DE68910179T2

DE68910179T2 - Steuerungseinheit in einer integrierten Datenverarbeitungsschaltung.

Info

Publication number: DE68910179T2
Application number: DE89201142T
Authority: DE
Inventors: Benedicte Societe C Cherbonnel; Philippe Societe Civile Tycho
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1988-05-11
Filing date: 1989-05-05
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2009-05-06
Also published as: EP0342732A1; JP2669893B2; EP0342732B1; US5142632A; JPH0229824A; DE68910179D1; FR2631470A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit, die auf Verarbeitungsmodule einer integrierten Schaltung zur Datenverarbeitung einwirkt, denen diese Betriebskommandos übermittelt, wobei die Steuereinheit von einem Taktgeber und von einem Befehle liefernden Befehlsgenerator gesteuert wird.
Eine integrierte Schaltung dieser Art ist aus dem Artikel mit dem Titel "A single chip, highly integrated, user programmable microcomputer", D. STAMM, D. BUDDE und B.MORGAN, PHILADELPHIA 1977, IEEE International Solid State Circuit Conference (1977, S. 142) bekannt.
In einer solchen integrierten Schaltung kann man allgemein zwei Teile unterscheiden: die Datenverarbeitungseinheit und die Steuereinheit. Die Datenverarbeitungseinheit wird aus mehreren Operatoren gebildet: arithmetischen Operatoren, logischen Operatoren, wie Register-, kombinatorischen Logikoperatoren (Maskierung, Erweiterung, Nullsetzung, Verschiebung), Eingangs-/Ausgangsoperatoren, usw. Jeder Operator wird durch seine Funktion und durch die von ihm zur Ausführung dieser Funktion benötigte Zeit definiert. Die Steuereinheit entschlüsselt die Befehle und sendet entsprechende Anweisungen an die Operatoren, die dann die gewünschte Operation pro Befehl ausführen. Die Verarbeitungseinheit und die Steuereinheit sind taktgesteuert.
Zur Definition der Ablaufsteuerung nach dem Stand der Technik muß die Maschinenzykluszeit definiert werden. Diese Maschinenzykluszeit entspricht dem pro Befehl erzeugten Mikrokommando, für das die vom Datensignal zur Durchquerung der zur Ausführung dieses Mikrokommandos notwendigen Operatoren benötigte Zeit maximal ist. Die Maschinenzykluszeit wird in eine feste Zahl von Phasen unterteilt, wobei die Dauer jeder Phase eine feste Zahl von halben Taktdauern ist. Jede Phase macht die von der Steuereinheit an einen gegebenen Operator gesendeten Kommandos gültig. Die Operatoren einer Verarbeitungskette sind also während der aufeinanderfolgenden Phasen des Maschinenzyklus aktiv. Eine solche integrierte Schaltung zur digitalen Datenverarbeitung weist jedoch Nachtelle beim Austausch von Steuer- und Datensignalen auf. Dieser Austausch beruht tatsächlich auf einer allgemeinen Ablaufsteuerung der Kommandos. Alle Signale zur Ablaufsteuerung jedes der Operatoren werden in allgemeiner Weise außerhalb der Verarbeitungseinheit generiert. Dies vervielfacht die Zahl der zu generierenden Signale und erhöht die Komplexität der Verbindungen.
Die Maschinenzykluszeit und die Phasen, die festgelegt sind, um für optimale Leistungen einer Verarbeitungseinheit zu sorgen, dienen gleichermaßen dem Takten der Steuereinheit. Dies bringt einige Probleme mit sich:
- Die für die Verarbeitungseinheit brauchbaren Phasen müssen wieder für das Takten der Steuermodule verwendet werden, wofür verschiedene Ablaufsteuerungen erforderlich sind, wodurch eine Verschlechterung der Leistungen der Steuereinheit möglich wird.
- Der Entwurf der Steuereinheit ist eng mit dem Entwurf der Verarbeitungseinheit verbunden, und eine Änderung der Ablaufsteuerung der Verarbeitungseinheit bringt eine Änderung der Ablaufsteuerung der Steuereinheit mit sich.
Ein solches System wird auch von der Veröffentlichung US-A-3 566 364 (HAUCK) vorgeschlagen, wobei eine modulare Steuereinheit verwendet wird. Darin sind mehrere Steuereinheiten mit dynamischer Hierarchie zwischen den Modulen beschrieben, d.h. Steuereinheiten, die andere Steuereinheiten für bestimmte Operationen aufrufen können. Nach Abschluß einer Operation wird dem rufenden Modul hiervon Mitteilung gemacht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese verschiedenen Nachteile zu vermeiden, um eine stärkere Modularität der integrierten Schaltung zu ermöglichen und somit die Entwurfszeit zu verringern. Hierzu verwendet die Erfindung Module, die hinsichtlich der von ihnen ausgeführten Funktion und der für sie notwendigen Ablaufsteuerungen vorgetestet sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung der eingangs definierten Art dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein Steuermodul umfaßt, das aus einem Steueroperator und einer Verkehrsleiteinheit gebildet wird, die einen Eingangssemaphor empfängt und mindestens einen Ausgangssemaphor weitergibt und die nach Empfang des Eingangssemaphors ihrem Steueroperator an seine Funktionspaaameter angepaßte Signale liefert, wobei die Verkehrsleiteinheit am Ende der von ihrem Steueroperator ausgeführten Verarbeitung die Lieferung von Betriebskommandofolgen durch den Steueroperator an mindestens ein folgendes Verbrbeitungsmodul oder von Mikrobefehlfolgen an mindestens ein folgendes Steuermodul freigibt, unter der Kontrolle von Ausgangssemaphoren, die weitergegeben werden:
