeit als auch Stabilität von Assoziativ-Speiehern zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1.
Während des Suchbetriebes werden nur Spannungsdifferenzen an den internen Speicherknotenpunkten is abgefühlt, so daß kein Strom von diesen Knotenpunkten gezogen wird. Damit wird der Stromverbrauch innerhalb der Speicherelemente sehr klein gehalten ohne den Nachteil der Instabilität Der Strompegel innerhalb der Stromschalter ist jedoch hoch, wodurch ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb gesichert ist.
Situationen der Übereinstimmung oder Nichtübereinstimmung werden sehr genau durch hohe Spannungsausschläge auf den Bitabfühlleitungen (Suchleitungen) erkannt, ohne daß der Inhalt der Speicherelemente zerstört wird, weil die Speicherknotenpunkte von der Suchschaltung isoliert sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anschließend näher beschrieben.
Es zeigt
F i g. 1 in einem Schema eine Speicherzelle, F i g. 2A und 2B detaillierte Schaltung der in F i g. 1 gezeigten Teile,
F i g. 3 in einer Tabelle typische an verschiedenen bezeichneten Punkten innerhalb der Speicherzelle der in F i g. 1 auftretenden Spannungen und
F i g. 4 in einer Tabelle typische Spannungen und die Zustände der wichtigen Teile der Speicherzelle während des Suchbetriebes.
In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Speicherzelle innerhalb der durch die Zahl 10 bezeichneten gestrichelten Linien dargestellt. Die Speicherelemente umfassen die bipolaren Transistoren 7*0 und 7Ί, die mit Basis und Kollektor über Kreuz gekoppelt sind. Die Schottky-Dioden Di und D 2, die zwischen Basis und Kollektor der Transistoren 7*1 bzw. Γ0 gelegt sind, arbeiten auf übliche Weise als Anti-Sättigungselemente und erhöhen so die Schaltgeschwindigkeit der Zelle durch Reduzierung der Minoritätsträgerspeicherung in den Basisbereichen. Die Überlegenheit der Schottky-Dioden gegenüber konventionellen Dioden ist auf dem Gebiet der Halbleiterkonstruktion allgemein bekannt, andere niedrige Sperrdioden können jedoch ebenso verwandt werden.
Die Wortleitung der Zelle, die mehreren Zellen in derselben Zeile in der Speicheranordnung gemeinsam ist, ist mit Leitung A bezeichnet und an die Emitter der Transistoren TO und Ti angeschlossen. Das Treiberpotential der Wortleitung wird durch den Worttreiber 12 erzeugt, der aus dem Transistor 7"13, der Anti-Sättigungsdiode D13, dem als Diode geschalteten Transistor 7*15 und einem Potential am Anschluß 26 besteht, der mit der Leitung A über den Widerstand R W verbunden ist.
Jeder Kollektor der über Kreuz gekoppelten Transistoren gehört auch zu einem Transistorpaar, das als Stromschalter fungiert. So bilden die Transistoren 7"3 und 7" 4 und der Widerstand RE i einen Stromschal-
ter, zu dem der Speichertransistor Tl gehört; die Transistoren T5 und T6 und der Widerstand RE2 bilden einen Stromschalter, zu dem der Speichertransistor 7*0 gehört Die Ausgänge des Stromschalterpaares, & h.die Kollektoren der Transistoren T4und T5 stehen über Leitungsverbindungen mit der Übereinstimmungsleitung F über die Schottky-Dioden D 8, die diese Ausgänge von der Übereinstimmungsleitung isoliert, in ODER-Verbindung. D 8 reduziert die Störkapazitanz in der Übereinstimmungsleitung.
Eine Diode mit der Bezeichnung T16 ist von der Leitung F über RM an Erde gelegt, um sicherzustellen, daß auf der Übereinstimmungsleitung keine seiir negativen Übergänge auftreten. Diese Diode hindert die Leitung F an einer Entladung auf ein zu niedriges Potential, die auftreten kann, wenn mehrere Nichtübereinstimmungen auf der Übereinstimmungsleitung während einer Suchoperation auftreten.
