DE969197C - Steuervorrichtung fuer programmgesteuerte Rechenmaschinen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 8. MAI 1958

M 19495IX /42 m

Göttingen

Bei programmgesteuerten Rechenmaschinen besteht das Programm zur Durchführung einer Rechnung immer aus einer Vielzahl von Befehlen, die nacheinander von der Maschine ausgeführt werden müssen. Jeder Befehl enthält einerseits die Angabe einer von der Maschine auszuführenden Operation und andererseits die Bezeichnung einer Speicherzelle, eines Rechenwerkes oder eines sonstigen Teiles der Maschine, dessen Inhalt für die- angegebene Operation in Beteacht kommt. Sämtliche das Programm bildenden Befehle müssen in der Maschine gespeichert werden, damit sie während des Arbeitens der Maschine schnell nacheinander zur Verfügung stehen.

Da die Speichermöglichkeiten für Befehle begrenzt sind, ist es notwendig, jedes Programm so zu gestalten, daß im Laufe der Rechnung Teile des Programms, die eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Befehlen enthalten, gegebenenfalls unter schwacher Abänderung der die Speicherinhalte betreffenden Teile der Befehle, zu wiederholten Malen verwendet werden. Zwischen den einzelnen Wiederholungen der Programmteile werden dann die für den weiteren Verlauf der Rechnung notwendigen Abänderungen getroffen, so daß die Rechnung mit jeder Wiederholung Schritt für Schritt fortschreitet. Die zwischen solchen Rechenschritten durchzuführenden Abänderungen können entweder durch eine Abänderung der z. B. die Speicherzellen oder Rechenwerke angebenden Befehlsteile oder aber durch eine Verschiebung der Inhalte von Speicherzellen in andere,

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vorzugsweise benachbarte Speicherzellen erreicht werden.

Bei einer gewöhnlichen Differentialgleichung ergibt sich nach dem Gesetz der Differentialgleichung eine Beziehung, die es z. B. gestattet, aus drei bereits errechneten Lösungspunkten die Lösung der Differentialgleichung für einen vierten Punkt zu errechnen. Sollen nach diesem Prinzip weitere Lösungen der Gleichung auf einer programmgesteuerten Rechenmaschine errechnet werden, so werden die drei bereits bekannten Lösungen in drei benachbarten Speicherzellen untergebracht. Aus diesen drei Werten wird von der Maschine der vierte Lösungswert errechnet und in die nächste Speicherzelle übertragen. Sodann muß die Maschine mit zwei von den Ausgangswerten und dem neu errechneten Wert einen weiteren Lösungswert errechnen. Hierbei sind genau die gleichen Rechenoperationen wie vorher durchzuführen, jedoch

ao müssen statt der drei ursprünglich benutzten Werte jetzt die erwähnten anderen Zahlen berücksichtigt werden. Nach Errechnung auch dieses neuen Wertes müssen wiederum die gleichen Rechenoperationen durchgeführt werden, wobei jedoch nur noch ein Ausgangswert und die beiden neu errechneten Werte einzusetzen sind usf. Der jeweils neu errechnete Wert wird immer in der nächstfolgenden Speicherzelle untergebracht. Es ergibt sich daher, daß bei den mit den gleichen Befehlen durchzuführenden Rechenschritten jeweils Speicherzellen aufgerufen werden müssen, die für jeden Rechenschritt eine um eine Einheit höhere Zellennummer haben als die im vorhergegangenen Schritt der Rechnung aufgerufenen Speicherzellen.

Bei bekannten programmgesteuerten Rechenmaschinen hat man, um das Aufrufen der richtigen Speicherzellen bei jedem Schritt zu erreichen, bereits zwischen den einzelnen Abschnitten der Rechnung ein Schrittregister um jeweils eine Einheit weitergeschaltet und bei der Übernahme derjenigen Befehle, deren Speicherzellennummern geändert werden müssen, in das Befehlsgerät der Maschine jeweils den Inhalt des Schrittregisters zu der Zellennummer des aufzurufenden Speichers hinzugefügt, so daß von dem Befehlsgerät während des ganzen Schrittes bzw. Abschnittes der Rechnung die richtigen Speicherzellen aufgerufen werden. Diese Art der Maschinensteuerung hat aber noch den Nachteil, daß die Zellennummern der aufgerufenen Speicher mit jedem Abschnitt der Rechnung höher werden, so daß bei einer Rechnung mit sehr vielen Rechenschritten schon bald die höchste Zellennummer der verfügbaren Speicher erreicht wird und damit der Weiterführung der Rechnung eine Grenze gesetzt ist.

