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Schaltungsanordnung für einen nach dem Warteschlangen-
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prinzip arbeitenden Steuerspeicher (FIFO-Speicher) Die Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung für einen nach dem Warteschlangenprinzip arbeitenden Steuerspeicher
entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Solche nach dem ~first-in/first-out"-Prinzip arbeitenden Steuerspeicher
sind bereits allgemein bekannt. Sie werden zum Beispiel überall dort eingesetzt,
wo bei der Datenverarbeitung oder bei der Prozeßsteuerung zwei Systemeinheiten asynchron
miteinander Informationen austauschen. Für derartige Steuerspeicher sind bisher
zwei verschiedene Realisierungsformen bekannt: a) Es wird ein normaler Zugriffspeicher
verwendet, dessen Speicherabschnitte in zyklischer Folge für das Einspeichern und
Wiederausspeichern herangezogen werden, was durch zwei als zyklische Zähler arbeitende
Adressengeber gesteuert wird - man siehe zum Beispiel DE-PS 25 43 058, US-PS 4 056
843 (FIG 8 und 9) und US-PS 4 138 732.
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b) Es wird ein Schieberegister verwendet, bei dem in Verbindung mit'einer
zusätzlichen Steuerung die einer Eingangsstufe nacheinander zugeführten Informationen
selbsttätig von Stufe zu Stufe zur jeweils nächsten freien Registerstufe weitergeleitet
werden, so daß alle einzuspeichernden Informationen nacheinander die letzte Registerstufe
erreichen und in
unveränderter Reihenfolge weitergeleitet werden
können - man siehe zum Beispiel US-PS 3 953 838 und 4 058 773, DE-AS 28 07 175,
DE-PS 32 13 345.
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Zusätzliche Bestandteile der Steuerungen sind in beiden Fällen Statusindikatoren
zur Überwachung des "Leer"-oder Voll-Zustandes des Speichers und Sperrschaltun gen
zur Entkopplung der Ein- und Ausspeichervorgänge bei asynchronem Betrieb.
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Der Aufwand für derartige FIFO-Speicher ist verhältnismäßig groß.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Anordnung zu schaffen, die mit nur wenigen
handelsüblichen integrierten Schaltkreisen realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Danach besteht die neue Anordnung im wesentlichen aus drei Bauelementen,
nämlich einem herkömmlichen Schieberegister, einem einzigen Vorwärts-/Rückwärtszähler
und einem Auswahlschalter. Der einzige, normalerweise als Statusindikator oder für
Prüfzwecke vorgesehene Zähler zählt wie bisher mit jedem Eingabeschiebeimpuls vorwärts
und mit jeder Weiterleitung rückwärts. Gleichzeitig aber steuert er den Auswahlschalter,
so daß trotz der Verschiebung der einzelnen Informationen im Schieberegister immer
die richtige Registerstufe mit dem Ausgang des Auswahlschalters verbunden ist.
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Der Aufwand für den Zähler und den Auswahlschalter ist besonders gering,
wenn binär gezählt wird und der Auswahlschalter den binären Zählwert unmittelbar
als Steuerinformation verarbeiten kann und wenn die Anzahl der Registerstufen des
Schieberegisters und der Auswahlstu-
fen des Auswahlschalters auf
die Zählkapazität des Zählers abgestimmt sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können dabei alle Registerstufen
genutzt werden, wenn gemäß Patentanspruch 3 eine zusätzliche Zählstufe des Binärzählers
zur Freigabesteuerung des Auswahlschaltes verwendet wird.
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Die zusätzlich erforderliche Steuerschaltung zur Ableitung der Steuerimpulse
für die verwendeten Schaltkreise abhängig von den Anforderungen zum Einspeichern
bzw.
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Weiterleiten der Informtionen und zur Entzerrung der Anforderung kann
in an sich bekannter einfacher Weise ausgebildet werden. Zweckmäßig ist besonders
eine Weiterbildung gemäß Anspruch 5, die ebenfalls nur einen geringen Aufwand erfordert.
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Nachfolgend sei die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Im einzelnen zeigen FIG 1 ein Blockschaltbild
des FIFO-Speichers gemäß der Erfindung und FIG 2 ein zugehöriges Impulsdiagramm
zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der Anordnung gemäß FIG 1.
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Das Blockschaltbild von FIG 1 setzt sich aus einem Schieberegister
S-REG, einem Multiplexer MUX als Auswahlschalter und einem Vorwärts-/Rückwärtszähler
CNT, sowie einer Steuerschaltung für die Ableitung der Steuerimpulse für das Schieberegister
S-REG und den Zähler CNT zusammen.