- an das folgende Steuermodul, damit seine Verkehrsleiteinheit ihren Steueroperator so einstellt, daß er die Mikrobefehlfolgen empfangt und für jede davon seinerseits an weitere Steuermodule Mikrobefehlfolgen oder an weitere Verarbeitungsmodule Betriebskommandofolgen aussendet, und damit sie den Eingangssemaphor am Ende der Ausführung jedes Eingangsmikrobefehls deaktiviert,
- oder an das folgende Verarbeitungsmodul, damit es die Betriebskommandofolgen empfängt und den Eingangssemaphor am Ende der Ausführung jedes Betriebskommandos dekktiviert,
wobei die Verkehrsleiteinheiten außerdem folgendes enthalten:
. um es einer vorhergehenden Verkehrsleiteinheit zu melden, Mittel zur Deaktivierung ihres Eingangssemaphors, wenn alle folgenden Steueroperatoren und alle folgenden Verarbeitungsmodule die Ausführung ihrer Eingangsmikrobefehlfolgen bzw. ihrer Betriebskommandofolgen beendet haben,
. und, für jeden ausgegebenen Mikrobefehl, Mittel zum Empfang der gültig gemachten Ausgangssemaphore, die von einer darauffolgenden Verkehrsleiteinheit oder einem darauffolgenden Verarbeitungsmodul deaktiviert worden sind,
wobei die Steuermodule außerdem miteinander über ihre Operatoren Eingangs-/Ausgangsausführungsberichte austauschen, wodurch, zusammen mit dem Austausch von Semaphoren über ihre Verkehrsleiteinheiten, für jedes Steuermodul, das ebenfalls von dem Taktgeber gesteuert wird, für eine selbsttktende Ablaufsteuerung gesorgt ist, wobei jedes Verarbeitungsmodul auch von demselben Taktgeber gesteuert wird, und das erste Steuermodul seine Befehle direkt von dem Befehlsgenerator erhält und mit ihm einen Semaphor austauscht.
Um die Mängel der früheren Lösungen zu beheben, bezieht sich die Erfindung auf eine neue Art des Protokolls und damit der Ablaufsteuerung. Die Verwendung von Phasen, die durch eine nicht zur Datenverarbeitungseinheit gehörende Ablaufsteuerungsschaltung erzeugt werden, wird vermieden. Jedem Operator wird eine Verkehrsleiteinheit zugeordnet, die aus ihm einen selbsttakenden Operator macht.
Die zu dem Operator gehörende Verkehrsleiteinheit leitet den Austausch von Mikrobefehlen und Berichten mit den Aufwärts- und Abwärtssteuermodulen oder den Abwärtsverarbeitungsmodulen durch Anwendung eines Protokolls. Außerdem generiert die Verkehrsleiteinheit Taktsignale für den Operator, zu dem sie gehört. Daher hat jeder Operator eine lokale Ablaufsteuerung. Hierzu ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Verkehrsleiteinheit folgendes umfaßt:
- einen Eingangsschaltkreis des Eingangssemaphors und einen Ausgangsfreigabeschaltkreis für jeden Ausgangssemaphor, wobei diese Schaltungen durch den Steueroperator freigegeben werden,
- einen Generator eines Impulses, der entweder durch die Aktivierung des Eingangssemaphors oder durch Deaktivierung der Ausgangssemaphore ausgelöst wird,
- einen Phasengenerator, der den genannten Impuls empfängt, dem Steueroperator die notwendigen Phasen liefert und die Ausgangsfreigabeschaltkreise und den Eingangsschaltkreis steuert.
Die Erfindung wird ebenfalls dadurch gekennzeichnet, daß der Steueroperator folgendes umfaßt:
- eine Ablaufsteuerungsschaltung, die die Eingangsmikrobefehle, die Eingangsberichte und die von dem Speicher gesendeten Informationen empfangt, die als Funktion ihrer Eingänge die neue Adresse des zu lesenden Wortes im Speicher bestimmt und die am Ende der Ausführung jedes Eingangsmikrobefehls das Ende-der-Ausführung-Signal und einen Ausgangsbericht erzeugt,
- einen von der Verkehrsleiteinheit getakteten, von der Ablaufsteuerung adressierten Speicher, der Ausgangsmikrobefehle, für die Ablaufsteuerung codierte Informationen aussendet und an die Verkehrsleiteinheit Ausgangsfreigabesignale weitergibt,
- ein Register zur Zwischenspeicherung der Ausgangsberichte,
- mindestens ein Register zur Zwischenspeicherung der Ausgangsmikrobefehle, wobei die Ablaufsteuerungsschaltung, der Speicher und die Register von der Verkehrsleiteinheit gesteuert werden und an sie das Endeder-Ausführung-Signal und die Freigabesignale weitergeben.
Nach einer speziellen Ausführungsform werden die Ablaufsteuerungsschaltung und der Speicher durch ein programmierbares logisches Feld (PLA) ersetzt. In diesem Fall umfaßt der Steueroperator:
- ein Register zur Zwischenspeicherung der Ausgangsberichte, mindestens ein Register zur Zwischenspeicherung der Ausgangsmikrobefehle,
- ein programmierbares logisches Feld, das die Mikrobefehle und die Eingangsberichte empfängt und für jeden Eingangsmikrobefehl eine Folge von Ausgangsmikrobefehlen und einen Ausgangsbericht ausgibt,
wobei das programmierbare logische Feld und die Register von der Verkehrsleiteinheit gesteuert werden und an sie das Ende-der-Ausführung-Signal und die Freigabesignale weitergeben.
Zum besseren Verständnis sind nicht-einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der mit Verarbeitungsmodulen arbeitenden erfindungsgemäßen Steuereinheit,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Steuermoduls,
