DE68924842T2 - Selbstgetakteter Registerspeicher. - Google Patents

Selbstgetakteter Registerspeicher.

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    • G06F5/06Methods or arrangements for data conversion without changing the order or content of the data handled for changing the speed of data flow, i.e. speed regularising or timing, e.g. delay lines, FIFO buffers; over- or underrun control therefor

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  • Memory System Of A Hierarchy Structure (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Registerspeicher, der aus emittergekoppeiten Logikschaltungen aufgebaut ist, wobei dieser Registerspeicher eine Mehrzahl von Speicherregistern einschließt, von denen jedes eine Vielzahl von Bitspeicherzellen aufweist, jede dieser Bitspeicherzellen einen Datenausgang aufweist, und ein Ausgangs-Multiplexer mit den Datenausgängen dieser Bitspeicherzellen verbunden ist, um selektiv die Datenausgänge von Bitspeicherzellen in einem ausgewählten Register mit einem Datenausgangs-Port zu verbinden.
  • Auf dem Gebiet der Hochgeschwindigkeitscomputer verarbeiten die meisten hochentwickelten Rechenanlagen die gesamte Reihe von Anweisungsaktivitäten als Pipeline. Ein Hauptbeispiel ist die VAX 8600, hergestellt und vertrieben von der Digital Equipment Corporation, 111 Powdermill Road, Maynard MA 97154-1418. Die Anweisungspipeline für die VAX 8600 wird in "An Overview of the VAX 8600 System" von T. Fossum et al. im Digital Technical Journal, Nr.1, August 1995, Seite 8 bis 23, beschrieben. Getrennte Pipelinestufen sind für das Abrufen von Anweisungen, das Decodieren von Anweisungen, die Erzeugung von Operandenadressen, das Abrufen von Operanden, das Ausführen von Anweisungen, und das Speichern des Ergebnisses vorgesehen. Die Pipelinestufen sind für gewöhnlich damit beschäftigt, sukzessive Anweisungen zu verarbeiten. Die Bewegung durch die Pipene kann jedoch nicht immer mit der höchsten Geschwindigkeit stattfinden. Verschiedene Stufen sind zwangsläufig unbeschäftigt, sobald Daten aus dem Hauptspeicher, anstelle aus dem Hochgeschwindigkeits-Cache-Speicher, der die vorher adressierten Datenblöcke speichert, geholt werden müssen, oder wenn eine Multiplikation oder Division die Instruktions-Ausführungsstufe auslastet.
  • Es ist einzusehen, daß, um das Hochgeschwindigkeitspotential des Computers aufrecht zu erhalten, die Stufen der Pipeline, die nicht von diesen Speicheroperationen, Multiplikationen und Divisionen betroffen sind, damit fortfahren sollten, Anweisungen vorzuverarbeiten. Da jedoch diese unbeschäftigten Stufen nicht von den Stufen, die weiterhin in Betrieb sind, Daten empfangen können, muß es einen vorläufigen Platz geben, auf dem diese Daten gespeichert werden, bis die stillgelegten Stufen bereit sind, sie zu empfangen. Dementsprechend werden Register vorgesehen, die einen allgemeinen vorläufigen bzw. vorübergehenden Speicherbereich zur Verfügung stellen.
  • Darüber hinaus werden vorläufige Speicherplätze auch für andere Bereiche des Rechnerbetriebs benötigt. So muß zum Beispiel die Ausführungseinheit der CPU oft während der Ausführung bestimmter Anweisungen auf einen Notizspeicherbereich zugreifen. Die Daten, die in diesem Notizspeicherbereich gespeichert sind, dienen nur zur vorläufigen Benutzung und können nach Beendigung der Anweisung gelöscht werden. Typischerweise werden auch zur Deckung dieses vorläufigen Speicherbedarfs Register verwendet.
  • Ein problematischer Aspekt der Verwendung von Registern ist die Geschwindigkeit, mit der man auf sie zugreifen können muß. Üblicherweise werden diese Register auf einem separaten Halbleiterchip gefertigt und erhalten ihre steuernden Taktsignale, Adreßsignale und Datensignale von verschiedenen externen Quellen. Die Verzögerung, die durch die Zeit ausgelöst wird, die diese Signale benötigen, um die Leitungen zu passieren, kann zu Datenstabilitätsproblemen führen. Bei Computern, die mit niedrigerer Geschwindigkeit arbeiten, stellt dies kein echtes Problem dar, da die Periode des Taktzyklus viel größer ist als die Zeit, die die Signale benötigen, bis sie an dem separaten Halbleiterchip angelangt sind. Bei Computern, die mit sehr hoher Geschwindigkeit betrieben werden, kann jedoch die Taktperiode bis zu 16 nsec kurz sein, während die Taktübertragungszeit oder die Leitungsverzögerung bis zu 8 oder 9 nsec groß sein kann. Infolgedessen gibt es eine durchaus sehr reale Möglichkeit, daß die Daten, die in die Register geschrieben werden sollen, unstabil werden, bevor die Registerspeicherung beendet werden kann. Wenn zum Beispiel die Setup-Zeit, die für den Übergang der Signale zwischen ihrem bestätigten und ihrem unbestätigten Zustand benötigt wird, 8 nsec ist und die Leitungsverzögerung die ersten 9 nsec der Taktperiode ausmacht, so könnten die Daten ihren Zustand nach den 16 nsec des Taktsignalübergangs aber vor der Beendigung des Speichervorgangs ändern.
  • Wie von Jim Edrington in "Buffer speeds response time of first-in, first- out memory, " Electronics, Vol. 49, Nr. 20, 30. September 1976, S. 89 bis 90 dargelegt wird, ist bekannt, daß ein Zwischenspeicher dazu benutzt werden kann, die Antwortzeit eines first-in, first-out memory (FIFO) zu verkürzen. Ein Benutzersystem liest zum Beispiel ein Datenwort am FIFO-Ausgang und sendet ein shift-out-Signal, um der FIFO mitzuteilen, daß sie ein neues Wort verfügbar machen soll. Die FIFO kann jedoch eine unerwünschte Verzögerung aufweisen bevor sie bestätigt, daß das neue Wort bereit liegt. In diesem Fall kann ein Zwischenspeicher zwischen den FIFO-Ausgang und den Dateneingang des Benutzersystems geschaltet werden um schneller zu bestätigen, daß die Daten dafür bereit sind, zum Benutzersystem übertragen zu werden. Ein Zwischenspeicher kann ebenso zwischen einer Datenquelle und dem FIFO- Eingang plaziert werden. In diesem Fall gibt der Zwischenspeicher eine sofortige Bestätigung an die Datenquelle, daß die Daten gelesen worden sind. In keinem der Fälle wird die Gesamtdatenflußrate vergrößert - die obere Grenze ist immer noch die interne Rate der FIFO. Der Zwischenspeicher erlaubt jedoch die FIFO in Verbindung mit vielen Geräten zu benutzen, für die andernfalls ihre Antwortzeit zur langsam wäre.
  • Die vorliegende Erfindung wird in Anspruch 1 definiert.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel schließt jedes emittergekoppelte Gate ein Paar von ersten und zweiten emittergekoppelten Transistoren ein, von denen einer einen Kollektoranschluß aufweist, der die Ausgangs-Verbindung für jedes emittergekoppelte Gate ermöglicht und der andere über seine Basis mit dem Daten-Ausgang seiner jeweiligen Bitspeicherzelle verbunden ist, sowie einen dritten Transistor, dessen Kollektor mit dem Emitter der ersten und zweiten emittergekoppelten Transistoren verbunden ist und dessen Emitterkemme die Stromsenke-Verbindung liefert.
  • In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Registerspeicher ferner eine selbstgetaktete Einrichtung auf, um Daten in ein ausgewähltes dieser Register zu schreiben. Die bevorzugte selbstgetaktete Einrichtung weist eine Anzahl von Latches auf, die auf ein Taktsignal reagieren, wobei diese Latches ein Adressen-Latch zur vorübergehenden Speicherung einer Registeradresse und ein Daten-Latch aufweisen, um während einer Schreiboperation vorübergehend Daten zu speichern, die in ein adressiertes Register geschrieben werden sollen, und das Daten-Latch einen Ausgang aufweist, der mit jedem dieser Register verbunden ist, einen Adressen-Decoder, der mit dem Adressen-Latch und den Registern verbunden ist, um das adressierte der Register anzusprechen, und einen Schreibimpuls-Generator, der auf das Taktsignal reagiert, um einen Schreibimpuls zu erzeugen, der es dem adressierten Register ermöglicht, stabile Daten von dem Daten-Latch zu empfangen.
  • Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Arten umgesetzt werden, von denen eine nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben wird, in denen:
  • Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Computersystems darstellt;
  • Fig. 2 ein detailliertes Blockdiagramm eines integrierten Schaltkreises zur Herstellung der selbstgetakteten Register darstellt;
  • Fig. 3 ein detailliertes Funktionsdiagramm eines einzelnen Bits der selbstgetakteten Register darstellt;
  • Fig. 4 ein Logikdiagramm der Steuerschaltung zur Erzeugung des selbstgetakteten Clock-Signals darstellt
  • Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Reihe von elektrischen Signalformen, die ausgewählten Testpunkten auf dem Logikdiagramm von Fig. 4 entsprechen, darstellt;
  • Fig. 6 ein elektrisches Schema einer Realisierung des Funktionsdiagramms von Fig. 3 darstellt;
  • Fig. 7 ein elektrisches Schema der gemeinsamen Stromquelle und der Endwiderstände für die individuellen Bits der selbstgetakteten Register darstellt und
  • Fig. 8 ein Funktionsdiagramm der Beziehung zwischen den gemeinsamen Endwiderständen, Stromquellen und Registern darstellt.
  • Während die Erfindung verschiedenen Modifikationen und alternativen Ausgestaltungsformen zugänglich ist, werden spezifische Ausführungsbeispiele von ihr anhand von Beispielen in den Zeichnungen gezeigt und werden hier nun im Detail beschrieben. Man sollte jedoch einsehen, daß dies nicht darauf gerichtet ist die Erfindung auf die besonderen dargelegten Ausgestaltungsformen zu beschränken, sondern im Gegenteil, die Erfindung ist darauf ausgerichtet, alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen, die in den Bereich der Erfindung fallen, wie er durch die angefügten Ansprüche definiert wird, abzudecken.
  • Unter Hinwendung zu den Zeichnungen und zunächst bezugnehmend auf Fig. 1 wird ein Diagramm der obersten Organisationsebene eines Teil eines digitalen Computersystems gezeigt, das einen Hauptspeicher 10, eine Speicherzugnifseinheit 12 und mindestens eine CPU, welche eine Anweisungseinheit 14 und eine Ausführungseinheit 16 beeinhaltet, einschließt. Sowohl die Daten als auch die Anweisungen zur Verarbeitung der Daten werden in adressierbaren Speicherplätzen innerhalb des Hauptspeichers 10 gespeichert. Eine Anweisung beinhaltet einen Operationscode (Opcode), der in codierter Form eine Operation spezifiziert, die von der CPU und Operanden, die von Spezifikationselementen identifiziert werden, welche die Information, die benötigt wird, um die Operanden zu lokalisieren, zur Verfügung stellen, durchgeführt werden soll.
  • Innerhalb der CPU wird die Ausführung einer individuellen Anweisung in mehrere kleinere Aufgaben aufgespalten. Diese Aufgaben werden von dafür spezialisierten, separaten, unabhängigen funktionalen Einheiten, die für diesen Zweck optimiert sind, durchgeführt.
  • Obwohl jede Anweisung letztlich eine andere Operation durchführt, sind viele der kleineren Aufgaben, in die jede Anweisung aufgespalten wird, für alle Anweisungen gleich. Generell werden die nachfolgenden Schritte während der Ausführung einer Anweisung durchgeführt:
  • Abrufen der Anweisung, Decodieren der Anweisung, Abrufen der Operanden, Ausführung und Speicherung des Resultats. Deshalb können sich bei der Verwendung von spezialisierten Hardware-Stufen die Schritte im Pipeline- Betrieb überlappen, wodurch der gesamte Anweisungsdurchfluß vergrößert wird.
  • Der Datenpfad durch die Pipeline schließt eine jeweilige Anzahl von Registern zur Übertragung der Ergebnisse von einer Pipeline-Stufe zur nächsten Pipene-Stufe ein. Diese Übertragungsregister sind in Reaktion auf einen gemeinsamen Taktzyklus getaktet. So wird zum Beispiel während eines ersten Taktzyklus die erste Anweisung von für die Anweisungsabrufung spezialisierter Hardware abgerufen. Während des zweiten Taktzyklus wird die abgerufene Anweisung von Anweisungsdecodier-Hardware übertragen und decodiert, zur gleichen Zeit wird allerdings die nächste Anweisung von der Anweisungsabrufungs-Hardware abgerufen. Während des dritten Taktzyklus wird jede Anweisung zur nächsten Stufe der Pipeline weitergeschoben und eine neue Anweisung abgerufen. Somit wird also nachdem die Pipene gefüllt ist, am Ende eines jedes Taktzyklus eine Anweisung vollständig ausgeführt.
  • Dieser Prozeß ist analog zu einem Montageband in einem Produktionsbetrieb. Jeder Arbeiter ist spezialisiert darauf eine einzelne Aufgabe an jedem Produkt, das seine oder ihre Arbeitsstufe passiert, zu verrichten. Durch das Verrichten jeder Aufgabe nähert sich das Produkt seiner Fertigstellung. An der letzten Stufe rollt jedes Mal, wenn der Arbeiter die ihm zugewiesene Aufgabe verrichtet, ein fertiges Produkt von dem Montageband.
  • Bei dem speziellen, in Fig. 1 dargestellten System schließt die Speicherzugnifseinheit 12 einen Haupt-Cache 18 ein, der es den Anweisungs- und Ausführungseinheiten 14, 16 auf einer durchschnittlichen Basis erlaubt, Daten mit einer schnelleren Rate als der Zugriffszeit des Hauptspeichers 10 zu verarbeiten. Dieser Cache 18 weist eine Vorrichtung zur Speicherung von ausgewählten vordefinierten Blöcken von Datenelementen auf, eine Vorrichtung zum Empfang von Anforderungen über einen Adressenumsetzpuffer 20 von der Anweisungseinheit 14, um auf ein spezifiziertes Datenelement zuzugreifen, eine Vorrichtung zur Überprüfung, ob das Datenelement sich in einem in dem Cache 18 gespeicherten Block befindet, und eine Vorrichtung, die in Aktion tritt, wenn die Daten für den Block, einschließlich des spezifizierten Datenelements, nicht derart gespeichert sind, um den spezifizierten Datenblock aus dem Hauptspeicher 10 zu lesen und dann den Datenblock im Cache 18 zu speichern. In anderen Worten, der Cache stellt ein "Fenster" in den Hauptspeicher dar und enthält Daten, von denen es wahrscheinlich ist, daß sie von den Anweisungs- und Ausführungseinheiten 14, 16 benötigt werden.
  • Wenn ein Datenelement, das von den Anweisungs- und Ausführungseinheiten 14, 16 benötigt wird, nicht im Cache 18 gefunden wird, so wird das Datenelement aus dem Hauptspeicher 10 beschafft, bei diesem Vorgang allerdings wird ein gesamter Block, einschließlich zusätzlicher Daten, aus dem Hauptspeicher 10 beschafft und in den Cache 18 geschrieben. Aufgrund des Prinzips der Lokalität in der Zeit und im Speicherraum besteht ein hoher Grad an Wahrscheinlichkeit, daß wenn die Anweisungs- und Speichereinheiten 14, 16 das nächste Mal ein Datenelement verlangen, dieses Datenelement in dem Block gefunden wird, welcher das vorher adressierte Dateneement enthält. Infolgedessen besteht ein hoher Grad an Wahrscheinlichkeit, daß der Cache 18 bereits das Datenelement enthalten wird, das von den Anweisungs- und Ausführungseinheiten 14, 16 verlangt wird. Da auf den Cache 18 mit einer viel höheren Rate als auf den Hauptspeicher 10 zugegriffen werden wird, kann im allgemeinen der Hauptspeicher eine proportional langsamere Zugriffszeit als der Cache 18 haben, ohne daß die durchschnittliche Leistung der Datenverarbeitungsanlage wesentlich verschlechtert wird. Deshalb kann der Hauptspeicher 10 aus langsameren und weniger teueren Speicherkomponenten konstruiert werden.
  • Der Adressenumsetzpuffer 20 ist ein mit hoher Geschwindigkeit betriebener assoziativer Speicher, der die zuletzt benutzten Adreßumwandlungen von virtuellen zu physikalischen Adressen speichert. In einem virtuellen Speichersystem kann ein Verweis auf eine einzige virtuelle Adresse einige Speicherverweise verursachen, bevor die gewünschte Information verfügbar gemacht wird. Wenn jedoch der Adressenumsetzpuffer 20 verwendet wird, wird die Umwandlung darauf reduziert, einfach einen "Treffer" im Adressenumwandlungspuffer 20 zu finden.
  • Die Anweisungseinheit 14 beeinhaltet einen Programmzähler 22, einen Anweisungs-Cache 24, und einen Anweisungspuffer (A-Puffer) 26, um Anweisungen vom Haupt-Cache 18 abzurufen. Vom A-Puffer 26 werden neue Anweisungen an einen Anweisungsdecoder 28 weitergegeben, der sowohl die Opcodes wie auch die Spezifikationselemente decodiert. Eine Operanden- Verarbeitungseinheit (OPU) 30 ruft die spezifizierten Operanden ab und gibt sie an die Ausführungseinheit 16 weiter.