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Bei den genannten Schaltkreiselementen handelt es sich um handelsübliche
Bausteine in integrierter Schaltkreistechnik. Beim Schieberegister S-REG werden
mit jedem auf den Steuereingang C einwirkenden Steuerimpuls die in den einzelnen
Registerstufen 0 bis 7 gespeicherten Inhalte um eine Stufe weitergeschoben und die
am Eingang der ersten Registerstufe 0 anstehende Information, z.B.
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ein Adressenwort SEL-AD(REQ), in die frei gewordene erste Registerstufe
0 übernommen. Nach Beendigung der Steuerimpulse stehen die gespeicherten Informationen
an den Ausgängen der einzelnen Registerstufen 0 bis 7 für die weitere Verarbeitung
zur Verfügung.
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Im vorliegenden Fall sind die Ausgänge aller Registerstufen 0 bis
7 mit einem entsprechenden Eingang des Auswahlschalters MUX verbunden, so daß der
Inhalt jeder Registerstufe 0 bis 7 des Schieberegisters S-REG wahlweise auf den
Ausgang des Auswahlschalters MUX durchgreifen und als Information SEL#AD(RESP) weitergeleitet
werden kann.
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Welcher Eingang des Auswahlschalters MUX jeweils mit dem Ausgang zu
verbinden ist, wird in an sich bekannter Weise durch die Auswahlsteuereingänge 1,
2 und 4 in binärer Codierung festgelegt, wobei der zusätzliche Steuereingang EN
die Auswahlsteuereingänge freigibt.
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Die Auswahlsteuerinformation wird von den Zählstufen des Binärzählers
CNT abgeleitet. Die Anzahl der Zählstufen richtet sich nach der Anzahl der Registerstufen
des Schieberegisters S-REG, wobei zweckmäßig infolge der binären Zählweise 2 Registerstufen
bei n Zählstufen vorgesehen werden.
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Um dabei alle Registerstufen nutzen zu können, wird das
Freigabesteuersignal
für den Steuereingang EN des Auswahlschalters MUX von einer weiteren Zähistufe des
Zählers CNT abgeleitet, indem durch entsprechende Voreinstellung des Zählers als
Nullstellung mit dem ersten Vorwärtszählimpuls ein Umschalten der höchsten Zählstufe
von 0 auf 1 bewirkt wird. Im vorliegenden Fall ist es die Zählkombination "0111"
an den Eingängen der einzelnen Zählstufen, die mit dem Signal LAD am Eingang C3
übernommen wird. Die weiteren Eingangssignalpaare +/C1 und -/C2 steuern das Zählen
in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung abhängig von Signalen VZ bzw. RZ.
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Die weiteren Ausgangssteuersignale E und F des Zählers CNT kennzeichnen
in an sich bekannter Weise als Statusindikatoren zugleich den Füllungszustand des
FIFO-Speichers als "Leer" bzw. Voll.
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Die Arbeitsweise dieser drei Schaltkreiselemente als FIF0-Speicher
ist kurz folgende: Alle einzuspeichernden Informationen SEL-AD(REQ) werden der Reihe
nach abhängig vom Steuersignal REQ in das Schieberegister S-REG eingespeichert,
und mit jeder Einspeicherung zählt der Zähler CNT einen Schritt vorwärts. Der Zählerstand
des Zählers CNT liefert die Auswahladresse für die Einstellung des Auswahlschalters
MUX, so daß jeweils die älteste noch nicht weitergeleitete Information im Schieberegister
S-REG auf den Ausgang des Auswahlschalters MUX als Weiterleitungsinformation SEL#AD(RESP)
durchgeschaltet ist. Mit der Weiterleitung einer im Schieberegister S-REG zwischengespeicherten
Information erfolgt jeweils abhängig vom Steuersignal RESP ein Zählimpuls in Rückwärtsrichtung,
so daß der Auswahlschalter MUX auf die zweitälteste zwischengespeicherte Information
eingestellt wird.
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Die zusätzliche Steuerschaltung ergibt sich aus dem besonderen Anwendungsfall
des FIFO-Speichers als Steuereinrichtung in einem CACHE-Speicher, der Anforderungen
REQ für den Arbeitsspeicher von der Prozessoreinheit und den Ein-/Ausgabeeinheiten
einer Datenverarbeitungsanlage der Reihe nach entgegennimmt und die Rückantworten
RESP des Arbeitsspeichers in der gleichen Reihenfolge den anfordernden Einrichtungen
zuleitet. Die im FIFO-Speicher zwischenzuspeichernden Informationen SEL-AD kennzeichnen
demzufolge die Ansteueradressen für die anfordernden Einrichtungen, und die asynchron
auftretenden Steuersignale REQ und RESP sind zeitlich zu entzerren, wenn sie sich
überlappen oder aber zu dicht aufeinanderfolgen.
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Die Anforderungssignale REQ werden dabei bevorzugt behandelt. Sie
lösen am Taktgenerator TG jeweils einen Bearbeitungszyklus mit 12 Takten T1 bis
T12 aus.