Hier setzt nun die Erfindung ein. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, die Steuerung der Maschine so abzuändern, daß die Weiterschaltung der Zellennummern nur bis zu einer von der Anzahl der für einen Rechenschritt erforderlichen Speicherzellen abhängigen Grenze durchgeführt wird und dann als nächste bei der Weiterschaltung erfaßte Speicherzellen die infolge der Weiterschaltung sonst nicht mehr benutzten Speicherzellen wieder benutzt werden.

Es ist bereits eine elektronische Rechenmaschine bekannt, bei der für das Anrufen einer bestimmten Anzahl von Speicherzellen Drehwähler vorgesehen sind, durch die bei der Weiterschaltung selbsttätig die vorher bereits benutzten und dann freigewordenen Speicher wieder aufgerufen werden. Durch die Drehwähler ist bei der kekannten Maschine nur eine bestimmte, nicht veränderbare Anzahl von Speichern für das Aufrufen durch schrittweise Weiterschaltung verfügbar. Demgegenüber kommt es bei der Erfindung darauf an, je nach der Anzahl der für einen Rechenschritt erforderlichen Speicherzellen eine gleich große oder nur wenig größere Anzahl von Speichern für die Rechnung zur Verfügung zu stellen und dabei die Weiterschaltung innerhalb der so begrenzten Anzahl von Speicherzellen so durchzuführen, daß das Aufrufen der Speicherzellen in einem in sich geschlossenen Zyklus erfolgt. g₅

Gegenstand der Erfindung ist daher eine Steuervorrichtung für programmgesteuerte Rechenmaschinen, bei denen jeweils nach einer Serie von Rechenoperationen mittels eines Schrittregisters in Befehlen enthaltene Zellennummern von Speicherzellen um eine oder mehrere Einheiten verändert werden. Gemäß der Erfindung wird eine zyklische Vertauschung der Speicherzellennummern dadurch erreicht, daß bei der Veränderung durch Addition des Schrittregisterinhalts zu den Zellennummern die Ziffern dieser" Zellennummern über einer gewählten Ziffernposition unverändert gehalten werden. Dabei können die Ziffern der Zellennummern über einer gewählten Ziffernposition vorteilhaft dadurch unverändert gehalten werden, daß nur die bis zur gewählten Position liegenden Ziffern des Schrittregisters addiert werden und ein dabei eventuell entstehender Übertrag in die nächsthöhere Position in bekannter Weise unterdrückt wird. Bei Maschinen, bei denen Additionen, stellenwertweise mit der niedrigsten Stelle beginnend, vorgenommen werden, wird die Erfindung vorteilhaft in der Weise durchgeführt, daß dieAddenden bis zu der gewählten Position über ein Addierwerk und die höheren Stellen der Zellennummern unmittelbar dem Befehlswerk zugeführt werden. Dadurch, daß beim Übergang von der gewählten Ziffernposition zur nächsthöheren Stelle eine Umschaltung erfolgt, durch die das Addierwerk von dem Befehlswerk getrennt wird, unterbleibt in diesem Falle die Übertragung eines bei der Addition eventuell entstehenden Übertrages.

Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, näher erläutert. lao·

Fig. ι zeigt das Schema eines bei einer mit einer Steuervorrichtung nach der Erfindung ausgerüsteten Rechenmaschine benutzten Befehls;

Fig. 2 gibt das Schaltbild einer Steuervorrichtung nach der Erfindung wieder, bei der die Wahl der Ziffernposition, über der die Zellennummern

unverändert bleiben sollen, durch einen Handschalter vorgenommen wird;

Fig. 3 zeigt eine Änderung zu Fig. 2, durch die es möglich wird, die Wahl der Ziffernposition vom Befehlswerk der Maschine aus zu steuern.

Bei einer Rechenmaschine, die mit einer Steuervorrichtung nach der Erfindung ausgerüstet ist, können die Befehle aus drei Teilen bestehen, die vorzugsweise zeitlich nacheinander abgelesen werden. Wenn für jeden Befehl beispielsweise achtzehn Impulsstellen vorgesehen sind, so ist die zuerst abgelesene Impulsstelle »i«dazu bestimmt, anzugeben, ob die in dem Befehl enthaltene Speicherzellennummer eine Änderung erfahren soll oder nicht.

Ein Impuls an dieser Stelle, der sogenannte Schrittimpuls, bestimmt, daß die Speicherzellennummer geändert werden soll. Von den weiteren Impulsstellen sind beispielsweise fünf Stellen vorgesehen, um die von der gesteuerten Rechen-

ao maschine auszuführende Operation anzugeben. Bei dem Schema nach Fig. ι sind die Impulsstellen »2« bis »6« hierfür bestimmt. Die weiteren Impulsstellen »7« bis »i8« dienen dazu, die Zellennummer des aufzurufenden Speichers in Form einer zwölfstelligen Dualzahl anzugeben.