  • Der Programmzähler 22 wird in der Anweisungseinheit 14 geführt, so daß die geeigneten Anweisungen aus dem Cache 18 geholt werden können. Der Programmzähler 22 benützt bevorzugt eher virtuelle Speicherplätze als die physikalischen Speicherplätze des Hauptspeichers 10 und des Cache 18. Deshalb muß die virtuelle Adresse des Programmzählers 22 in die physikalische Adresse des Hauptspeichers 10 umgewandelt werden, bevor die Anweisungen abgerufen werden können. Entsprechend werden die Inhalte des Programmzählers 22 an die Speicherzugriffseinheit 12 übermittelt, wo der Umwandlungspuffer 20 die Adreßumwandlung durchführt. Die Anweisung wird von ihrem physikalischen Speicherplatz im Cache 18 unter Benutzung der umgewandelten Adresse geholt. Der Cache 18 liefert die Anweisung über Daten-Rückgabeleitungen an den Anweisungspuffer 26. Die Organisation und der Betrieb des Cache 18 und des Umwandlungspuffers 20 werden weiter beschrieben in Kapitel 11 von "Levy und Eckhouse, Jr. , Computer Program and Architecture, Die VAX 11, Digital Equipment Corporation, Seiten 351 bis 368 (1980)".
  • Die OPU 30 erzeugt ebenfalls virtuelle Adressen. Insbesondere erzeugt die OPU 30 virtuelle Adressen für Speicher-Quellen-(Lese-) und -Ziei-(Schreib-) Anweisungen. Die OPU 30 liefert diese virtuellen Adressen an die Speicherzugriffseinheit 12, wo sie in physikalische Adressen umgewandelt werden. Auf die physikalischen Speicherplätze des Cache 18 wird dann zugegriffen, um die Operanden für die Speicher-Quellen-Anweisungen abzurufen.
  • Bei jeder Anweisung enthält das erste Byte den Opcode und die folgenden Bytes sind die zu decodierenden Operanden-Spezifikationselemente. Das erste Byte jedes Spezifikationselementes gibt den Adressiermodus für dieses Spezifikationselement an. Dieses Byte ist für gewöhnlich in zwei Hälften aufgespalten, wobei eine Hälte den Adressiermodus und die andere Hälfte das zur Adressierung zu verwendende Register spezifiziert.
  • Der erste Schritt bei der Verarbeitung der Anweisungen ist das Decodieren des Opcode-Anteils der Anweisung. Der erste Anteil jeder Anweisung besteht aus ihrem Opcode, der die Operation, die bei der Anweisung durchgeführt werden soll, spezifiziert. Das Decodieren wird unter Verwendung einer Standard- Tabellensichtungs-Technik im Anweisungsdecoder 28 durchgeführt. Der Anweisungsdekoder 28 findet eine Mikrocode-Startadresse zur Ausführung der Anweisung in einer Sichtungstabelle und gibt die Startadresse an die Ausführungseinheit 16 weiter. Später führt die Anweisungseinheit die spezifizierte Operation durch das Ausführen eines vorgespeicherten Mikrocodes aus, wobei an der angegebenen Startadresse begonnen wird. Auch bestimmt der Decoder, wo Spezifikationseemente für Quelloperand und Zieloperand in der Anweisung auftreten und gibt diese Spezifikationselemente an die OPU 30 zur Vorverarbeitung vor Ausführung der Anweisung weiter.
  • Nach dem Decodieren der Anweisung gibt die OPU 30 die Spezifikationselemente für Operanden weiter und berechnet ihre effektiven Adressen; dieser Vorgang beinhaltet das Wesen von Allzweckregistern (GPRs) und möglicherweise das Modifizieren der GPR-Inhalte durch automatisches Inkrementieren oder Dekrementieren. Die Operanden werden dann von jenen effektiven Adressen abgerufen und an die Ausführungseinheit 16 weitergegeben, die die Anweisung ausführt und das Ergebnis in den Zielort schreibt, der durch den Zielort-Zeiger für diese Anweisung definiert wird. Die OPU 30 liefert auch ein 3-Bit- Kontrollfeld, um anzuzeigen, ob die Anweisung eine Lese- oder Schreiboperation spezifiziert.
  • Jedes Mal, wenn eine Anweisung an die Ausführungseinheit 16 weitergeleitet wird, sendet die Anweisungseinheit 14 eine Mikrocode-Dispatch- Adresse und eine Anzahl von Zeigern für: (1) die Orte im den Ausführungseinheits- Registerspeicher, wo die Quelloperanden aufzufinden sind und (2) den Ort, wo die Ergebnisse gespeichert werden sollen. Innerhalb der Ausführungseinheit 16 beinhaltet eine Anzahl von Warteschlangen 32 eine Gabel-Warteschlange zur Speicherung der Mikrocode-Dispatch-Adresse, eine Quellortzeiger-Warteschlange zur Speicherung der Orte der Quelloperanden und eine Zielortzeiger- Warteschlange zur Speicherung der Zielorte. Jede dieser Warteschlangen besteht aus einem FIFO-Puffer, der in der Lage ist, die Daten für mehrere Anweisungen aufzunehmen.
  • Zur Ausführung der Anweisungen beeinhaltet die Ausführungseinheit 16 als separate funktionale Ausführungseinheiten eine Mikrocode-Ausführungseinheit 36, eine arithmetisch logische Einheit (ALU) 38 und eine Unterbrechungseinheit 40. Das Ausgeben von Anweisungen an diese funktionalen Einheiten wird gesteuert durch eine Anweisungs-Ausgabeeinheit 42. Eine Anweisung wird ausgegeben, wenn die gewünschte funktionale Ausführungseinheit verfügbar ist, und wenn die Quelloperanden gültig sind. Registeroperanden werden für noch auszuführende Schreiboperationen durch Inspektion einer Ergebnisschlange in der Ausführungseinheit geprüft, bevor eine Anweisung ausgegeben wird.
  • Um die Verbindung zwischen der Speicherzugriffseinheit 12, der Anweisungseinheit 14 und der Ausführungseinheit 16 zu ermöglichen, ist ein selbstgetaktetes Speicherregister (STREG) 44 vorgesehen. Dieses STREG 44 kann man sich in angemessener Weise als funktionalen Teil der Ausführungseinheit 16 vorstellen, es sollte jedoch festgehalten werden, daß der STREG 44 auf einem separaten spezifischen integrierten Schaltkreis in ECL- Ausführungsform realisiert ist. Diese physikalische Isolierung des STREG 44 führt zu kritischen Zeitproblemen, die aus der Signalübertragungszeit oder aus Laufzeitverschiebungen des Taktsignals resultieren. Diese Zeitprobleme werden überwunden durch das Erzeugen des tatsächlichen Zeitpulses für das STREG 44 innerhalb des spezifischen ECL-Chips, wodurch die Register selbstgetaktet gemacht werden.
  • Vorzugsweise beinhalten die Register vier Gruppen von 16 Registern, von denen jedes 36 Bits lang ist. In diesem Fall wird eine Kombination zweier gleichartiger integrierter Schaltkreise verwendet, um die vier Gruppen von sechzehn 32-Bit-Registern zu schaffen. Jedes Register ist so konfiguriert, daß es vier Bytes und ein Parity-Bit für jedes Byte enthält. Die vier Gruppen entsprechen jeweils GPRs 46, der Quellenliste 48, vorläufigen Speicherregistern 50 und vorläufigen Ausführungsregistern 52. Diese Register haben Dual-Port-Ausgänge und beinhalten ein Paar Multiplexer 54, 56, deren Eingänge mit jedem der 16 Register in jeder der vier Gruppen von Registern verbunden ist. Die 36-Bit- Multiplexer-Ausgänge sind direkt mit der Ausführungseinheit 16 verbunden. Auswahlleitungen sind zwischen der Ausführungseinheit 16 und den Auswahleingängen der Multiplexer 54, 56 gelegt. Diese Auswahlleitungen liefern ein 6-Bit-Signal, das die Adressierung jedes der 64 individuellen Register erlaubt. Die Eingänge zu jedem der Register 46, 48, 50, 52 sind ebenfalls Dual-Port- Eingänge und akzeptieren sowohl Dateneingänge A als auch B. Es sollte jedoch festgehalten werden, daß während die vier Gruppen von Registern alle in der Dual-Port-Form ausgelegt sind, das STREG 44 Eingänge von drei verschiedenen Quellen erhält und diese Eingänge so umlenkt, daß nicht mehr als zwei Eingänge an irgendeine der vier Gruppen von Registern geliefert werden.