Schreib- und Suchfunktion in der Zelle werden eingeleitet durch Signale an den Eingängen B und C, an den Basen der Transistoren Tj bzw. TT. Deren Ausgänge sind in Emitterfolgeschaltung an die Bitabfrageleitungen B/S »0« und B/S »1« angeschlossen, die der Einfachheit halber als Leitungen D und E bezeichnet sind. Im Wartezustand werden die Leitungen D und E auf -1,5 V durch Potentiale an den Anschlüssen 27 und 28 über die Widerstände RS1 bzw. RS 2 unterhalten.
Die Kollektoren der Speichertransistoren Tl und 7"O sind von den Bitabfrageleitungen durch die Dioden D11 bzw. D12 isoliert. Obwohl diese Dioden bisher zum Isolieren der Speichertransitoren von den Bitabfrageleitungen benutzt wurden, übernehmen sie in der vorliegenden Schaltung eine wichtige und neuartige Funktion als Isoliermittel während des Suchbetriebes. Eine genauere Beschreibung dieser Funktion folgt später. Kurz gesagt heißt das, daß während der Suche »0«, gespeichert »1« der kleine Spannungsabfall in Durchlaßrichtung über einer der Dioden, z. B. DIl die Übertragung eines nennenswerten Stromes vom Transitor T8 verhindert, durch den der Transistor Tl beeinflußt würde, jedoch ein Umschalten der Basen der Transistoren T3/T4 ermöglicht. Die andere Diode D12 ist in Sperrichtung vorgespannt und tut dasselbe in bezug auf die Transistoren T7 und TO.
Die Fig.2A und 2B zeigen andere Ausführungsbeispiele der Impedanzen LX und L2 der Fig. 1. Die Impedanzen können entweder Widerstände mit entsprechendem Wert von z.B. 1OkQ entsprechend der Darstellung in F i g. 2A sein oder PNP-Transistoren, die mit den Kollektoren der Speichertransistoren als Konstantstromquelle nach Darstellung in Fig.2B verbunden sind. Beide Schaltungen sind als Lastelemente für Speicherzellen allgemein bekannt.
Die Arbeitsweise der neuartigen Zelle läßt sich am besten im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 und dem Diagramm der in Fig. 1 gezeigten Zelle erklären. Es werden vier Grundbetriebsarten erklärt: Wartezustand, Lesen, Schreiben und Suche. Außerdem wird die Arbeitsweise durch spezifische Potentialpegel und Widerstandswerte erklärt, die der Konstruktionswahl überlassen bleiben und in keiner Weise den Rahmen der Erfindung beschränken. Im Warlezustand, d. h., wenn die Zelle nicht gewählt ist, arbeitet der Worttreiber 12 nicht und die Basis des Transistors T13 wird auf —3,7 V gehalten. Wie in Zeile 1 der Fig. 3 gezeigt ist, beträgt das Potential auf der Wortleitung A ungefähr 3 Volt abhängig vom Wert des Widerstandes R Wund dem mit -1,5 V dargestellten Potential am Anschluß 26. RWha{ vorzugsweise 12 k£l Die Transhoren Ύ7 und Γ8 sind durch ein Potential von —1,5V auf den Such/Schreibeingängen Bund C die mit den Basen der Transistoren T8 bzw. Tl verbunden sind, nicht leitend vorgespannt Wenn diese Transistoren nicht leitend gehalten werden, wird dab Potential auf den Bit/Abfrageleitungen D und fauf rund -1,5 V gehalten durch die Potentialquellen an den Anschlüssen 27 und 28 über die Widerstände RS1 und RS 2, die etwa 500 Ohm haben.
