DE3627220C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein digitales Schrittschaltwerk, insbesondere für speicherprogrammier­ bare Steuerungen, mit einer von Taktimpulsen beaufschlag­ ten, zyklisch repetierend arbeitenden Zähleinrichtung und einer Gatterlogik zur Auswertung der Zählerzustände.

Bei digitalen Schrittschaltwerken ist es üblich, einen Binär- oder BCD-Zähler als Zähleinrichtung zu verwenden, wobei entsprechend der Anzahl der auszuwertenden Zähler­ stände eine Reihe von UND-Gattern vorgesehen werden, deren Eingänge mit den einzelnen Bitzellen des Zählers verbunden sind. Dies geht beispielsweise aus den Seiten 232-239 des Buches von Hahn "Elektronische Baustein­ systeme SIMATIC, Band 1, 2. Auflage 1974, erschienen im Verlag der Siemens Aktiengesellschaft, hervor. Bei einem n-Bit-Binärzähler müßten also bei den UND-Gattern der Auswertelogik jeweils n Eingänge vorgesehen werden.

Bei einer solchen Realisierung der Zähleinrichtung und der Auswertelogik ergeben sich aber erhebliche Signal­ laufzeiten. Selbst bei Verwendung modernster Bauelemente hat z.B. ein 7-Bit-Binärzähler eine Laufzeit von 30 Nano­ sekunden (nsec) und die zur Decodierung des Zählerstandes erforderlichen Konjunktionsgatter benötigen - selbst bei Ausführung als schnelle NAND-Gatter - immer noch eine Signallaufzeit von rund 20 nsec. Mit einer Arbeitsfre­ quenz von beispielsweise 20 MHz würde also die zwischen zwei Arbeitstakten zur Verfügung stehende Zeit von 50 nsec. für die Signallaufzeiten von Zähler und Gatter­ schaltung bei einem Befehlszyklus von 128 Takten aufgebraucht sein, so daß keine Verarbeitungszeit mehr für eine die Steuersignale ausgebende, meist recht komplexe Steuerwerklogik übrig bliebe.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Schrittschalt­ werk der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß mit relativ geringem Aufwand die Taktzählerzustände schneller decodiert, d.h. ausgewertet werden. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen.

Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen, wel­ che Gegenstände von Unteransprüchen sind, soll nachfol­ gend anhand der Figuren näher erläutert werden.

In Fig. 1 liefert ein Taktgenerator TG Taktimpulse T für zwei rückgekoppelte Schieberegisterketten A und B, wel­ che jeweils sechs 1-Bit-Schieberegisterstufen mit den Ausgängen a1 bis a6 bzw. b1 bis b6 enthalten. Die Schie­ beregisterketten A und B sind hier nur in ihren im Zu­ sammenhang mit vorliegender Erfindung wesentlichen Ein­ zelheiten dargestellt. Die Taktimpulse T des Taktgenera­ tors TG werden den Takteingängen der Schieberegisterkette A unmittelbar und den Takteingängen der Schieberegister­ kette B über ein UND-Gatter U1 zugeführt, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgangssignal a6 der Schieberegister­ kette A beaufschlagt ist. Falls statt einfachen Schiebe­ registern Schieberegister mit von den Taktimpulsen T be­ aufschlagbaren Aktivierungs-Eingängen - sogenannte Enable-Eingänge - Verwendung finden, dann werden diese unter Wegfall des UND-Gatters U1 mit dem Ausgang a6 verbunden. Die Ausgänge a1 bis a6 der Schieberegister­ kette A bilden die Spalten und die Ausgänge b1 bis b6 der Schieberegisterkette B bilden die Zeilen einer Matrix. An den Kreuzungspunkten von Spalten mit Zeilenausgangsleitungen sind jeweils die beiden Eingänge von zu einer Auswertelogik AW gehörenden NAND-Gattern angeschlossen, wie dies am Beispiel der Gatter G1, G2 und G36 ausführlich dargestellt ist und bei den übrigen Kreuzungspunkten symbolisch mittels einer schräg verlau­ fenden Verbindungslinie angedeutet ist. Die Ausgänge t1- t36 der NAND-Gatter sind mit einer Steuerwerklogik STWL verbunden, welche in an sich bekannter Weise mit den Be­ fehlseingaben BEF die zeitlich koordinierten Steuer­ signale STS bildet.