  • Die Quellenliste 48 ist ein Registerspeicher, der Quelloperanden enthält. Damit zeigen Einträge in der Quellortzeiger-Warteschlange der Ausführungseinheit 16 auf die Quellenliste für Speicheroperanden und unmittelbare oder literale Operanden. Sowohl die Speicherzugriffseinheit 12 als auch die Anweisungseinheit 14 schreiben Einträge in die Quellenliste 48, und die Ausführungseinheit 16 liest nach Bedarf Operanden aus der Quellenliste zum Ausführen der Anweisungen.
  • Die GPRs 46 beinhalten 16 Allzweckregister, wie sie durch die VAX- Architektur definiert werden. Diese Register liefern Speicherplatz für Quelloperanden und die Ergebnisse von ausgeführten Anweisungen. Ferner schreibt die Ausführungseinheit 16 Ergebnisse in die GPRs 46, während die Anweisungseinheit 14 die GPRs 46 für automatische Inkrement- und automatische Dekrement-Anweisungen aktualisiert.
  • Die vorläufigen Speicherregister 50 beeinhalten 16 Hochgeschwindigkeitsregister auf die von der Ausführungseinheit 16 und der Speicherzugriffseinheit 12 aus zugegriffen werden kann. Die Speicherzugriffseinheit 12 schreibt Daten, die von der Ausführungseinheit 16 angefordert werden. Ferner kann die Mikrocode-Ausführungseinheit 36 ebenfalls je nach Bedarf während der Ausführung des Mikrocodes Schreiboperationen in die vorläufigen Speicherregister initiieren
  • Die vorläufigen Ausführungsregister beinhalten 16 Hochgeschwindigkeitsregister, auf die nur von der Ausführungseinheit 16 zugegriffen werden kann. Genauer ausgedrückt, die Mikrocode-Ausführungseinheit 36 benützt die vorläufigen Ausführungsregister 52 zur zwischenzeitlichen Speicherung.
  • Die Ausführungseinheit 16 ist mit dem GPR 46, dem vorläufigen Speicherregister 50 und dem vorläufigen Ausführungsregister 52 über einen 36- Bit-Datenbus verbunden. Übertragungsgates 58, 60 und 62 steuern jeweils die Daten, die von dem Ausführungseinheits-Datenbus an die GPRs 46, die vorläufigen Speicherregister 50 und das vorläufige Ausführungsregister 52 über einen 6-Bit-Auswahlbus, der mit den Auswahleingängen der Übertragungsgates 58, 60 und 62 verbunden ist, geliefert werden.
  • Auf ähnliche Weise ist die Anweisungseinheit 14 über Übertragungsgates 64, 66 mit den B-Eingängen des GPR 46 und der Quellenste 48 verbunden. In diesem Fall sind jedoch die Auswahlleitungen der Übertragungsgates 64, 66 voneinander getrennt und werden unabhängig voneinander gesteuert. Der Zweck der unabhängigen Adressierbarkeit besteht darin, die Anzahl von Taktzyklen, die nötig sind, um automatische Inkrement- und automatische Dekrement-Adreßverschiedeanweisungen, welche in die Hardware eingebaut sind, durchzuführen, zu reduzieren.
  • Die Speicherzugriffseinheit 12 verfügt über einen 72-Bit-Datenbus und schreibt daher vorzugsweise in ein Paar von 36-Bit-Registern. Deshalb ist der Bus in einen niedrigwertigen 36-Bit-Anteil und einen hochwertigen 36-Bit-Anteil aufgespalten, um es zu ermöglichen, die Daten an aufeinanderfolgenden Registeradressen zu speichern. Die niedrigwertigen 36 Bits werden entweder über das Übertragungsgate 68 an die Quellenliste 48, oder über das Übertragungsgate 70 an das vorläufige Speicherregister 50 geliefert. Physikalisch werden bei der oben eingeführten bevorzugten Realisierung zwei gleichartige integrierte Schaltkreise verwendet, dabei werden die hochwertigen 18 Bits jedes 32-Bit- Anteils in einem der integrierten Schaltkreise und die entsprechenden niedrigwertigen 18 Bits des 32-Bit-Anteils in dem anderen integrierten Schaltkreis gespeichert.
  • Von der Speicherzugriffseinheit 12 führt auch ein 7-Bit-Auswahlbus zu den Übertragungsgates 68, 70. Das zusätzliche Bit wird dazu verwendet, es der Speicherzugriffseinheit zu ermöglichen, die angel ieferten hochwertigen 36-Bits über das Übertragungsgate 68 in das nächste sequentielle Register entweder der Quellenliste 48 oder über das Übertragungsgate 70 in des vorläufigen Speicherregisters 50 zu schreiben. So werden also die hochwertigen 36 Bits entweder in der Quellenliste 48 oder dem vorläufigen Speicherregister 50 an einer Stelle, die um eins größer ist als die der niedrigwertigen 36 Bits, die im selben Register gespeichert sind, gespeichert. Deshalb greift die Ausführungseinheit 16 wenn sie auf in der Quellenliste und den vorläufigen Speicherregistern 48, 50 gespeicherte Daten zurückgreift, zunächst auf die Daten, die in den niedrigwertigen 36 Bits gespeichert sind, zurück, inkrementiert dann ihren internen Zeiger und greift dann auf die hochwertigen 36 Bits zurück, ohne eine zweite Adresse zu berechnen.
  • Bezugnehmend auf Fig. 2 wird nun ein detailliertes Blockschaltbild eines integrierten Schaltkreises 44, zur Schaffung des selbstgetakteten Registerspeichers (STREG) 44 aus Fig. 1 gezeigt. Wie oben angeführt, wird eine Kombination von zwei integrierten Schaltkreisen 44, verwendet, wobei ihre Adreßleitungen parallel geschaltet sind, um 32-Bit-Datenregister zu schaffen.
  • In dem integrierten Schaltkreis (IC) 44, für das STREG nimmt eine Reihe von Latches 80a bis 80q alle externen Eingangsleitungen auf und speichert im Gleichtakt mit dem System-Taktsignal EWCLK die dort anliegenden Daten. Diese Latches 80a - 80q sind in drei Gruppen (A, B, C) aufgeteilt, die den Ausgängen der Ausführungs-, Anweisungs-, und Speicherzugriffseinheiten 16, 14, 12 entsprechen. Die an den Eingängen der Latches 80a - 80q anliegenden Daten werden in Reaktion auf einen EWCLK-Übergang in seinen unbestätigten Zustand gehalten. Deshalb ist für den STREG-IC 44' das Anlegen stabiler Daten an den Latch- Ausgängen während der Zeit, in der das EWCKL in seinem unbestätigten Zustand bleibt, gesichert. Da der STREG-IC 44' seinen eigenen internen Taktpuls als Funktion des Systemtaktsignals erzeugt, können die Latch-Ausgänge während des internen Taktpulses in angemessener Weise als stabil angenommen werden.
  • In ähnlicher Weise erhalten die Latches 82a - 82b die Leseadressen von der Ausführungseinheit 16 und speichern diese Adressen in Reaktion auf das System-Taktsignal RCLK.
  • Der Adreßbus (AWA) führt von der Ausführungseinheit 16 zu dem Latch 80d, das wiederum seinen Ausgangswert an einen Schreibadreßdecoder 84 liefert. Der Schreibadreßdecoder 84 erzeugt einen 16-Bit-Ausgangswert, welcher an den A-Adreßeingang des GPR-Registers 46', des vorläufigen Ausführungsregisters 52' und des vorläufigen Speicherregisters 50' geliefert wird. Auf diese Art und Weise steuert die von der Ausführungseinheit 16 gelieferte Adresse, auf welches der 16 Register innerhalb der drei Gruppen von Registern 46', 52', 50' zugegriffen wird. Um jedoch auszuwählen, welche der Gruppen von Registern aktiviert ist, werden Schreibfreigabesignale (AWEN1, AWEN3, AWEN4) an die Latches 80c, 80e und 80f geliefert. Diese Latches sind wiederum mit dem A-Freigabeeingang des GPR- Registers 46', des vorläufigen Speicherregisters 50' und des vorläufigen Ausführungsregisters 52' verbunden. Daten (AWD), die in die angezeigte Adresse und das angezeigte Register geschrieben werden sollen, werden von der Ausführungseinheit 16 an das Latch 80a geliefert. Der Ausgang des Latch 80a ist mit dem A-Dateneingang des GPR-Registers 46', des vorläufigen Ausführungsregisters 52' und des vorläufigen Speicherregisters 50' verbunden. Ein bestätigtes Signal an den A-Freigabeeingängen der Register 44' führt dazu, daß die am A-Dateneingang anliegenden Daten in dem am A-Adreßeingang angezeigten Register gespeichert werden.