ίο Die Dioden DIl und D12 sind in Sperrichtung vorgespannt Einer der Speichertransistoren TO oder Tl führt Strom. Nach der konventionellen Terminologie in Flip-Flopzellen wurden die Leitung im Null-Transistor TO bedeuten, daß ein Nullbit in der Zelle gespeichert ist Ähnlich würde die Leitung vom 1-Transistor ein gespeichertes Einerbit anzeigen. In F i g. 1 ist Tl eingeschaltet und zeigt dadurch an, daß ein
Einerbit in der Zelle gespeichert ist
Die Potentiale an den Kollektoren von Tl und TO und daher auf den Leitungen G bzw. H werden festgelegt durch die Vbe der Speichertransistoren, den Diodenspannungsabfall VD an den Anti-Sättigungsdioden und durch das Wortleitungspotential VA
Wenn Tl leitet, ist das Potential VG auf der Leitung
(1) VG=VA+Vbe (Tl)-VDl = I1IV
Angenommen, daß VA +-1,3 V, Vßf+0,8V und VD 1+0,6 V
Das Potential auf der Leitung //ist:
(2) VH= VA + Vbe (Ti)= -0,5 V
Diese Potentiale erhalten eine größere Bedeutung während des Suchbetriebes, der später noch beschrieben wird.
Für jedes Stromschalterpaar T3—T4 und T5-T6 kann nur ein Transistor eines jeden Paares zu einem gegebenen Zeitpunkt eingeschaltet sein. Wenn ein Transistor des Paares durch ein Basistreibersignal leitend ist, ist der Basis-Emitterübergang des anderen Transistors zum Leiten in Durchlaßrichtung ungenügend vorgespannt.
Wendet man diese den Schaltungskonstrukteuren allgemein bekannten Bedingungen an das Stromschalterpaar an, so ist das Potential an den Basen von T4 und T6 im wesentlichen — 1,5 V auf den Leitungen D und E, wogegen das Potential an den Basen von T3 und T5 festgelegt ist durch die Elemente Tl und TO bei -1,1 V
so bzw. —0,5 V. Weil die Basen der Transistoren T3 und TS positiver sind als diejenigen der Transistoren T4 und T6, sind die zuerst genannten Transistoren ein- und die zuletzt genannten ausgeschaltet und das Potential an der Übereinstimmungsleitung Fist im wesentlichen 0 V.
In Zeile 2 der Fig.3 ist zu sehen, daß beide Transistoren T7 und T8 in der Leseperiode ausgeschaltet bleiben durch die —1,5V an ihren Basen. Somit bleiben die Bit/Abfrageleitungen D und £ auf ihren Anfangsvorspannungen von —1,5V von der Potentialquelle an den Anschlüssen 27 und 28. Um eine Leseoperation durchzuführen, wird die Spannung am Anschluß 33 an der Basis von T13 angehoben auf -2,5 V, wodurch die Wortleitung A auf -3,1 abgesenkt wird. M;t. diesem reduzierten Potential an den Emittern von Tl und TO leitet eine der Dioden DM oder D12, die an den leitenden Transistor angeschlossen ist, und zieht Strom von einer der Bit-Abfrageleitungen. Im vorliegenden Beispiel würde die Stromleitung durch Tl
anzeigen, daß ein Einerbit in der Zelle gespeichert ist während Strom durch TO besagen würde, daß ein Nullbit in der Zelle gespeichert ist Nimmt man an, daß in der Zelle 10 eine Eins gespeichert ist wie in F i g. 1, so leitet D11 und senkt das Potential auf der Bitabfrageleitung D von - 1,5 V auf -2,3 V. Die Stromleitung durch Ti schaltet durch die Kreuzkopplung den Transistor TO ab. Daher bleibt die Bitabfrageleitung E auf -14 V. Diese Potentialdifferenz wird auf konventionelle Weise als Einerbit durch einen abgeglichenen Detektor (nicht dargestellt) an den Anschlüssen der Bitabfrageleitungen abgefühlt.