Die einzelnen Befehle werden in bekannter Weise aus dem Befehlsspeicher der Maschine in das Befehlsgerät der Maschine übertragen. Während aber bei vorbekannten Maschinen bei dieser Übertragung ein Addierwerk zwischengeschaltet ist, das die im Schrittregister enthaltene Zahl zu der Zellennummer des Befehls hinzuzählt, erfolgt die Übertragung bei der Steuervorrichtung nach der Erfindung über die in Fig. 2 dargestellte Steuervorrichtung, bei der zwar auch ein den Inhalt des Schrittregisters übernehmendes Addierwerk vorhanden ist, die aber noch weitere Einzelteile enthält, durch die erreicht wird, daß die .Zellennummer über einer gewählten Ziffernposition unverändert bleibt.

In Fig. 2 ist das Addierwerk mit ADD bezeichnet. Über eine Leitung α übernimmt das Addierwerk ADD die vom Schrittregister kommenden Impulse des Schrittregisterinhalts. Über Leitungen b und c wird die Impulsfolge der Befehle vom Ausgang des Leseverstärkers, der die Befehle aus dem Speicher abliest, dem Addierwerk ADD zugeführt. Eine Leitung d führt zum Befehlsgerät. Diese Leitung ist nicht unmittelbar mit dem Ausgang des Addierwerks ADD verbunden, sondern erhält Impulse vom Ausgang des Addierwerks ADD über einen Röhrenschalter (gate) G 2. Dieser Schalter wird durch ein elektronisches Schaltelement FFO gesteuert, das aus einer Doppel triode besteht, bei der über einen Spannungsteiler jeweils eine Anode in derartiger Weise mit dem Gitter der anderen Röhrenhälfte verbunden ist, daß bei Stromdurchgang durch die eine Hälfte der Doppeltriode die andere Hälfte der Röhre gesperrt ist, und umgekehrt. In dieser Schaltung betriebene Doppeltrioden sind unter der Bezeichnung Flip-Flop in der Literatur bekannt; sie werden auch vielfach elektrische Wippen genannt.

Parallel zu dem Addierwerk ADD, dessen Ausgang durch den Röhrenschalter G 2 überwacht wird, ist ein Verzögerungsglied Vz geschaltet, dessen Ausgang durch einen Röhrenschalter G1 überwacht wird, der gleichfalls von der Doppeltriode FF O gesteuert ist. Das Verzögerungsglied Vz dient dazu, den über den Schalter G1 geleiteten Impulsen eine gleiche Verzögerung zu erteilen, wie sie die durch das Addierwerk und den Schalter G 2 hindurchgehenden Impulse erfahren. Die Steuerung der beiden Röhrenschalter G1 und G 2 erfolgt so, daß jeweils der eine Schalter geöffnet und der andere geschlossen ist. Die Doppeltriode FF O hält dabei normalerweise den Schalter G 2 geschlossen. Die entsprechende Einstellung der Doppel triode FFO erfolgt dabei über einen durch die Leitung e zugeführten Impuls. Die Leitung e ist mit einem als Kurbelschalter / dargestellten Handschalter verbunden, durch den die Leitung e auf eine von zwölf Leitungen g geschaltet werden kann. Diese Leitungen stehen mit einem nicht dargestellten Impulsgeber der Maschine so in Verbindung, daß sie nacheinander Impulse mit den Zeitwerten »7V2« bis »18V2« erhalten.

Durch entsprechende Einstellung des Handschalters / kann gewählt werden, welcher von den zur Verfügung stehenden Impulsen dazu benutzt werden soll, die Doppeltriode FF O wieder zurückzusetzen, falls sie vorher aus ihrer normalen Ruhelage in die andere Ruhelage umgeschaltet worden war. Eine solche Umschaltung, das sogenannte Setzen, der Doppeltriode FF O kann durch einen über eine Leitung h zugeleiteten Impuls bewirkt werden. Die Leitung h steht über einen Röhrenschalter G 3 mit der Leitung & in Verbindung. Der Schalter G3 kann durch einen über eine Leitung! seinem Gitter zugeführten Impuls für die Dauer des Impulses geöffnet werden und ist normalerweise gesperrt. Der Leitung i wird bei der dargestellten Vorrichtung jeweils ein Impuls zum Zeitpunkt »1« zugeführt, so daß der Schalter G 3 jeweils zum Zeitpunkt »1« geöffnet ist.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Steuervorrichtung ist folgende: Beim Ablesen des Befehls wird zuerst der Schrittimpuls des Befehls über die Leitung b auf die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung übertragen. Ist ein Schrittimpuls in dem Befehl nicht enthalten, so bleibt der Schalter Gi geöffnet und der Schalter G 2 geschlossen. Infolgedessen gelangen alle Impulse des Befehls von der Leitung b aus über die Verzögerungsvorrichtung Vz und den Schalter G1 auf die Leitung d und somit zum Befehlsgerät der Maschine. Die Zellennummer des Befehls wird also überhaupt nicht verändert.