Ausgehend von einem Zustand, bei welchem der Ausgang a1 der Schieberegisterkette A und der Ausgang b1 der Schiebe­ registerkette B ein high(H)-Signal und sämtliche übrigen Schieberegisterausgänge ein low(L)-Signal aufweisen, wird von den 36 NAND-Gattern G1 bis G36 lediglich der mit t1 bezeichnete Ausgang des NAND-Gatters G1 ein L-Signal füh­ ren. Der nächste vom Taktgenerator TG ausgegebene Takt­ impuls T gelangt nicht an die Takteingänge der Schiebe­ registerkette B . Dies bewirkt das L-Signal des Ausgangs a6 der Schieberegisterkette A am Eingang des UND-Gatters U1. Bei der Schieberegisterkette A bewirkt der nächste Takt jedoch, daß das H-Signal am Ausgang a2 der Nachbar­ stufe erscheint, womit das low-Signal vom Ausgang t1 auf den Ausgang t2 wechselt. Mit jedem weiteren Taktimpuls wandert das H-Signal in der Schieberegisterkette A eine Stufe weiter, wodurch die Matrixkoppelpunkte der letzten Zeile nacheinander aktiviert und an den Ausgängen der ihnen zugeordneten NAND-Gatter jeweils L-Signale erschei­ nen. Der sechste auf den zuvor erwähnten Ausgangszustand folgende Takt kann das UND-Gatter U1 passieren, da zu diesem Zeitpunkt das Ausgangssignal a6 ein H-Signal ist und dieser Takt bringt die Schieberegisterkette B in den Zustand, an dem an ihrem Ausgang b2 das H-Signal ansteht, womit die zweite Zeile der Matrix aktiviert wird. Die nicht dargestellten NAND-Gatter G7 bis G12, welche an die Koppelpunkte dieser Zeile mit den 6 Spaltenausgängen der Schieberegisterkette A angeschlossen sind, werden nun nacheinander von den sechs darauffolgenden Taktimpul­ sen an ihren beiden Eingängen mit einem H-Signal beauf­ schlagt, so daß an den Taktausgängen T7 bis T13 nachein­ ander L-Signale erscheinen. Dieses Spiel setzt sich nun Zeile für Zeile fort bis nach 36 Taktimpulsen wieder der in der Fig. 1 dargestellte Ausgangszustand von beiden Schieberegisterkette eingenommen ist und ein neuer Be­ fehlszyklus beginnt. Wie aus der Fig. 1 ohne weiteres er­ sichtlich, existiert von den 36 Matrix-Koppelpunkten zu jedem Zeitpunkt nur ein einziger, bei dem die beiden ihm zugeordneten Signale, also sowohl das Spaltensignal als auch das Zeilensignal H-Signale sind, was mittels der NAND-Gatter der Auswertelogik AW ausgewertet wird. Die Ausgänge der NAND-Gatter stellen eine Art Decodierung dar, welche jedoch erheblich schneller arbeitet als die Decodierung eines Binärzählerstandes, da bei der Erfin­ dung für jeden ausgegebenen Taktimpuls ein NAND-Gatter mit nur zwei Eingängen benötigt wird und eine Schiebe­ registerkette gegenüber einem Binärzähler eine wesent­ lich geringere Signallaufzeit aufweist. Selbstverständ­ lich könnte die Auswertelogik AW auch aus UND-Gattern aufgebaut werden, sowie - unter Umkehrung des Signalpe­ gels der jeweils auszuwertenden beiden Signale - mittels NOR-Gattern realisiert werden.

Während die Zahl der Schieberegisterstufen in den Schiebe­ registerketten A und B bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 beliebig ist und freizügig an die jeweiligen Erfordernisse angepaßt werden kann, was besonders bei kleinen Taktzah­ len pro Befehlszyklus von Bedeutung ist, zeigt Fig. 2 eine Variante, bei welcher zwar die Stufenzahlen der Schiebe­ registerketten A und B gewissen Einschränkungen unterlie­ gen, welche jedoch den Vorteil bietet, daß kein zeit­ weilig die Taktimpulse für die Schieberegisterkette B sperrendes UND-Gatter U1 bzw. aufwendigere Schieberegi­ ster mit Enable-Eingängen benötigt werden. Die Schieberegisterkette A enthält bei dem in Fig. 2 darge­ stellten Beispiel acht und die Schieberegisterkette B sieben Stufen, so daß sich eine Matrix mit 8×7=56 Koppelpunkten ergibt, an die in gleicher Weise wie bei der in Fig. 1 dargestellten Variante jeweils zwei Ein­ gänge von NAND-Gattern angeschlossen sind. Weil nun die Taktimpulse den Takteingängen beider Schieberegisterket­ ten unmittelbar zugeführt sind, ändert sich bei jedem Taktimpuls der Signalzustand jeder Schieberegisterkette. Es werden daher die Koppelpunkte nicht zeilenweise, wie bei der Anordnung nach der Fig. 1, sondern in diagonaler Richtung aktiviert.