Zeile 3 in F i g. 3 zeigt, daß die Leseoperation einer ein Nullbii speichernden Zelle ähnlich verläuft, jedoch sind die Signale auf den Leitungen D und £ vertauscht.
Für eine Schreiboperation wird das Potential auf der Wortleitung A wieder gesenkt Außerdem wird das Potential an den Basen eines der Transistoren T7 oder 78 angehoben, abhängig davon, ob ein Nullbit oder ein Einerbit in der Zelle zu speichern ist, so daß Strom durch einen der Transistoren TOoder Ti fließt. Dadurch wird das Potential auf rund -0,8 V an einer der Bitabfrageleitungen angehoben und die Zelle in den gewünschten Zustand entweder über DIl oder D12 gezwungen. Aus Zeile 5 der F i g. 3 ist z. B. zu sehen, daß zum Schreiben eines Nullbit in die Zelle das Potential an der Leitung B angehoben wird von -1,5 auf OV und dadurch 7"8 eingeschaltet wird. Das Potential auf der Leitung D steigt von - 1,5 V auf -0,8 V. Der Strom durch 7"8 und D11 schaltet den Transistor TO ein. Der Strom durch TO schaltet durch Ti aus.
Die Transistoren Tl und TS werden auch dazu benutzt, die Suchoperation in der Zelle einzuleiten. Diese Doppelfunktion stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber zahlreichen früheren Typen von Zellen dar, die separate Schaltungen zum Schreiben und Suchen brauchen.
Auch im Suchbetrieb zeigen sich die Vorteile des Stromschalterpaares T3/T4und T5/T6. Die Schaltge-Der Rest der Suchoperation, der sich im einzelnen mi der Arbeitsweise des Stromschalterpaares befaßt, win am besten im Zusammenhang mit F i g. 4 gesehen. Wem ein Einerbit in den über Kreuz gekoppelten Transisto ren gespeichert ist, liegt an der Basis von Γ3 auf de Leitung C ein Potential von -1,1 V und an der Basii von T5 auf der Leitung H ein Potential von —0,5 V ungeachtet dessen, ob nach einem Nullbit oder einerr Einerbit gesucht wird. Das wurde bereits oben in der Beschreibung des Wartebetriebes, insbesondere durc die Gleichungen 1 und 2 erklärt.
Wenn umgekehrt ein Nullbit in der Zelle gespeicher war, dann leitet TO und es liegt ein Potential von - 0,5 auf der Leitung G und ein Potential von -1,1 V auf de Leitung H.
Als Beispiel soll jetzt nach einem Nullbit gesuchi werden, wenn ein Einsbit in der Zelle gespeichert ist Aus der letzten Zeile der F i g. 3 und der ersten Zeile de F i g. 4 geht folgendes hervor: Die Suchleitung D wird auf -0,8 V angehoben, um die Suche einzuleiten. Weil Ti leitet (Einerbit gespeichert), ist das Potential auf de Leitung Can der Basis von Π -1,1 V und das Potential auf der Leitung Wan der Basis von T5 ist —0,5 V. Die Basis von TA an der Suchleitung D liegt auf -0,8 V während die Basis von T6 auf der Suchleitung £ bei -1,5V bleibt. Weil das Potential an TA höher ist al; dasjenige an T3 schaltet T4 ein und Γ3 bleib ausgeschaltet. Das Potential an Γ5 bleibt jedoch höher als das an Γ6 und daher bleibt T5 eingeschaltet und T6 ausgeschaltet.
Strom fließt von der Erde durch RM, DS, TA und REi zu den -4,25 V am Anschluß 31. Wenn RM und REi Werte von 1,2 bzw. 2,OkQ haben, fällt das Potential an der Obereinstimmungsleitung Fvon 0 V auf -0,8 V und das zeigt eine Nichtübereinstimmung an.