Fig. 3A und 3B, 4A und 4B, 5A und 5B drei Schaltbilder und drei Zeitdiagramme der Funktionsblöcke des Phasengenerators zur Erzeugung von Phasen festgelegter Dauer und festgelegter zeitlicher Lage,
Fig. 6 ein Blockschaltbild der Organisation der Funktionsblöcke zur Bildung eines Phasengenerators,
Fig. 7 ein Schaltbild eines Schieberegisters des Phasengenerators,
Fig. 8A bis 8E ein Schaltbild eines Generators eines Impulses und die zugehörigen Zeitdiagramme,
Fig. 9A, 9B Eingangsschaltungen und Ausgangsschaltungen zur Aktivierung und Deaktivierung der Semaphore.
Fig. 10 ein Schema eines als Beispiel gegebenen Verarbeitungsmoduls, das mit der Steuereinheit verbunden werden kann.
Fig. 1 stellt eine Steuereinheit 10 dar, die ein Vatermodul enthält, das mit Sohnmodulen, so wie die Module 101, 103, und mit Verarbeitungsmodulen verbunden ist, beispielsweise Modul 151. Ein Sohnmodul kann als Aufwärtsmodul oder als Abwärtsmodul bezeichnet werden. Unter den Sohnmodulen sind zu unterscheiden:
- solche, die unmittelbar mit einem oder mehreren Verarbeitungsmodulen verbunden sind: so ist in dem Beispiel das Steuermodul 103 mit zwei Verarbeitungsmodulen 152, 153 verbunden,
- solche, die mit einem anderen Steuermodul verbunden sind: so ist das Steuermodul 101 in dem Beispiel mit einem Steuermodul 102 verbunden, das seinerseits mit einem Verarbeitungsmodul 154 verbunden ist.
Sie werden als Aufwärts- oder Abwärtsmodul bezeichnet, je nachdem, ob ihre Beziehung mit dem vorangehenden oder dem folgenden Modul betrachtet wird. Das Modul 101 ist ein Abwärtsmodul in bezug auf Modul 100, aber in bezug auf Modul 102 ist es ein Aufwärtsmodul. Erfindungsgemäß sind daher viel mehr Ebenen möglich, als in Fig. 1 dargestellt sind.
So kann jedes Steuermodul, ob es Vater oder Sohn ist, selbst mehrere Sohnmodule haben. Am Ende der Kette ist das Endmodul ein Verarbeitungsmodul.
Jedes Abwärtsmodul kommuniziert mit einem Aufwärtsmodul mittels eines Semaphors, empfängt von ihm die Mikrobefehle, wenn das Abwärtsmodul ein Steuermodul ist, oder Betriebskommandos, wenn dieses ein Verarbeitungsmodul ist, und sendet ihm Ausführungsberichte zurück. In gleicher Weise kommuniziert das Aufwärtsmodul mittels eines Semaphors pro Modul mit mehreren Abwärtsmodulen und übermittelt ihnen Mikrobefehle, wenn das Abwärtsmodul eine Steuermodul ist, oder Betriebskommandos, wenn dieses ein Verarbeitungsmodul ist, und empfängt von allen Abwärtsmodulen Ausführungsberichte.
Alle Module werden von dem gleichen Takt gesteuert, der von dem Taktgenerator 15 geliefert wird. Das Vatermodul 10 ist direkt mit dem Befehlsgenerator 16 verbunden, der ihm Befehle I übermittelt und mit dem es einen Eingangssemaphor SE austauscht.
Jedes Steuermodul 100, 101, 102, 103 enthält eine Verkehrsleiteinheit 100a, 101a, 102a bzw. 103a und einen Steueroperator 100b, 101b, 102b bzw. 103b. Jede Verkehrsleiteinheit empfängt und versendet Semaphore. Jeder Operator empfängt und versendet Mikrobefehle und Berichte.
Jedes Verarbeitungsmodul 151, 152, 153, 154 führt die erhaltenen Mikro befehle aus, indem es entsprechend auf die Eingangsdaten DE1, DE2, DE3 bzw. DE4 einwirkt und Ausgangsdaten DS1, DS2, DS3 bzw. DS4 zurücksendet. Bei den Verarbeitungsmodulen kann es sich beispielsweise um ein Rechenwerk, Speicher, Zähler, Register usw. handeln.
Fig. 2 stellt das Blockschaltbild eines Steuermoduls 101 mit nur zwei Ausgangssemaphoren SS1, SS2 dar. Es umfaßt eine Verkehrsleiteinheit 101a und einen Steueroperator 101b.
Die Verkehrsleiteinheit enthält einen Generator 210 eines Impulses 605, der von dem Eingangssemaphor SE, den Ausgangssemaphoren SS1 und SS2 und einer von dem Phasengenerator 220 ausgegebenen Reaktivierungsphase 211 aktiviert und deaktiviert wird. Sie empfängt auch den Takt H. Der Impuls gelangt in einen Phasengenerator 220, der dem Steueroperator 101b Phasen liefert. Der Phasengenerator 220 wirkt auch, über eine Aktivierungsphase 218, auf die Ausgangsfreigabeschaltkreise 225, 235, die Ausgangssemaphore SS1, SS2 versenden, und auf die Eingangsschaltung 215, die den Eingangssemaphor SE mittels einer Deaktivierungsphase 217 für den Eingangssemaphor empfängt. Die Eingangsschaltung 215 empfängt von dem Steueroperator 101b ein Nullrücksetzsignal für den Eingangssemaphor (Verbindung 216). Dieses Signal ist das Ende-der-Ausführung-Signal.
Die Ausgangsfreigabeschaltkreise 225, 235 empfangen von dem Steueroperator 101b jeder ein Freigabesignal 262, 263 des Ausgangssemaphors. Jedes Signal erlaubt, falls das Steuermodul 101 mit mehreren Abwärtssteuermodulen oder Verarbeitungsmodulen verbunden ist, zu entscheiden, ob das oder die angeschlossenen Module aktiviert werden sollen.
Der Generator eines Impulses, der Phasengenerator und die Eingangsschaltung empfangen ebenfalls jeder das Signal RES, das die Initialisierung der Schaltung ermöglicht.
Der Steueroperator 101b enthält:
- eine Ablaufsteuerungsschaltung 250
a) die empfängt:
. Eingangsmikrobefehle mI (Bus 252) aus einem Aufwärtssteuermodul Eingangsberichte (Bus 254) aus einem Abwärtssteuermodul oder einem Verarbeitungsmodul