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Mit dem ersten Takt T1 wird jeweils die Kippstufe FF3 gesetzt und
ein Sperrsignal INHC ausgelöst, so daß das Rückantwortsignal RESP vorübergehend
keinen Zählvorgang am Zähler CNT auslösen kann. Mit Takt T4 wird der Steuerimpuls
SHIFT für das Schieberegister S-REG am Ausgang des UND-Gatters U1 ausgelöst und
gleichzeitig mit Setzen der Kippstufe FF4 auf die durch das Signal ADD gekennzeichnete
Vorwärtszählperiode umgeschaltet.
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Über das ODER-Gatter OR kann daher das Schiebesignal SHIFT als Zählimpuls
COUNT wirksam werden und über das UND-Gatter U3 einen Vorwärtszählimpuls VZ für
den Zähler CNT auslösen. Der Rückwärtszählpfad RZ ist durch das UND-Gatter U4 in
dieser Zeit gesperrt. Mit dem letzten Takt T12 werden beide Kippstufen FF3 und FF4
wieder zurückgesetzt und damit auf die Rückwärts-Zählperiode umgeschaltet, da die
Sperre am UND-Gatter U4 mit ADD wieder aufgehoben und stattdessen das UND-
Gatter
U3 gesperrt wird.
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Eintreffende Rückantwortsignale RESP werden in der Kippstufe FF1 mit
der Rückflanke gespeichert, und nach Setzen der Kippstufe FF1 kann die nachfolgende
Kippstufe FF2 nur gesetzt werden, wenn das UND-Gatter U2 durch das Sperrsignal INHC
nicht gesperrt ist. Mit Setzen der Kippstufe FF2 wird durch das Verzögerungsglied
VZ1 verzögert über das ODER-Gatter OR ein Zählimpuls COUNT ausgelöst, der über das
UND-Gatter U4 zum Rückwärtszählimpuls RZ führt. Außerdem werden über das Verzögerungsglied
VZ2 die Kippstufen FF1 und FF2 wieder zurückgesetzt.
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Das Impulsdiagramm von FIG 2 verdeutlicht diese Arbeitsweise: Mit
jedem vom Schiebeimpuls SHIFT beim Takt T4 ausgelösten Zählimpuls COUNT in Vorwärtsrichtung
erhöht sich der Zählerstand des Zählers CNT um 1, und durch die Freigabe des Auswahlschalters
MUX mit Einstellung auf die entsprechende Auswahlstufe wird der Inhalt der gleichnamigen
Registerstufe im Schieberegister S-REG ausgewählt.
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Mit zunehmender Zahl von zwischenzuspeichernden Informationen wird
die jeweils älteste Information, z.B. die zur Anforderung REQ1, im Schieberegister
S-REG von Stufe zu Stufe verschoben und das Auswahlschaltglied MUX entsprechend
umgesteuert.
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Analoges gilt für die umgekehrte Zählrichtung, die für die Rückantwortsignale
RESP maßgebend ist.
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Beim gewählten Ausführungsbeispiel trifft das erste Rückantwortsignal
RESP1 während eines Bearbeitungszyklus ZYK für die zweite Anforderung REQ2 ein.
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Die Ausführung wird daher verzögert, bis das Sperrsignal INHC mit
Takt T12 entfällt. Das Rückantwortsignal RESP2 kann dagegen sofort berücksichtigt
werden und bringt den Zähler CNT wieder in die Ausgangszählstellung 7 mit Sperrung
des Auswsahlschalters MUX durch EN zurück.
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Während einer vorgegebenen Phase gegen Ende eines jeden Rückantwortsignales,
z.B. RESP1, die in bekannter Weise durch einen begleitenden Gültigkeitsimpuls überlagert
sein kann, ist dabei eine feste Zuordnung zu der vom auslösenden Anforderungssignal,
z.B. REQ1, vorgegebenen Information im Schieberegister S-REG durch die Einstellung
des Auswahlschalters MUX gegeben, was durch den auf das jeweils kreuzweise schraffierte
Feld in den Registerstufen weisenden Pfeil angedeutet ist.
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Die Zeit TRESp für die Ausführung der Rückwärtszählung jeweils nach
Beendigung des Rückantwortsignales RESP darf dabei die Zeit tl zwischen den Takten
T1 und T4 nicht übersteigen, wie zu Beginn des zweiten Anforderungssignales REQ2
gestrichelt angedeutet ist, damit kurz vorher beendete Rückantwortsignale RESP noch
ohne Überschneidung berücksichtigt werden können und ein einwandfreies Arbeiten
der Anordnung sichergestellt ist.
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Damit ergibt sich zugleich eine sehr einfache Art zur Umsteuerung
zwischen Vorwärts- und Rückwärtszählen.