Die Dioden DIl und D12 bleiben in dieser Periode abgeschaltet und isolieren daher die Transistoren Π und TO von den Potentialschwingungen auf den Leitungen D und £ Die größte Vorwärtsspannung über
schwindigkeit des Stromschalterpaares ermöglicht eine 40 einer dieser Dioden im Suchbetrieb beträgt 0,3 V. Diese schnelle Suche. Außerdem liefert die Charakteristik des Spannung tritt auf, wenn eine Suchleitung (Bitabfrageleitung) auf -0,8 V abgesenkt und die entsprechende
Stromschalterpaares einen großen Spannungsausschlag auf der Übereinstimmungsleitung F für genaue Erkennung und umgekehrt reicht ein kleiner Differentialausschlag in ihren Eingängen aus, sie umzuschalten.
Die Dioden DIl und D12 dienen dazu, die Bitabfrageleitungen D und E für die Transistoren Π und TO zu isolieren. Die Potentialdifferenzen zwischen den Leitungen Dund G und den Leitungen Fund //sind niemals hoch genug, um die Dioden DIl und DIl im Suchbetrieb leitend zu machen. Die Potentialdifferenzen sind jedoch ausreichend, um gegebenenfalls die Paare T3/74und T5IT6 umzuschalten.
Nach Darstellung in den Zeilen 6 und 7 der F i g. 3 liegen auf der Leitung A im Suchbetrieb —13 V und die Potentiale der Leitungen B und C werden abhängig davon auf 0 angehoben, ob ein Nulldatenbit oder ein Einsdatenbit gesucht wird. Dadurch wird einer der Transistoren Tl oder TS eingeschaltet und das Potential auf seiner zugehörigen Bitabfrageleitung steigt von -1,5V auf -0,8 V an. An diesem Punkt fungieren die Bitabfrageleitungen D und E als Suchleitungen.
Schaltleitung auf -1,1 V liegt, d. h. bei einer Nichtübereinstimmung. Da die Dioden zum Leiten eine Spannung
von 0,6 V in Durchlaßrichtung brauchen, sind sie immer abgeschaltet Auf der anderen Seite reicht die Potentiaidifferenz von 0,3 V aus, um das entsprechende Transistor-Stromschalterpaar umzuschalten.
Grundsätzlich besteht die Funktion des Stromschalterpaares im Vergleich der in den Speichertransistoren gespeicherten Daten mit den auf die Bitabfrageleitungen durch die Zeüadreßtrar.sistorcn Tl und TS gesendeten Suchdaten.
Nimmt man als weiteres Beispiel die Situation, in der die Suchdaten mit den gespeicherten Daten übereinstimmen, ζ. B. eine gespeicherte 1 mit einer gesuchten 1, dann wird das Potential auf der Leitung E auf -0,8 V angehoben. Das Potential auf der Schaltleitung G liegt wieder bei -1,1 V und auf der Leitung //bei -0,5 V. In diesem Fall leiten beide Transistoren Γ3 und T5, weil ihr Basispotential höher ist als das von TA und Γ6. Die Obereinstimmungsleitung F bleibt daher bei 0 V und zeigt dadurch eine Übereinstimmung an.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Schneller Assoziativspeicher mit Wort-, Bit- und Obereinstimmungsleitungen für Speicherzellen aus kreuzgekoppelten bipolaren Transistoren und Schottky-Dioden zwischen Basis und Kollektor der beiden kreuzgekoppelten Transistoren und Schottky-Dioden als Entkoppeldioden zwischen den Kollektoren der genannten Transistoren und den Null- bzw. Eins-Bitleitungen des Speichers sowie Lastimpedanzen, wobei die Emitter der kreuzgekoppelten Transistoren mit einer Wortleitung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren der kreuzgekoppelten Transistoren (TO und 7*1) einer Speicherzelle je mit einem als Stromschalter arbeitenden Transisiorpaar (T3 und 7*4 bzw. T5 und 7*6) verbunden sind.
DE2610881A 1975-03-27 1976-03-16 Schneller Assoziativ-Speicher Expired DE2610881C2 (de)

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