. codierte Information aus dem Speicher (Bus 266), die die Berechnung der neuen Adresse ermöglicht
. das Signal RES der Schaltungsinitiallsierung
b) und die folgendes liefert:
. einen Ausgangsbericht (Bus 256) in Richtung eines Aufwärtssteuermoduls durch ein Ausgangsregister 270 hindurch, gesteuert von dem Phasengenerator 220 der Verkehrsleiteinheit 101a (Ausgangsfreigabephase 272 der Berichte)
. die Adresse für den Speicher (Bus 267)
- einen Speicher 260, der folgendes liefert:
. die darin gespeicherten Ausgangsmikrobefehle mI&sub1;, mI&sub2; in Richtung eines Abwärtssteuermoduls oder eines Verarbeitungsmoduls durch die Ausgangsregister 255, 265 hindurch, gesteuert von dem Phasengenerator 220 der Verkehrsleiteinheit 120a über eine Freigabephase 219,
. eine der Ablaufsteuerungsschaltung zugeführte codierte Information (Bus 266), die die Berechnung der neuen Adresse ermöglicht.
Der Speicher 260 wird von der Ablaufsteuerungsschaltung 250 und dem Phasengenerator 220 der Verkehrsieiteinheit 101a über einen Taktgebungsphasen-Bus 222 gesteuert. Der Speicher 260 steuert seinerseits die Ausgangsfreigabeschaltkreise 225, 235 der Verkehrsleiteinheit (Freigabesignale 262, 263) und übermittelt der Ablaufsteuerungsschaltung 250 über einen Bus 266 codierte Information, die ihr die Berechnung der neuen Adresse ermöglicht.
Die Ablaufsteuerungsschaltung wird von dem Phasengenerator 220 der Verkehrsleiteinheit 101a mittels des Taktgebungsphasen-Busses 221 gesteuert. Der Phasengenerator steuert die Mikrobefehlsausgaberegister (Phase 219) und das Berichtsausgaberegister (Phase 272)
Auf Basis der von dem Steueroperator 101b empfangenen Mikrobefehle mI gibt dieser die Mikrobefehele mI&sub1;, mI&sub2; aus, die die Submikrobefehle der erhaltenen Mikrobefehle mI bilden. Jedes Steuermodul liefert somit einen Teilsatz von Mikrobefehlen im Zusammenhang mit den am Eingang empfangenen Mikrobefehlen und dem Modul, das mit ihm in Abwärtsrichtung verbunden ist.
Fig. 3A stellt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Elements des Phasengenerators 220 zum Liefern von Phasen mit festgelegter Dauer und festgelegter zeitlicher Lage dar. Diese Dauer ist gleich einer halben Takdauer. Ein MOS- Transistor 303 vom p-Typ wird mit zwei MOS-Transistoren 301, 302 vom n-Typ in Reihe geschaltet, wobei alle drei mit einer Versorgung VDD und einer Masse GND verbunden sind. Sie empfangen an ihrem Gate jeweils die Signale des Phasenendes FINi+1, des Phasenanfangs DEBi und des Takts H. Damit am Ausgang OUT ein Ausgangsimpuls ausgegeben wird, entsprechend einer Phase des Takts H, genügt es, dafür zu sorgen, daß die Signale DEBi und FINi+1 eine Taktperiode dauern und daß DEBi FINi+1 um eine halbe Taktdauer voreilt, sowie bei einer aktiven Phase des Takts H zu beginnen. Der Ausgang OUT nimmt den hohen Logikzustand an, wenn die Signale H und DEBi sich im hohen Logikzustand befinden. Sobald das invertierte Signal FINi+1 im hohen Zustand ist, wird der Ausgang OUT in den niedrigen Zustand gebracht (Fig. 3b). Ein weiterer p-Transistor 304 ermöglicht Nullrücksetzen. Zwei Inverter 305, 306 erlauben das Speichern der Logikzustände.
Fig. 4A zeigt ein ähnliches Schaltbild wie Fig. 3A, aber der Transistor, der das Taktsignal H empfängt, ist weggelassen worden. Dieses Schaltbild erlaubt die Lieferung von Phasen, deren Dauer immer größer ist als eine halbe Taktdauer. Die Transistoren 402, 403 und 404 und die Inverter 405 und 406 arbeiten in gleicher Weise wie die entsprechenden Elemente aus Fig. 3A. Somit wird die Dauer des Ausgangsimpulses (Fig. 4B) durch die Signale des Phasenanfangs DEBi und des Phasenendes FINi+1 bestimmt. Diese Dauer beträgt k Taktdauern. Ihre zeitliche Lage kann auf einen vorbestimmten, dem Anfang einer der beiden Phasen des Takts H entsprechenden Zeitpunkt festgelegt werden.
Fig. 5A zeigt ein ähnliches Schaltbild wie Fig. 4A. Die Transistoren 502, 503 und 504 und die Inverter 505 und 506 arbeiten in gleicher Weise wie die entsprechenden Elemente aus Fig. 4A. Der Ausgang des Inverters 506 ist mit einem UND- Gatter 507 verbunden, das auch ein externes Signal V empfängt. Je nach dem Logikzustand dieses Signals V kopiert somit der Ausgang 508 den Logikzustand dieses Signals V während des von dem Inverter 506 gelieferten Impulses. Das Zeitdiagramm wird in Fig. 5B dargestellt.
Somit kann der Logikzustand einer Phase während der Dauer dieser Phase gleich dem Logikzustand eines gegebenen Signals sein.
Die Schaltbilder der Fig. 3A, 4A und 5A sind als Beispiel gegeben worden und der Fachkundige kann daraus leicht weitere ableiten, mit denen Impulse von festgelegter Dauer und festgelegter zeitiicher Lage erhalten werden können.
Alle so erhaltenen Funktionsblöcke können so organisiert werden, daß sie einen Phasengenerator bilden.