Im linken Teil der Fig. 3 ist schematisch dargestellt, wie die Aktivierung der einzelnen Koppelpunkte - und damit der Ausgangssignale der diesen Koppelpunkten zuge­ ordneten NAND-Gatter in der Auswertelogik AW - im Matrix­ feld fortschreitet. Jedem Koppelpunkt ist ein Quadrat zu­ geordnet und die im Innern des Quadrates angegebene Zahl gibt die Reihenfolge der Aktivierung an. Man erkennt, wie sich, beginnend bei dem Zustand, in dem das Ausgangssignal b1 der Schieberregisterkette B und das Ausgangssignal a1 der Schieberegisterkette A H-Signal führen, die Aktivie­ rung im Matrixfeld bewegt. Gestrichelt eingezeichnet ist die zeitliche Abfolge der Aktivierung während der ersten 16 dem Ausgangszustand folgenden Takte. Die Fortführung dieses Aktivierungsschemas ergibt, daß genau beim 56.Takt jeder Koppelpunkt einmal aktiviert wurde und der Koppel­ punkt Nr. 56 aktiviert ist. Es wurde erkannt, daß sich dies nur dann ergibt, wenn die Stufenzahlen der Schiebe­ registerketten A und B so gewählt werden, daß sie keinen gemeinsamen Teiler aufweisen. Das bezifferte Matrixfeld in Fig. 3 gibt auch an, in welcher Weise die in der Aus­ wertelogik AW befindlichen NAND-Gatter an die Schiebe­ registerstufen anzuschließen sind, damit von rechts nach links aufeinanderfolgend die einzelnen Taktsignale zeitlich nacheinander erscheinen. So wäre beispielsweise das dem Takt 15 zugeordnete NAND-Gatter G15 an die Aus­ gänge a7 und b1 der Schieberegisterketten A bzw. B anzu­ schließen.

Im rechten Teil der Fig. 3 ist eine Erweiterung gezeigt, mit welcher die Taktzahl pro Befehlszyklus verdreifacht werden kann. Das Prinzip dieser Anordnung besteht darin, daß jedesmal, wenn das den Schieberegisterketten A und B zugeordnete Matrixfeld komplett aktiviert wurde, d.h. die Ausgänge a8 und b7 H-Signal führen, eine dritte Schieberegisterkette C vom Taktsignal T weitergeschaltet wird. Immer nämlich, wenn dieser Zustand erreicht wird, kann ein Taktimpuls über das UND-Gatter U2 auf die Takt­ eingänge der Schieberegisterkette C gelangen. Bei dieser dreidimensionalen Matrix ist die Zahl der Schieberegister­ stufen der Schieberegisterkette C beliebig, insofern be­ steht Übereinstimmung mit der Anordnung gemäß Fig. 1. Im rechten unteren Teil der Fig. 3 ist die Verschaltung der NAND-Gatter am Beispiel der Gatter G1, G57, G113 und G168 gezeigt.