  • Es sollte festgehalten werden, daß das vorläufige Ausführungsregister 52 in Fig. 1 und das vorläufige Speicherregister 50 in Fig. 1 nur in 36-Bit-Schritten adressierbar sind, während das GPR-Register 46 in Fig. 1 in 9-Bit-Schritten adressiert werden kann. (Man erinnere sich, daß jeder der STREG-ICs 44' aus Fig. 2 eine Hälfte jedes der Register aus Fig. 1 enthält). Der VAX-Befehlssatz erlaubt Schreiboperationen in die Bytes des niedrigwertigen Worts des GPR-Registers 46 aus Fig. 1. Um diese individuelle Byte-Adressierbarkeit zu ermöglichen, erhält das Latch 80b ein Byte-Auswahlsignal (ABS) von der Ausführungseinheit 16. Das ABS wird mit dem AWEN1 kombiniert, um auszuwählen, welches der Bytes beschrieben werden soll. Die Ausgangswerte der Latches 80b, 80c werden an eine Byte- Freigabe-Logikschaltung 86 geliefert. Die Byte-Freigabeschaltung 86 hat zwei Ausgänge, die mit den A-Freigabeingängen des hochwertigen und niedrigwertigen Bytes des GPR-Registers 46' verbunden sind. Die Wahrheitstabelle für die Byte- Freigabeschatung 86 sieht folgendermaßen aus: AWEN1 ABS GPR keines
  • Während einer Byte-Verschiebeanweisung aus dem VAX-Befehlssatz ist ein Zugriff auf die niedrigwertigen 9 Bits jedes Worts in dem GPR-Register 46' notwendig. Diese Anweisung erlaubt, ein Datenbyte aus dem Speicher in das GPR 46 aus Fig. 1 zu verschieben.
  • Ausgangswerte von der Anweisungseinheit 14 werden an die Latches 80g - 80k geliefert. Das Latch 809 erhält das Schreibsignal (BWD) und liefert es an die B-Eingänge des GPR-Registers 46' und an die A-Eingänge des Quellenlisteregisters 48'. Die Latches 80i und 80k erhalten die Adressen (BWA1, BWA2) auf den zwei unabhängig zugreifbaren Adreßbussen der Anweisungseinheit 14 und liefern diese Adressen jeweils an die Schreibadreßdecoder 88a, 88b. Die Schreibadreßdecoder 88a, 88b ähneln in ihrem Aufbau dem Schreibadreßdecoder 84 und arbeiten im wesentlichen identisch wie dieser. Der Ausgangswert des Schreibadreßdecoders 88a wird direkt an den B-Adreßeingang des GPR-Registers 46' geliefert. Die B-Freigabeeingänge des GPR-Registers 46' sind beide mit den Ausgängen des Latches 80h verbunden welches ein Schreibfreigabesignal (BWEN1) von der Anweisungseinheit 14 erhält.
  • In ähnlicher Weise weist der Schreibadreßdecoder 88b einen Ausgang auf, der mit dem A-Adreßeingang der Quellenliste 48 verbunden ist. Der A- Freigabeeingang der Quellenliste 48 ist mit dem Ausgang des Latches 80j verbunden, welches ebenfalls ein Schreibfreigabesignal (BWEN2) von der Anweisungseinheit 14 erhält.
  • Die Latches 801 - 80q erhalten Ausgangswerte von der Speicherzugriffseinheit 12. Da der Speicherzugriffseinheitsbus 72 Bit breit ist, ist es erforderlich, zwei Schreiboperationen in zwei sequentielle Registeradressen durchzuführen, um die gesamten Daten zu speichern. Dementsprechend ist der 72-Bit breite Bus in zwei 36-Bit breite Busse (CWD1, CWD2) aufgespalten und führt zu den Latches 80p, 80q. Die Ausgangswerte der Latches 80p, 80q werden an die B-Eingänge des Quellenlisteregisters 48' und des vorläufigen Speicherregisters 50' geliefert. Das Latch 80m erhält die Schreibadresse (CWA) von der Speicherzugriffseinheit 12 und leitet sie an einen Schreibadreßdecoder 90 weiter. Ein "Schreibzielort 2-Freigabesignal" (CWD2EN) wird von der Speicherzugriffseinheit 12 an das Latch 80n geliefert und auch als Eingangswert an den Schreibadreßdecoder 90 weitergeleitet. Wenn das CWD2EN nicht bestätigt ist, leitet der Schreibadreßdecoder 90 ein Registerfreigabesignal an den B- Adreßeingang des Quellenlisteregisters 48' und des vorläufigen Speicherregisters 50' weiter. Wenn das CWD2EN bestätigt ist, liefert der Schreibadreßdecoder 90 zusätzlich die nächste sequentielle Adresse an die B-Adreßeingänge des Quellenlisteregisters 46' und des vorläufigen Speicherregisters 50'. Dies wird erreicht durch eine physikalische Rotation der Leitungsanordnung an den B- Adreßeingängen des Quellenlisteregisters und des vorläufigen Speicherregisters. So wird zum Beispiel Bit 15 des Schreibadreßdecoders 90 an die Position gedreht, während die verbleibenden 15 Bits um eine Position nach oben geschoben werden.
  • Schreibfreigabesignale (CWEN2, CWEN3) werden von der Speicherzugriffseinheit 12 an die Latches 801 und 800 geliefert. Die Latches 801, 800 sind wiederum jeweils mit den B-Freigabeeingängen des Quellenlisteregisters 48' und des vorläufigen Speicherregisters 52' verbunden. Diese Eingänge steuern ob die Speicherzugriffseinheit 12 Daten in Register in der Quellenliste 48' oder in das vorläufige Speicherregister 50' schreibt. Wenn zum Beispiel das CWEN2 bestätigt ist, wird das Langwort in der Quellenliste 48' gespeichert, wohingegen, wenn das CWEN3 von der Speicherzugriffseinheit 12 bestätigt ist, auf das vorläufige Speicherregister 50 zugegriffen wird.
  • Damit die Ausführungseinheit 16 das STREG 44 lesen kann, werden die A-Datenausgangswerte von jeder der Gruppen von Registern an den Multiplexer 54 geliefert. In ähnlicher Weise werden die B-Datenausgangswerte von jeder der Gruppen von Registern an den Multiplexer 56 geliefert. Dementsprechend werden die Auswahlleitungen des Multiplexers 54 über das Latch 82a durch die A- Leseadreßleitungen (ARA) von der Ausführungseinheit 16 gesteuert. In ähnlicher Weise werden die Auswahlleitungen des Multiplexers 56 über das Latch 82b durch die B-Leseadreßleitungen (BRA) von der Ausführungseinheit 16 gesteuert.
  • So kann also zu einem beliebigen Zeitpunkt die Ausführungseinheit 16 einen der B-Datenausgangswerte aus irgendeiner der Gruppen von Registern und einen der A-Datenausgangswerte aus irgendeiner der Gruppen von Registern lesen, einschließlich der A- und B-Datenausgangswerte desselben Registers. Es kann zum Beispiel dieselbe Adresse an die Auswahlleitungen der beiden Multiplexer 54, 56 geliefert werden, was dazu führt, daß beide Multiplexer 54, 56 dasselbe Register lesen und den gleichen Ausgangswert erzeugen. Darüberhinaus können zwei beliebige Register innerhalb einer der vier Gruppen von Registern gleichzeitig an den Ausgängen der zwei Multiplexer 54, 56 gelesen werden.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird nun ein detailliertes Funktionsdiagramm der Schaltungen für ein einzelnes Bit des selbstgetakteten Registers 44 gezeigt. Es sollte festgehalten werden, daß dies nur ein Funktionsdiagramm ist und zum Zwecke der Erläuterung der Operation eines einzelnen Bits des Registers 44 gezeigt wird. Der vorzugsweise Aufbau der tatsächlichen Schaltungen wird später in Verbindung mit Fig. 6, 7 und 8 weiter beschrieben. In Fig. 3 werden die Latches 80a - 80q zusammen als ein einzelnes Latch 92 dargestellt. Das in Fig. 3 gezeigte tatsächliche Bit ist das Bit Nr.4 von einem der 16 Register in einer der Gruppen von Registern.
  • Man sieht, daß die Adreßleitungen A0 - A3 an dem Ausgang des Latches 92 anliegen und zu einem Paar NOR-Gattern 94, 96 führen. Die NOR- Gatter 94, 96 erhalten ebenfalls jeweils als Eingänge die Schreibfreigabe A und die Schreibfreigabe B sowie einen sechsten Eingang. Dieser sechste Eingang ist der intern erzeugte STREG-Taktpuls (WPULS), der die Schreiboperation der Register 44 steuert. Dementsprechend werden die Ausgänge der NOR-Gatter 94 96 nur bestätigt, wenn alle der Eingänge nicht bestätigt sind. So wird zum Beispiel das NOR-Gatter 94 nur bestätigt, wenn Bit 4 von dem Adreßbus ausgewählt ist, die Schreibfreigabe A-Leitung sich im Niedrigpegelzustand befindet und WPULS sich im Niedrigpegeltaktzustand befindet.