Fig. 6 gibt ein sehr vereinfachtes Beispiel dafür, wie die Funktionsblöcke miteinander kombiniert werden müssen, um einen Phasengenerator zu bilden. Die Schieberegister 60&sub1;, 60&sub2;, 60&sub3;, 60&sub4;, ... 60n-1, 60n leiten sich den Impuls zu, der über die Verbindung 605 in das erste Register 60i gelangt ist. Die Register werden paarweise durch den selben Takt angeregt. Zwei aufeinanderfolgende Register haben einen entgegengesetzten Takt. Somit liefert jedes Register ein Signal FIN F und ein Signal DEB D, die bezüglich der entsprechenden Signale der anderen Register zeitlich verschoben sind. Diese Signale bilden die verschiedenen Signale DEBi, FIN1+l und FINi+k, die die Funktionsblöcke 63, 64, 65, 66 aktivieren, die beispielsweise entsprechend den Schaltbildern der Fig. 3A, 4A und 5A gebildet worden sind.
Der Funktionsblock 63 empfängt DEB&sub1; und FIN&sub2;.
Der Funktionsblock 64 empfängt DEB&sub2; und FIN&sub3;.
Der Funktionsblock 65 empfängt DEB&sub3; und FINn-1.
Der Funktionsblock 66 empfängt DEBn-1 und FINn.
Ihre Ausgangssignale bilden die von dem Phasengenerator gelieferten Phasen.
Somit liefert nach diesem Beispiel und anhand von Fig. 2:
- der Funktionsblock 63 die Aktivierungsphase 218 und die Freigabephase 219 für die Ausgangsregister und Semaphore,
- der Funktionsblock 64 das Vorladesignal des Speichers (eines der Signale des Busses 222),
- der Funktionsblock 65 eines der der Ablaufsteuerung zugeführten Signale des Busses 222, um ihr Funktionieren zu ermöglichen,
- der Funktionsblock 66 die Signale
.217 der Deaktivierung des Eingangssemaphors,
.272 der Freigabe des Berichtsregisters,
.211 der Reaktivierung des Generators eines Impulses.
Jeder Phasengenerator ist somit entsprechend der für den Steueroperator notwendigen Phasen aufgebaut, den er steuert.
Somit liefert der Phasengenerator Phasen, die mit Hilfe eines Beginn- und eines Phasenendsignals entsprechend einem Vielfachen der halben Taktdauer einzeln kalibriert und zeitlich positioniert sind.
Fig. 7 gibt ein Ausführungsbeispiel für eines der in Fig. 6 dargestellten Schieberegister 60&sub1; bis 60n. Es umfaßt:
- einen MOS-Transistor 620, in Transfer-Gate-Schaltung, dessen Gate von dem Taktsignal H angesteuert wird. Der Transistor ist mit dem Eingangssignal 622 (beispielsweise der Impuls 605) und mit dem Eingang eines Inverters 630 verbunden, dessen Ausgang mit einem weiteren Inverter 640 verbunden ist.
Der Eingang des Inverters 630 ist über einen p-MOS-Transistor 624 mit der Versorgung VDD verbunden. Dieser gleiche Eingang ist mit der Masse GND über einen n-MOS-Transistor 626 verbunden, dessen Gate das Nullrücksetzsignal RES 627 empfängt.
Das Gate des Transistors 624 ist mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Inverter verbunden, mit dem eine Verbindung 635 für die Ausgabe des Steuersignals FINi gekoppelt ist. Der Ausgang des Inverters 640 liefert das Signal DEBi 637, das zugleich das in das folgende Schieberegister eingegebene Signal ist.
Fig. 8A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Generators eines Impulses. Er enthält den Sender 95 eines Impulses und einen Aktivator 96. Der Sender enthält drei parallel geschaltete n-MOS-Transistoren 901, 902, 903. Ihre gemeinsamen Drain-Anschlüsse (punkt A) sind über einen p-MOS-Transistor 904 mit einer Versorgung VDD verbunden. Ihre gemeinsamen Source-Anschlüsse sind über einen n-MOS-Transistor 905 mit der Masse GND verbunden.
Die Gate-Anschlüsse der Transistoren 901 und 902 sind mit den Ausgangssemaphoren SS&sub1; bzw. SS&sub2; verbunden. Die Gate-Anschlüsse der Transistoren 904 und 905 sind mit dem invertierten Taktsignal H verbunden. Am Punkt A ist einer der n- MOS-Transistoren 906 mit einem weiteren n-MOS-Transistor 907 in Reihe geschaltet. Ihr jeweiliges Gate ist mit dem invertierten Taktsignal bzw. dem Taktsignal verbunden. Sie arbeiten in Transfer-Gate-Schaltung. Der Ausgang der letzteren liefert den gesuchten Impuls P.
Der Aktivator 96 enthält ein aus zwei NOR-Gattern 910, 920 gebildetes Kippglied, das eine Speicherzelle bildet. Das NOR-Gatter 910 empfängt am Eingang den Ausgangsimpuls P sowie das Ausgangssignal X&sub2; des Gatters 920. Das Gatter 920 empfängt den von einem Inverter 911 invertierten Eingangssemaphor SE, die von dem Phasengenerator 220 (Fig. 2) ausgegebene Reaktivierungsphase 211 PH-AC und das Ausgangssignal X&sub1; des Gatters 910.
Ein ODER-Gatter 930 empfängt das Ausgangssignal X&sub2; des Gatters 920 und den invertierten Eingangssemaphor SE und liefert das Signal AC, das das Gate des Transistors 903 aktiviert. Somit kann der Semaphor SE nur dann mittels des Taktsignals einen Ausgangsimpuls erzeugen, wenn die beiden Ausgangssemaphore inaktiv sind.
Die Funktionsweise des Senders 95 und des Aktivators soll im folgenden detailliert erläutert werden.
Der Sender setzt seinen Ausgang P auf den Pegel 1, wenn AC den Pegel 0 hat und alle Ausgangssemaphore ebenfalls gleich 0 sind.
In dem Fall, daß ein Semaphor aktiviert ist (Pegel 1) oder wenn AC 1 ist, bleibt P auf dem Pegel 0.
Die Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, zu dem eines der Eingangssignale wechselt und dem, zu dem sich das auf den Ausgang P auswirkt, beträgt eine Taktdauer. Das Zeitdiagramm von Fig. 8B gibt diesen Fall wieder.
. SS1 und SS2 auf 0
. AC geht von 1 auf 0 über
. beim Punkt A geht der Pegel auf 1