Fig. 4 zeigt eine dreidimensionale Decodiermatrix, die kein Taktsperrgatter - in Fig. 3 mit U2 bezeichnet - bzw. keine mit Enable-Eingängen versehene Schieberegisterket­ ten benötigt. Dieser Anordnung liegt die Erkenntnis zu­ grunde, daß das Prinzip der diagonal fortschreitenden Koppelpunktaktivierung entsprechend der zweidimensiona­ len Anordnung gemäß Fig. 2 unter Beachtung der dort ange­ gebenen Bedingungen, daß die Stufenzahlen der verwende­ ten Schieberegisterketten keine gemeinsamen Teiler auf­ weisen dürfen, auf drei und noch mehr dimensionale Matrixen angewendet werden kann. Dargestellt sind drei rückgekoppelte Schieberegisterketten A (fünf Stufen), B (vier Stufen) und C (drei Stufen), deren Takteingängen die Impulse T des Taktgenerators TG unmittelbar zuge­ führt werden. In das Matrixfeld ist analog wie bei der Darstellung der Fig. 3, schematisch die schrittweise Aktivierung der einzelnen Koppelpunkte, ausgehend von dem linken unteren Koppelpunkt eingetragen, wobei je­ weils die rechts neben dem Punkt stehende Zahl auf die­ jenige Registerstufe der Schieberegisterkette C hin­ weist, welche H-Signal führt. So würde x.2 darauf hin­ deuten, daß der Ausgang c2 der Schieberegisterkette C ein H-Signal aufweist. Auf diese Weise kann die dritte Dimension der dreidimensionalen Matrix dargestellt wer­ den. Beginnend vom linken unteren (und vorderen) Koppel­ punkt 1.1 schreitet die Aktivierung mit jedem Taktimpuls in folgendermaßen fort: 2.2, 3.3, 4.1, 5.2, . . ., 20.2, 21.3, . . ., 40.1, 41.2, . . ., 60.3. Nach genau 60 Takten wurde jeder Koppelpunkt der aus den drei Schieberegister­ ketten gebildeten dreidimensionalen Matrix aktiviert und man befindet sich wieder am linken unteren (und vorderen) Ausgangspunkt der Koppelmatrix. Im unteren Teil der Fig. 4 ist wiederum die Verdrahtung der in der Auswertelogik AW angeordneten NAND-Gatter am Beispiel der Gatter G1, G8, G28, G48 und G60 gezeigt.

Bei einer großen Anzahl von Taktimpulsen pro Befehls­ zyklus erlaubt die Verwendung einer mehr als 2-dimensio­ nalen Matrix mit diagonaler Aktivierung der Koppelpunkte - beispielsweise 3-dimensional entsprechend Fig. 4 - eine sehr aufwandsarme Realisierung. Ein optimales Verhältnis zwischen der Anzahl der zu realisierenden Taktzahlen pro Befehlszyklus und der Zahl der verwendeten Schieberegi­ ster läßt sich dann erreichen, wenn die Stufenzahlen der Schieberegisterketten sich möglichst wenig unterscheiden. Die kleinste Schieberegisterkette wird bei Verwendung von n Schieberegisterketten für eine n-dimensionale Matrix vorteilhaft so bemessen, daß ihre Stufenzahl dem ganzzahligen Anteil der n-ten Wurzel aus entspricht, wo t die Zahl der Takte pro Befehlszyklus ist.

Insgesamt gesehen wird durch die Erfindung eine schnelle und billige Methode aufgezeigt, Zählerzustände zu deco­ dieren. Die Verwendung von Schieberegisterketten anstelle von Binärzählern bringt noch den zusätzlichen Vorteil mit sich, daß eine Schieberegisterkette ohne weitere Anpas­ sung bzw. Umschaltung in einen zur Funktionsprüfung ein­ gerichteten Prüfpfad (Scan-Path) eingebunden werden kann.

Claims (5)

1. Digitales Schrittschaltwerk, insbesondere für speicherprogrammierbare Steuerungen, mit einem von Takt­ impulsen beaufschlagten, zyklisch repetierend arbeitenden Taktzähler und einer Gatterlogik zur Auswertung der Zäh­ lerzustände, dadurch gekennzeich­ net, daß als Zähleinrichtung mindestens zwei rückge­ koppelte Schieberegisterketten (A, B) vorgesehen sind und die Ausgänge der einzelnen Schieberegister matrixartig den Eingängen von Konjunktionsgattern (G1-G36) zugeführt sind, die jeweils eine der Zahl der Schieberegisterketten entsprechende Anzahl von Eingängen aufweisen und deren Aus­ gänge mit den Eingängen einer Steuerwerklogik (STWL) ver­ bunden sind.

2. Schrittschaltwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Konjunktions­ gatter NAND-Gatter verwendet sind.

3. Schrittschaltwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktimpulse (T) einer der Schieberegisterketten in kon­ junktiver Verknüpfung mit dem Signal (a6) des letzten Registers einer oder mehrer der übrigen Schieberegister­ ketten zugeführt sind.

4. Schrittschaltwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenzahlen der Schieberegisterketten so gewählt sind, daß sie keinen gemeinsamen Teiler aufweisen und sämt­ lichen Schieberegisterketten die Taktimpulse (T) un­ mittelbar zugeführt sind, so daß sich mit jedem Takt­ impuls der Signalzustand jeder Schieberegisterkette ändert.

5. Schrittschaltwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei n Schieberegi­ sterketten die Stufenzahl der kleinsten Schieberegister­ kette (C) dem ganzzahligen Anteil von entspricht, wo t die Zahl der Takte pro Befehlszyklus ist.