  • Dieses bestätigte Signal, das durch eines der NOR-Gatter 94, 96 geliefert wird, wird durch ein ODER-Gatter 98 an den Takteingang des Latches 100 weitergegeben. Die Ausgänge der NOR-Gatter 94, 96 werden auch jeweils an die Eingänge der UND-Gatter 102, 104 geliefert. Die zweiten Eingangswerte für die UND-Gatter 102, 104 sind jeweils die A- und B-Dateneingangs leitungen. Die A- und B-Dateneingangsleitungen werden über Differenzverstärker 106 und 108 geliefert, um das auf diesen Leitungen vorhandenen Rauschen zu vermindern. Man sieht deshalb, daß die Ausgänge der NOR-Gatter 94, 96 es den UND-Gattern 102, 104 ermöglichen, entweder die Daten auf der A-Dateneingangsleitung oder der B-Dateneingangsleitung an ein ODER-Gatter 110 weiterzuleiten. Das ODER- Gatter 110 wiederum leitet das Datensignal an den Dateneingang des Latches 100 weiter.
  • Der Ausgang des Latches 100 ist mit einem Eingang eines Paares von UND-Gattern 112, 114 verbunden. Der zweite Eingang der UND-Gatter 112, 114 ist mit den jeweiligen A- und B-Leseadreßleitungen (ARA, BRA) der Multiplexer 54 und 56 verbunden. Tatsächlich bilden die UND-Gatter 112, 114 einen Teil der Multiplexer 54 und 56. Es sollte beachtet werden, daß die im Latch 100 vorhandenen Daten in Reaktion auf die jeweilige Bestätigung der ARA und BRA- Leitungen über die UND-Gatter 112, 114 weitergeleitet werden.
  • Unter gleichzeitiger Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 wird nun die Logikschaltung zur Erzeugung des Schreibimpulssignals WPULS gemeinsam mit typischen Signalformen an bestimmten Orten der Logikschaltung erläutert. Das System-Taktsignal EWCLKH und die Inverse des System-Taktsignals EWCLKL werden an die Eingänge des UND-Gatters 116 geliefert. Das invertierte System- Taktsignal EWCLKL wird über einen zusätzlichen Inverter geliefert, so daß das UND-Gatter 116 zur Reduktion des auf diesen Leitungen vorhandenen Rauschens dient. Der Ausgangswert des UND-Gatters 116 wird an eine Verzögerungsschaltung 118 geliefert, die ein zu ihrem Eingangssignal identisches Ausgangssignal WCLK1C erzeugt, das jedoch, wie in Fig. 5 gezeigt, um ein Zeitintervall D1 verzögert ist. Das Zeitintervall Dl beträgt zum Beispiel 0,3 ns, um zu garantieren, daß die Daten, bevor sie in den gewünschten Registerort geschrieben werden, in den Eingangslatches 92 vorliegen und stabil sind. Dieses verzögerte Signal WCLK1C wird über eine Serien von 11 Invertern 120 geliefert, wobei, wie in Fig. 5 gezeigt, ein zweites Verzögerungsintervall D2 erzeugt wird. Dieses zweite Verzögerungsintervall D2 beträgt zum Beispiel ungefähr 1,5 ns. So wird also der Ausgang der 11 Inverter 120 invertiert und verglichen mit ihrem Eingang WCLK1C um das Zeitintervall D2 verzögert. Die zwei Signale WCLKIC und A werden in einem NOR-Gatter 122 kombiniert, so daß eine Signalform erzeugt wird, deren Taktdauer D2 ist und die um ein Zeitintervall D1 gegenüber der aufsteigenden Flanke des System-Taktsignals EWCLKH verzögert ist. Dieses Pulssignal wird über einen abschließenden Inverter 124 weitergeleitet, um letztendlich das Schreibimpuissignal WPULS zu erzeugen. Das Zeitintervall D2 reicht aus, um die Set-up- und Haltezeit-Anforderungen für das Register-Latch 100 zu erfüllen.
  • Es sollte beachtet werden, daß die Latches 80a - 80q nur im bestätigten Zustand des EWCLKH geladen werden und daß die UND-Gatter 102, 104 den Dateneingang nur während des unbestätigten Anteils von WPULS an das Latch 100 weiterleiten. So wird also dadurch, daß das Zeitintervall D1 länger als die Übertragungszeit eines an das STREG 44 gelieferten Signals gewählt wird sichergestellt, daß die Daten und Adressen zu Beginn von WPULS stabil sind. Ebenso wird dadurch, daß das Zeitintervall D2 kürzer als der Rest des System- Taktpulses EWCLKH gewählt wird, sichergestellt, daß die Daten und Adressen über WPULS hinweg stabil bleiben.
  • Bezugnehmend auf Fig. 6 wird nun ein elektrisches Schema einer Realisierung des Funktionsdiagramms von Fig. 3 gezeigt. Man erinnere sich, daß das Funktionsdiagramm von Fig. 3 nur erläuternden Zwecken dient und es keine direkte eins-zu-eins-Entsprechung der darin gezeigten Elemente mit den in Fig. 6 gezeigten Elementen gibt. Es gibt jedoch eine funktionale Äquivalenz zwischen den beiden. So entsprechen zum Beispiel die Elemente innerhalb der gestrichelten Linien, die mit 126 bezeichnet sind, dem UND-Gatter 102 und dem Differenzverstärker 106. Die Transistoren 128 und 130 sind parallelgeschaltet und entsprechend dem Differenzverstärker 106. Die steuernden Eingangssignale an den Basen der Transistoren 128, 130 sind in dem gezeigten Beispiel mit dem vierten Datenbit bzw. dem invertierten vierten Datenbit verbunden. Entsprechend sieht man, daß nur einer der Transistoren 128, 130 zu einer bestimmten Zeit in den EIN-Zustand versetzt ist. Wenn zum Beispiel Datenbit 4 bestätigt ist, so ist der Transistor 128 in den EIN-Zustand versetzt und das invertierte Datenbit 4 versetzt notwendigerweise den Transistor 130 in den AUS-Zustand. Die Kollektoren der Transistoren 128, 130 sind jeweils über Widerstände 132, 134 und den Transistor 136 mit einer Versorgungsspannung VCC verbunden.
  • Ein Transistor 138, der in Serie mit der parallelen Kombination der Transistoren 128, 130 verbunden ist, bildet das UND-Gatter 102. Die Basis des Transistors 138 erhält ihr steuerndes Eingangssignal von dem NOR-Gatter 94. Der Ausgangspegel des NOR-Gatters 94 wechselt zwischen - 2, 1 Volt im nicht bestätigten Zustand und etwa - 1,6 Volt im bestätigten Zustand, wodurch der Transisitor 138 jeweils entweder in den AUS-Zustand oder den EIN-Zustand versetzt wird. Der Emitter des Transistors 138 ist mit einer Stromquelle 140 verbunden. Die Stromquelle 140 beinhaltet einen Transistor 142, der in Serie mit einem Widerstand 144 verbunden ist. Die Basis des Transistors 142 ist mit einer Steuerspannung VREG verbunden, so daß der Stromregler 140 den Konstantstrom durch den Widerstand 144 aufrecht erhält.
  • Das UND-Gatter 104 und der Differenzverstärker 108 sind durch die innerhalb der gestrichelten Linie 146 gezeigten Elemente dargestellt. Die Verbindung der Elemente innerhalb der gestrichelten Linie 146 ist im wesentlichen ähnlich der innerhalb der gestrichelten Linie 126. Ein Paar von Transistoren 148 150 ist parallelgeschaltet und erhält seine steuernden Eingangssignale von dem vierten Dateneingang, der mit dem Dateneingang B-Bus verbunden ist. Die Kollektoren der Transistoren 148 und 150 sind jeweils mit den Kollektoren der Transistoren 128, 130 verbunden. Die Emitter der Transistoren 148, 150 sind miteinander und über einen Transistor 152 mit der Stromquelle 140 verbunden. Der Transistor 152 erhält an seiner Basis ein steuerndes Eingangssignal von dem NOR-Gatter 96. Das NOR-Gatter 96 hat ebenfalls einen Ausgangspegel, der zwischen -1,6 Volt im nichtbestätigten Zustand und -2, 1 Volt im bestätigten Zustand wechselt.
  • Das Latch 100 entspricht den innerhalb der gestrichelten Linie 154 enthaltenen Elementen. Ein Paar von Transistoren 156, 158 ist parallel geschaltet wobei ihre Emitter miteinander verbunden und über einen Transistor 160 mit dem Stromregler 140 verknüpft sind. Der Transisitor 160 erhält an seiner Basis ein steuerndes Eingangssignal, das auf einer konstanten Spannung VR gehalten wird. Die regulierte Spannung beträgt ungefähr -1,85 Volt und entspricht ungefähr dem mittleren Pegel der Spannungsausschläge der Eingänge der Transistoren 138 152. Eine Rückkopplung ist durch die Kollektoren der Transistoren 156, 158, die jeweils mit den Kollektoren der Transistoren 128, 148; 130, 150 verbunden sind realisiert, wobei die steuernden Eingänge an den Basen der Transistoren 156, 158 mit den jeweils gegenüberliegenden Kollektoren der Transistoren 130, 150; 128, 148 verbunden sind. Diese Rückkopplung ermöglicht die Latch-Funktion.