. beim Punkt B geht der Pegel mit einer Verzögerung von T/2 gegenüber Punkt A auf 1
. der Ausgang P geht mit einer Verzögerung von T gegenüber dem Übergang vom Punkt A auf 1.
Um ein Signal P zu erzeugen, das eine Taktdauer dauert, muß sein Eingang AC eine Taktdauer vor dem Ende von P auf 1 zurückgesetzt werden (wegen der Verzögerung von 1 Periodendauer). Dieser Fall wird im Schaltbild von Fig. 8C dargestellt.
Die allgemeine Funktionsweise des Generators von Fig. 8 ist die folgende:
A - INITIALISIERUNG
Die Semaphore SE, SS&sub1; und SS&sub2; sind inaktiv (Pegel 0), also braucht er keinen Impuls P zu erzeugen. Der Aktivator 96 setzt seinen Ausgang AC auf 1.
B - Der Semaphor SE ist aktiviert, der Aktivator setzt seinen Ausgang AC auf 0.
Der Sender 95 setzt seinen Ausgang P auf 1. Um einen eine Periodendauer langen Impuls zu erzeugen, setzt der Aktivator 96 im Anschluß an die Änderung des Zustandes des Signals P am Eingang seinen Ausgang AC auf 1. Der Sender setzt seinen Ausgang P auf 0. Diese Funktionsweise wird im Schaltbild der Fig. 8D dargestellt.
C - Der Impuls wird dem Phasengenerator 220 (Fig. 2) zugeführt, der Phasen generiert:
. was die Ausgangssemaphore SS&sub1;, SS&sub2; aktiviert, die auf 1 übergehen, und die Reaktivierung des Senders 95 eines Impulses ermöglicht. Wenn PH-AC auf 1 übergeht, setzt der Aktivator 96 seinen Ausgang AC wieder auf 0. Diese Funktionsweise wird im Schaltbild der Fig. 8D wiedergegeben.
Wenn die Ausgangssemaphore von anderen Steuermodulen deativiert werden, kehren die Semaphore SS&sub1;, SS&sub2; auf den Pegel 0 zurück und, da AC bereits auf Pegel 0 ist, setzt der Sender 95 seinen Ausgang P während einer Taktdauer auf 1 (Fig. 8D).
Während der Zeit K0 ist für ein gegebenes Modul dessen Generator inaktiv. Während der Zeit K1 ist der Generator aktiv und der Mikrobefehl 1 wird ausgeführt, und so weiter für die Mikrobefehle 2 und die folgenden während der Zeit K2 und folgender.
Das Zeitdiagramm des Aktivators 96 wird in der Fig. 8E wiedergegeben. Seine Wirkungsweise ist die folgende:
A - Bei der Initialisierung sind SE, P und PH-AC im Zustand 0 und somit ist AC im Zustand 1. Der Sender 95 kann keinen Impuls aussenden.
B - Wenn der Eingangssemaphor aktiviert wird (SE=1), geht der Ausgang AC auf 0, und der Sender 95 sendet einen Impuls aus.
C - Wenn P aktiviert wird, nimmt AC wieder den Pegel 1 an und der Sender 95 wird deaktiviert.
D - Wenn der Phasengenerator 220 (Fig. 2) das Signal PH-AC 211 aktiviert, setzt der Aktivator 96 seinen Ausgang AC auf 0 zurück.
E - Wenn die Ausgangssemaphore SS&sub1;, SS&sub2; deaktiviert werden, sendet der Sender 95 eine Taktdauer später das Impulssignal P, das den Ausgang AC auf 1 zurücksetzt und somit den Sender 95 deaktiviert.
- Zum Zeitpunkt t&sub1; wird der Eingangssemaphor SE aktiviert.
- Zum Zeitpunkt t&sub2; wird der Impuls P ausgesendet.
- Zum Zeitpunkt t&sub3; wird das Signal PH-AC vom Phasengenerator 220 erzeugt.
- Zum Zeitpunkt t&sub4; werden die Ausgangssemaphore durch ein anderes Modul deaktiviert.
- Zum Zeitpunkt t&sub5; wird ein folgender Impuls P ausgesendet.
Fig. 9A zeigt die Deaktivierungsschaltung für den Eingangssemaphor 215 der in Fig. 2 gezeigten Verkehrsleiteinheit. Der Eingangssemaphor SE wird mit dem Drain-Anschluß eines n-MOS-Transistors 71 verbunden, dessen Source mit Masse verbunden ist. Seine Gate empfängt das Ausgangssignal eines UND-Gatters 72, das das von der folgenden Ablaufsteuerungsschaltung gelieferte Freigabesignal zur Nullrücksetzung 216 empfängt sowie die von dem Phasengenerator gelieferte Deaktivierungsphase 217.
Der Eingangssemaphor SE ist ebenfalls mit dem Drain-Anschluß eines n-MOS-Transistors 73 verbunden, dessen Gate das Initialisierungssignal RES empfängt.
Fig. 9B stellt eine Freigabeschaltung 225, 235 zur Aktivierung der in der Fig. 2 dargestellten Ausgangssemaphore dar. Ein NAND-Gatter empfängt die von dem Phasengenerator gelieferte Aktivierungsphase 218 sowie das von dem Speicher gelieferte Freigabesignal 262.
Betriebsprotokoll für drei Steuermodule:
I - Wenn ein Steueroperator 100b einen Mikrobefehl mI&sub1; einem Abwärts-Steueroperator 101b zuführt, aktiviert gleichzeitig die Verkehrsleiteinheit 100a ihren Ausgangssemaphor SS&sub1;, der der Eingangssemaphor SE der Verkehrsleiteinheit 101a ist (Fig. 1 und 2).
II - Die Verkehrsleiteinheit 101a detektiert mittels ihres Generators 210 eines Impulses diese Aktivierung und beginnt die für den Operator 101b notwendigen Phasen zu erzeugen, um eine Mikrobefehlfolge ablaufen zu lassen. Jede Folge hat die folgende Struktur: Beginnbefehl Befehl Endbefehl
Für jeden Mikrobefehl generiert die Verkehrsieiteinheit 101a eine Folge von Phasen und wartet anschließend, bis alle ihre Ausgangssemaphore SS&sub1; und SS&sub2; deaktiviert sind, bevor sie den folgenden Mikrobefehl bearbeitet.
Eine Folge von Mikrobefehlen umfaßt drei Arten von Mikrobefehlen, deren Ablauf die Aktivität dreier aufeinanderfolgender Steuermoduie 100, 101, 102 erfordert.
Das Geschehen soll jetzt vom Modul 101 ausgehend betrachtet werden (Fig. 1 und 2).

A. Mikrobefehl "Beginn"

Schritt 1

Die Ausgangssemaphore SS&sub1;, SS&sub2; werden von der Phase 218 nicht aktiviert, da die aus dem Speicher kommenden und in den Ausgangsfreigabeschaltkreis 225, 235 gelangenden Befehle 262, 264 im niedrigen Logikzustand sind.

Schritt 2

Die Ablaufsteuerungsschaltung 250 und der Speicher 260 (von dem Phasenbus 221 bzw. 222 getaktet) arbeiten normal und bestimmen den ersten Mikrobefehl, der dem folgenden Steueroperator 102b zugeführt werden soll.

Schritt 3

Der Eingangssemaphor SE wird von der Phase 217 nicht deaktiviert (das Signal des letzten Mikrobefehls 216 ist inaktiv).

B. normaler Mikrobefehl (1 bis n)

Schritt 1

Ein bei Ausführung des vorangehenden Mikrobefehls wird dem Steueroperator 102b zugeführt, wobei eines der Ausgangsregister 255, 265 des Steueroperators 101b durch die Phase 219 freigegeben wird und durch die Phase 218 der entsprechende Ausgangssemaphor SS&sub1;, SS&sub2; aktiviert wird, der zugleich der Eingangssemaphor der Verkehrsleiteinheit 102a ist.

Schritt 2

Dieser ist mit dem Schritt 2 der Mikrobefehle "Beginn" identisch.

Schritt 3

Dieser ist mit dem Schritt 3 der Mikrobefehle "Beginn" identisch.

C. Mikrobefehl "Ende"

Schritt 1

Dieser ist mit dem Schritt 1 der Mikrobefehle "Beginn" identisch.

Schritt 2

Die von dem Phasenbus 221 getaktete Ablaufsteuerungsschaltung des Operators 101b erzeugt den Ausführungsbericht CR 256.

Schritt 3

Der Bericht CR wird dem Steueroperator 100b durch Freigabe des Berichtsregisters durch die Phase 272 zugeführt. Gleichzeitig wird der Eingangssemaphor der Verkehrsleiteinheit 101a durch die von dem von der Ablaufsteuerungsschaltung erzeugten Ende-der-Ausführung-Signal 216 gültig gemachte Phase 217 dekktiviert, was der Verkehrsleiteinheit 100a anzeigt, das der Mikrobefehl beendet ist. Der Steueroperator 100b empfangt gleichzeitig den Ausführungsbericht, und die Ablaufsteuerungsschaltung des Operators 100b berücksichtigt diesen bei der Bestimmung des folgenden Mikrobefehls.
III - Wenn die Verkehrsleiteinheit 100a die Deaktivierung ihres Ausgangssemaphors detektiert, erzeugt sie einen neuen Impuls und die für den neuen Mikrobefehl notwendigen Phasen.
Als Beispiel zeigt Fig. 10 das Schema eines Verarbeitungsmoduls 11. Es besteht ebenfalls aus einer Verkehrsleiteinheit 12 und einem Operator 13. Die Verkehrsleiteinheit 12 empfängt vom Aufwärtssteuermodul einen Eingangssemaphor SE. Ein Takt 16 steuert die Mbeitsweise der Verkehrsleiteinheit 12. Der Operator 13 empfängt vom Aufwärtssteuermodul Betriebskommandos 15 und übermittelt ihm Ausführungsberichte CR. Diese Betriebskommandos bilden die Arbeitssignale, um beispielsweise in einem arithmetischen und logischen Operator eine Addition, eine Verschiebung, eine Multiplikation usw. ... auszuführen. Die Verkehrsleiteinheit 12 kann ihrerseits Eingangssemaphore SEi von einem anderen Verarbeitungsmodul empfangen und Ausgangssemaphore SSj einem anderen Verarbeitungsmodul übermitteln. Die Verkehrsleiteinheit 12 liefert dem Operator 13 die von diesem benötigten Taktsignale 17. Der Operator 13 empfängt Eingangsdaten DEi in Form von i Mehrbit-Wörtern. Entsprechend liefert er Ausgangsdaten DSj in Form von j Mehrbit-Wörtern.
Während des Entwurfs der integrierten Schaltung zur digitalen Datenverarbeitung können die Operatoren und ihre Verkehrsleiteinheiten zur Steuerung, aber auch Verarbeitung, eine Bibliothek aus vorher festgelegten Modulen bilden, welche Module zur Bildung der genannten integrierten Schaltung zusammengesetzt werden können. Die in der Bibliothek enthaltenen Verkehrsleiteinheiten sind analog entworfen, aber es ist möglich, zum Zeitpunkt des Entwurfs bestimmte Eigenschaften an den Operator anzupassen, zu dem die Verkehrsleiteinheit gehört.