  • Die Schreiboperation des Latch 100 kann nun beschrieben werden. Wenn das Latch 100 nicht beschrieben wird, sind die X- und Y-Eingänge an den Transistoren 138 und 152 beide im unbestätigten Zustand. Infolgedessen ist Transistor 160 durch die regulierte Vorspannung VR in den EIN-Zustand versetzt. Der Strom fließt von der Spannungsquelle VCC durch den Transistor 136 und einen der parallelen Zweige von Widerstand 134 und Transistor 158 oder Widerstand 132 und Transistor 156 und dann durch den Transistor 160 und die Stromquelle 140. Welcher der parallelen Strompfade genommen wird, wird durch den vorhergehenden Zustand der UND-Gatter 126, 146 bestimmt. Nehmen wir zum Beispiel an, daß das vorher in das Latch 100 geschriebene Bit das vierte Datenbit aus dem Dateneingang A war und zu diesem Zeitpunkt im bestätigten Zustand war. Als die Schreiboperation durchgeführt wurde, wurde deshalb der X-Eingang des Transistors 138 auf dem Pegel von -1,6 Volt bestätigt, wodurch der Transistor 138 in den EIN-Zustand und der Transistor 160 in den AUS-Zustand versetzt wurden. In ähnlicher Weise versetzte der A&sub4;-Eingang des Transistors 128 auch diesen Transistor in den EIN-Zustand. Der invertierte Eingang des Transistors 130 versetzte diesen notwendigerweise in den AUS-Zustand. Deshalb floß der Strom von der Spannungsquelle VCC durch den Transistor 136, den Widerstand 132, den Transistor 128, den Transistor 138 und zu der Stromquelle 140. Entsprechend war die an der Basis des Transistors 156 anliegende Spannung im Hoch pegelzustand, wodurch der Transistor 156 in den EIN-Zustand versetzt wurde. Im Gegensatz dazu war die an der Basis des Transistors 158 anliegende Spannung im Niedrigpegelzustand, wodurch der Transistor 158 in den AUS-Zustand versetzt wurde. Am Ende des Schreibimpulssignals WPULS kehrt das Signal X in seinen nicht bestätigten Zustand zurück, wodurch der Transistor 138 in den AUS-Zustand und der Transistor 160 in den EIN-Zustand versetzt wird und die Latch-Funktion ausgelöst wird. Man sieht, daß der Strompfad nun die Spannungsquelle VCC den Transistor 136, den Widerstand 132, den Transistor 156, den Transistor 160 und die Stromquelle 140 einschließt. Der Kollektor des Transistors 156 ist in nicht bestätigtem Zustand und der Kollektor des Transistors 158 ist in bestätigtem Zustand. So wird also der Wert des vierten Datenbits aus dem A-Datenbus in dem Latch 100 in invertiertem Zustand gespeichert und wird auf diese Weise so lange gespeichert wie die Spannungsquelle VCC nicht unterbrochen wird oder eine nachfolgende Schreiboperation auftritt.
  • Es sollte festgehalten werden, daß die Funktion des ODER-Gatters 110 durch das Verbinden der Emitter der Transistoren 138, 152 und 160 erreicht wird. In ähnlicher Weise verwendet das ODER-Gatter 98 die gleiche Art von Verbindung. Der Spannungspegel der X- und Y-Eingangssignale reicht aus, um den Transistor 160 in den AUS-Zustand zu versetzen, wobei er als Takt- Eingangssignal wirkt, um eine Änderung der Zustände der Transistoren 156 und 158 zu ermöglichen.
  • Wir betrachten nun den Betrieb des Latches 100, wenn das vierte Datenbit aus dem Dateneingang B geschrieben werden soll und sein Wert nicht bestätigt ist. Dann muß also der Zustand des Latches 100 umgekehrt werden. Der invertierte Wert von B&sub4; ist der Pegelzustand "hoch" und der Transistor 150 wird in den EIN-Zustand versetzt. Gleichzeitig mit dem Wechsel des Schreibpulses WPULS in den Niedrigpegelzustand wird das Signal Y, das an den Transistor 152 geliefert wird, bestätigt und der Transistor 152 wird in den EIN-Zustand versetzt. So wird also der Kollektor des Transistors 150, der sich vorher im bestätigten Zustand befand, nun durch den Strompfad von der Systemspannung VCC über den Transistor 136, den Widerstand 134, den Transistor 150, den Transistor 152 und den Stromregler 140 in den Niedrigpegelzustand gezogen. Gleichzeitig wird auch der Transistor 160 durch das bestätigte Y-Signal in den AUS-Zustand versetzt. Entsprechend wird nun das Signal an dem Kollektor des Transistors 156, das sich vorher im Niedrigpegelzustand befand, bestätigt. Dieses Signal versetzt den Transistor 158 in den EIN-Zustand, so daß am Ende des Schreibimpulssignals WPULS der Transistor 152 in den AUS-Zustand versetzt wird, dadurch der geregelten Spannung VR erlaubt, den Transistor 160 in den EIN-Zustand zu versetzen und einen Strompfad von der Systemspannung VCC über den Transistor 136, den Widerstand 134, den Transistor 158, den Transistor 160 und den Stromregler 140 erzeugt. Die Spannungspegel an den Kollektoren der Transistoren 156 und 158 wurden in geeigneter Weise umgekehrt und verbleiben in diesem Zustand bis die Systemspannung VCC unterbrochen wird oder die Daten bits A&sub4;, B&sub4; bestätigt werden und in das Latch 100 geschrieben werden.
  • Der selbstgetaktete Registerspeicher 44 ist ein dual-read Speicher, was bedeutet, daß zwei Leseoperationen gleichzeitig möglich sind. Es ist für die beiden Leseoperationen sogar möglich, auf dasselbe Register zuzugreifen. Die UND- Gatter 112, 114 aus Fig. 3 entsprechen jeweils den Multiplexern aus Fig. 1 und 2 und sind in Fig. 6 als die jeweiligen Elemente innerhalb der gestrichelten Linien 162, 170 dargestellt. Das UND-Gatter 162 beinhaltet ein Paar von parallel geschalteten Transistoren 164, 166, deren Emitter miteinander über einen Transistor 168 verbunden sind. Der Kollektor des Transistors 164 ist mit der Systemspannung VCC verbunden, während der Kollektor des Transistors 166 das Ausgangssignal liefert und über einen gemeinsamen Endwiderstand, wie in Zusammenhang mit Fig. 7 gezeigt und diskutiert, verbunden. Die an den Basen der Transistoren 164, 166 anliegenden Steuerspannungen sind jeweils mit den Kollektoren der Transistoren 158, 156 des Latches 100 verbunden. So erzeugt also der im Latch 100 gespeicherte Wert eine komplementäre Vorspannung an den Transistoren 164, 166, wobei, wenn der Transistor 168 in den EIN-Zustand versetzt ist, der Strom entweder durch den Transistor 164 oder den Transistor 166 fließt. Ist der im Latch 100 gespeicherte invertierte Wert gleich 0, so befindet sich der Transistor 166 im AUS-Zustand und der Endwiderstand liefert ein bestätigtes Signal an den Ausgang des UND-Gatters 112. Das UND-Gatter liefert also nicht nur die Daten, die in dem Latch gespeichert werden, sondern es invertiert auch die gespeicherten Daten, so daß sie den ursprünglichen Eingangsdaten entsprechen. Wenn im Gegensatz dazu der im Latch 100 gespeicherte Wert gleich 1 ist, so befindet sich der Transistor 166 im EIN-Zustand und ermöglicht einen Strompfad durch den Endwiderstand, den Transistor 166 und den Transistor 168 zur Erde hin. Das Ausgangssignal wird dann in einen unbestätigten Niedrigpegelzustand gezogen.
  • Das UND-Gatter 114 ist in seiner Struktur identisch mit den UND-Gatter 112, das innerhalb der gestrichelten Linie 170 gezeigt ist. Das UND-Gatter 114 beinhaltet ein Paar von parallel geschalteten Transistoren 172, 174, deren Emitter miteinander über einen Transistor 176 verbunden sind. Die Kollektoren der Transistoren 172, 174 sind jeweils mit der Systemspannung VCC und einer Ausgangsleitung wie dem UND-Gatter 112 verbunden. Die Transistoren 172, 174 erhalten an ihren jeweiligen Basen von den Kollektoren der Transistoren 158, 156 Eingangssignale. Der einzige Unterschied zwischen den UND-Gattern 112, 114 besteht in dem Freigabesignal, das an den Basen der Freigabetransistoren 168, 176 anliegt. Der Transistor 168 erhält sein Freigabesignal von der A-Leseadresse die in dem Latch 82A enthalten ist und von der Ausführungseinheit 16 geliefert wird, während das UND-Gatter 114 sein Freigabesignal von der B-Leseadresse erhält, die in dem Latch 82B enthalten ist und von der Ausführungseinheit 16 geliefert wird.