Claims

1. Steuereinheit (10), die auf Verarbeitungsmodule (152, 153, 154) einer integrierten Schaltung zur Datenverarbeitung einwirkt, denen diese Betriebskommandos übermittelt, wobei die Steuereinheit von einem Taktgeber (15) und von einem Befehle liefernden Befehlsgenerator (16) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein Steuermodul (100) umfaßt, das aus einem Steueroperator (100b) und einer Verkehrsleiteinheit (100a) gebildet wird, die einen Eingangssemaphor (SE) empfängt und mindestens einen Ausgangssemaphor (SSj) weitergibt und die nach Empfang des Eingangssemaphors ihrem Steueroperator an seine Funktionsparameter angepaßte Signale liefert, wobei die Verkehrsleiteinheit am Ende der von ihrem Steueroperator ausgeführten Verarbeitung die Lieferung von Betriebskommandofolgen durch den Steueroperator an mindestens ein folgendes Verarbeitungsmodul oder von Mikrobefehlfolgen an mindestens ein folgendes Steuermodul (101, 103) freigibt, unter der Kontrolle von Ausgangssemaphoren, die weitergegeben werden:

- an das folgende Steuermodul, damit seine Verkehrsleiteinheit (101a, 103a) ihren Steueroperator einstellt, damit er die Mikrobefehlfolgen empfängt und für jede davon seinerseits an weitere Steuermodule (102) Mikrobefehlfolgen oder an weitere Verarbeitungsmodule (153) Betriebskommandofolgen aussendet, und damit sie den Eingangssemaphor am Ende der Ausführung jedes Eingangsmikrobefehls deaktiviert,

- oder an das folgende Verarbeitungsmodul, damit es die Betriebskommandofolgen empfängt und den Eingangssemaphor am Ende der Ausführung jedes Betriebskommandos deaktiviert,

wobei die Verkehrsleiteinheiten außerdem folgendes enthalten:

. um es einer vorhergehenden Verkehrsleiteinheit zu melden, Mittel (217) zur Deaktivierung ihres Eingangssemaphors, wenn alle folgenden Steueroperatoren und alle folgenden Verarbeitungsmodule die Ausführung ihrer Eingangsmikrobefehlfolgen bzw. ihrer Betriebskommandofolgen beendet haben,

. und, für jeden ausgegebenen Mikrobefehl, Mittel zum Empfang der gültig gemachten Ausgangssemaphore (225, 235), die von einer darauffolgenden Verkehrsleiteinheit oder einem darauffolgenden Verarbeitungsmodul deaktiviert worden sind,

wobei die Steuermodule außerdem miteinander über ihre Operatoren (252, 254) Eingangs-/Ausgangsausführungsberichte austauschen, wodurch, zusammen mit dem Austausch von Semaphoren über ihre Verkehrsleiteinheiten, für jedes Steuermodul, das ebenfalls von dem Taktgeber gesteuert wird, für eine selbsttaktende Ablaufsteuerung gesorgt ist, wobei jedes Verarbeitungsmodul auch von demselben Taktgeber gesteuert wird und das erste Steuermodul (100) seine Befehle direkt von dem Befehlsgenerator erhält und mit ihm einen Semaphor austauscht.

2. Steuereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkehrsleiteinheit folgendes umfaßt:

- einen Eingangsschaltkreis des Eingangssemaphors und einen Ausgangsfreigabeschaltkreis für jeden Ausgangssemaphor, wobei diese Schaltungen durch den Steueroperator freigegeben werden,

- einen Generator eines Impulses, der entweder durch die Aktivierung des Eingangssemaphors oder durch Deaktivierung der Ausgangssemaphore ausgelöst wird,

- einen Phasengenerator, der den genannten Impuls empfangt, dem Steueroperator die notwendigen Phasen liefert und die Ausgangsfreigabeschaltkreise und den Eingangsschaltkreis steuert.

3. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steueroperator folgendes umfaßt:

- eine Ablaufsteuerungsschaltung, die die Eingangsmikrobefehle, die Eingangsberichte und die von dem Speicher gesendeten Informationen empfängt, die als Funktion ihrer Eingänge die neue Adresse des zu lesenden Wortes im Speicher bestimmt und die am Ende der Ausführung jedes Eingangsmikrobefehls das Ende-der-Ausführung-Signal und einen Ausgangsbericht erzeugt,

- einen von der Verkehrsleiteinheit getadeten, von der Ablaufsteuerung adressierten Speicher, der Ausgangsmikrobefehle, für die Ablaufsteuerung codierte Informationen aussendet und an die Verkehrsleiteinheit Ausgangsfreigabesignale weitergibt,

- ein Register zur Zwischenspeicherung der Ausgangsberichte,

- mindestens ein Register zur Zwischenspeicherung der Ausgangsmikrobefehle, wobei die Ablaufsteuerungsschaltung, der Speicher und die Register von der Verkehrsleiteinheit gesteuert werden und an sie das Ende-der-Ausführung-Signal und die Freigabesignale weitergeben.

4. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steueroperator folgendes umfaßt:

- ein Register zur Zwischenspeicherung der Ausgangsberichte,

- mindestens ein Register zur Zwischenspeicherung der Ausgangsmikrobefehle,

- ein programmierbares logisches Feld, das die Mikrobefehle und die Eingangsberichte empfängt und für jeden Eingangsmikrobefehl eine Folge von Ausgangsmikrobefehlen und einen Ausgangsbericht ausgibt,

wobei das programmierbare logische Feld und die Register von der Verkehrsleiteinheit gesteuert werden und an sie das Ende-der-Ausführung-Signal und die Freigabesignale weitergeben.

5. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasengenerator die Mikrobefehlsausgangsregister und das Berichte-Ausgangsregister steuert.

6. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasengenerator mit Hilfe eines Beginn- und eines Ende-Phase-Signals entsprechend einem Vielfachen von halben Taktdauern individuell eingestellte und zeitlich positionierte Phasen liefert.

7. Steuereinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Logikzustand einer Phase während der Dauer dieser Phase der gleiche sein kann wie der Logikzustand eines gegebenen Signals.