  • Es sollte festgehalten werden, daß es möglich ist, zwei Register gleichzeitig zu lesen. Die Multiplexer 54, 56 liefern die Daten separat. Deshalb wird zu einem bestimmten Zeitpunkt nur eines der sechzehn Register irgendeiner Gruppe durch die A-Leseadresse gelesen. Das gilt ebenfalls für die B- Leseadresse. Deshalb ist es vorteilhaft für das System, einen einzigen Endwiderstand und eine einzige Stromquelle für alle gemeinsamen Bits innerhalb einer Gruppe von sechzehn Registern vorzusehen. So ist zum Beispiel das in Fig. 6 dargestellte vierte Datenbit zusammen mit den fünfzehn restlichen vierten Datenausgängen der anderen fünfzehn Register dieser Gruppe mit demselben Endwiderstand und derselben Stromquelle verbunden. Dies gilt sowohl für die B- als auch die A-Leseadressen. Alle gemeinsamen Datenbits haben einen gemeinsamen Endwiderstand.
  • Bezugnehmend auf Fig. 7 werden nun die gemeinsamen Endwiderstände und Stromquellen erläutert. Ein Endwiderstand 17B ist an seinem einen Ende mit der Systemspannung VCC und an seinem anderen Ende mit den Kollektoren der Transistoren 166 und 180 verbunden. Die Basis des Transistors 180 ist mit der regulierten Spannung VR verbunden, welche einen Wert von ungefähr -1,85 Volt hat. Der Emitter der Transistors 180 ist mit dem Emitter des Transistors 168 und der gemeinamen Stromquelle 182 verbunden. Die Stromquelle 182 beinhaltet einen Transistor 184, dessen Basis durch eine regulierte Spannung VREG gesteuert wird und dessen Emitter über einen Widerstand 186 mit VEE1 verbunden ist.
  • Der Betrieb des Endwiderstands 178 und der Stromquelle 182 können nun beschrieben werden. Wenn der im Latch 100 gespeicherte Wert gleich Null ist, so befindet sich der Transistor 166 im AUS-Zustand, während der Transistor 164 sich im EIN-Zustand befindet. Das A-Leseadressesignal versetzt den Transistor 168 in den EIN-Zustand, und führt damit dazu, daß der Strom von der Systemspannung VCC über die Transistoren 164, 168 und in die Stromquelle 182 fließt. Deshalb werden der Endwiderstand 178 und der Transistor 180 effektiv umgangen. Da kein Strom in den Widerstand 178 fließt, gibt es keinen Spannungsabfall an dem Endwiderstand 178 und die Ausgangsspannung an OUT 1 muß gleich der Systemspannung VCC sein. Wenn im Gegensatz dazu der im Latch 100 gespeicherte Wert gleich list, so befindet sich der Transistor 166 im EIN-Zustand und der Transistor 164 befindet sich im AUS-Zustand. Deshalb wird, wenn das A-Leseadressesignal bestätigt wird, ein Strompfad von VCC über den Endwiderstand 178, den Transistor 166, den Transistor 168 und die Spannungsquelle 182 gebildet. Damit ist der Spannungspegel an OUT 1 der Niedrigpegelzustand.
  • Der Endwiderstand und die Stromquelle, die mit dem UND-Gatter 114 in Verbindung stehen, sind praktisch identisch mit den vorhergehend diskutierten und beinhalten einen Endwiderstand 188, der mit einem Transistor 190, der durch die regulierte Spannung VR gesteuert wird, und einer Stromquelle 192 verbunden ist. Die Stromquelle 192 beinhaltet den Transistor 194, der in Serie mit einem Widerstand 196 verbunden ist und an seiner Basis durch die regulierte Spannung VREG gesteuert wird. Der Verbindungspunkt zwischen dem Endwiderstand 188 und dem Transistor 190 ist ebenfalls mit dem Kollektor des Transistors 174 verbunden während der Verbindungspunkt des Transistors 190 mit der Stromquelle 192 noch mit dem Emitter des Transistors 176 verbunden ist.
  • Aufgrund der Ausschließlichkeit des Betriebs jedes Registers innerhalb der Gruppen von Registern kann eine wirtschaftliche Verwendung von Bauteilen durch die Verwendung eines einzigen Endwiderstands und einer einzigen Stromquelle für jeden der Multiplexer 54, 56 realisiert werden. Bezugnehmend auf Fig. 8 wird nun ein Funktionsdiagramm der Beziehung zwischen den gemeinamen Endwiderständen, Stromquellen und Registern erläutert. Nur zu exemplarischen Zwecken sind die sechzehn 18-Bit-Register des vorläufigen Speicherregisters 50' dargestellt. Es sollte beachtet werden, daß die Verbindung der drei verbleibenden Gruppen von Registern im wesentlichen identisch sind und hier nicht gezeigt werden, um eine unnötige Wiederholung zu vermeiden. Damit sind also achtzehn Endwiderstände 178a - 178L jeweils mit den gemeinsamen Datenbits 0 - 17 verbunden. In ähnlicher Weise sind auch achtzehn Stromquellen 182a - 182L jeweils mit den gemeinsamen Datenbits 0 - 17 verbunden. Damit ist einzusehen, daß, wenn irgendwelche der gemeinsamen Datenbits in den sechzehn Registern gelesen werden, der Strom durch den entsprechenden Endwiderstand 178a - 178L und die entsprechende Stromquelle 182a - 182L fließt.

Claims (4)

1. Registerspeicher (44), der aus emittergekoppelten Logikschaltungen zusammengesetzt ist, wobei der Registerspeicher eine Vielzahl von Speicherregistern (46; 48; 50; 52) mit jeweils einer Vielzahl von Bitspeicherzellen aufweist, wobei jede Bitspeicherzelle einen Datenausgang aufweist; und er einen Ausgangs-Multiplexer (54; 56) aufweist, der mit den Datenausgängen der Bitspeicherzellen verbunden ist, um die Datenausgänge von Bitspeicherzellen in einem ausgewählten Register wahlweise mit einem Datenausgangs-Port zu verbinden; dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsmultiplexer für jede Bitspeicherzelle ein emittergekoppeltes Ausgangsgate (162; 170) mit einem mit dem Datenausgang der Bitspeicherzelle verbundenen Eingang, einer Datenausgangs-Verbindung und einer Stromsenke-Verbindung aufweist, wobei der Ausgangsmultiplexer weiterhin für jede Bitposition einen gemeinsamen Endwiderstand (178), der mit den Datenausgangs-Verbindungen der emittergekoppelten Ausgangsgates der Bitspeicherzellen für jede Bitposition verbunden ist, sowie eine gemeinsame Stromsenke-Verbindung aufweist, die mit den Stromsenke-Verbindungen der emittergekoppelten Ausgangsgates der Bitspeicherzellen für jede Bitposition verbunden ist.
2. Registerspeicher nach Anspruch 1, bei dem jedes emittergekoppelte Gate ein Paar erster und zweiter emittergekoppelter Transistoren (164/166; 172/174) aufweist, wobei der eine einen Kollektoranschluß, der die Ausgangsverbindung für jedes emittergekoppelte Gate ermöglicht, und der andere eine Basis aufweist, die mit dem Datenausgang ihrer entsprechenden Bitspeicherzelle verbunden ist; und es einen dritten Transistor mit einem Kollektor, der mit den Emittern der ersten und zweiten emittergekoppelten Transistoren verbunden ist, sowie einen Emitteranschluß aufweist, der die Stromsenke- Verbindung ermöglicht.
3. Registerspeicher nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Registerspeicher weiterhin eine selbstgetaktete Einrichtung aufweist, um Daten in ein ausgewähltes Register zu schreiben.
4. Registerspeicher nach Anspruch 3, bei dem die selbstgetaktete Einrichtung folgendes aufweist:
einen Satz von Latches (80), die auf ein Taktsignal (EWCLK) ansprechen, wobei die Latches einen Addressenlatch (80d) zum vorübergehenden Speichern einer Registeradresse sowie einen Datenlatch (80a) zum vorübergehenden Speichern von Daten aufweisen, die während einer Schreiboperation in ein adressiertes Register geschrieben werden sollen, wobei der Datenlatch einen mit jedem Register verbundenen Ausgang aufweist;
einen mit dem Adressenlatch und den Registern verbundenen Adressen-Decoder (84) zum Adressieren des adressierten Registers; und einen auf das Taktsignal ansprechenden Schreibimpuls-Generator (86) zum Erzeugen eines Schreibimpulses, der das adressierte Register freigibt, um vom Datenlatch stabile Daten zu empfangen.
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