Enthält der Befehl jedoch einen Schrittimpuls, so wird durch diesen Impuls, der von dem Schalter iao G 3, da er im Zeitpunkt »1« auftritt, durchgelassen wird, die Doppel triode FFO gesetzt, so daß der Schalter Gi gesperrt und der Schalter G 2 geöffnet wird. Die weiteren Impulse des Befehls lauf en daher durch das Addierwerk ADD und den Schalter G 2 und weiter über die Leitung d zum Befehls-

gerät der Maschine. Vom Zeitpunkt »7« ab gelangen über die Leitung α auch die Impulse des Schrittregisterinhalts zum Addierwerk ADD, so daß hier die Ziffern der unteren Wertstellen der Zellennummer und die Ziffern der unteren Wertstellen des Registerinhalts addiert werden. Die sich bei der Addition ergebenden Impulse laufen über den Schalter Gz und die Leitung d zum Befehlsgerät.

Bei dem dargestellten Beispiel ist der Handschalter f auf die dritte Leitung von links eingestellt, so daß der Doppel triode FFO ein Impuls »9V2« zugeführt wird und diese daher unmittelbar nach dem Zeitpunkt »9« zurückgesetzt wird. Durch das Zurücksetzen von FFO wird der Schalter G 2 gesperrt und zugleich der Schalter G1 wieder geöffnet. Falls sich im Addierwerk ADD bei der Addition im Zeitpunkt »9« ein Übertrag als notwendig ergab, so wird der Übertragsimpuls, der im Zeitpunkt »10« vom Addierwerk ADD weitergegeben wird, durch den Schalter G 2. bereits gesperrt. Über der durch die Einstellung des Handschalters f gewählten Ziffernposition bleiben daher die nunmehr über das Verzögerungsglied Vz und den Schalter Gi auf das Befehlsgerät gegebenen höheren Ziffern der Speicherzellennummern unverändert.

Da die höheren Ziffern des Registerinhalts bei der Addition unberücksichtigt bleiben und ein eventuell entstehender Übertrag in eine höhere Ziffernposition unterdrückt wird, ergibt sich, daß die durch die niedrigen Ziffernpositionen des Registers dargestellten Zahlen im Laufe der Rechnung ständig wiederholt zu den Zellennummern der Befehle addiert werden, so daß mit gleicher Wiederholung immer wieder die gleichen Speicherzellen aufgerufen werden. Bei dem Beispiel werden nur drei Stellen der Zellennummern bei der Addition des Registerinhalts verändert. Im Dualzahlensystem sind durch drei' Ziffernpositionen die Zahlen wer te »0« bis »7« dargestellt, so daß also acht Speicherzellen mit entsprechenden Endziffern in der Zellennummer in ständiger Wiederholung zyklisch vertauscht werden.

Durch die Einstellung des Schalters f auf einen anderen Impuls, beispielsweise auf den Impuls »12V2«, kann erreicht werden, daß nur die über der sechsten Ziffernposition liegenden Ziffern der Zellennummer unverändert bleiben, daß also die zyklische Vertauschung bei einer Gruppe von vierundsechzig Speicherzellen durchgeführt wird. Der Schalter f bietet also die Möglichkeit, eine wählbar große Gruppe von Speicherzellen zyklisch zu vertauschen.

Bei längeren Rechenprogrammen kann es vorkommen, daß im Laufe der Rechnung verschiedene Gruppen von Speicherzellen benutzt werden, die je verschiedene Anzahlen von Speicherzellen umfassen. In solchen Fällen ist es dann erforderlich, So während des Ablaufs des ganzen Programms entsprechend der verschiedenen Z.ahl der jeweils benutzten Speicherzellen von Zeit zu Zeit eine Verstellung des Schalters f vorzunehmen. Da der Schalter f von Hand bedient werden muß, ist es dann erforderlich, die Maschine jeweils vor Beginn eines neuen Abschnittes des Programms, der eine Umstellung erfordert, stillzusetzen bzw. die Rechnung zu unterbrechen, bis der Schalter f entsprechend verstellt worden ist.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, die es v> ermöglicht, die erforderliche Umschaltung auf den jeweils erforderlichen Zurücksetzimpuls für FFO vom Befehlswerk der Maschine aus zu steuern, so daß dann eine zeitraubende Unterbrechung der Rechnung nicht erforderlich ist.

Die Wahl des Impulses für das Zurücksetzen der Doppeltriode FFO erfolgt in diesem Falle mittels einer Gruppe von Doppeltrioden, die gleichfalls als Flip-Flop geschaltet sind und vom Befehlswerk aus gesetzt werden. Diese Doppeltrioden sind in Fig. 3 8» mit FFi bis FFn bezeichnet. Beim Setzen einer dieser Doppeltrioden wird jeweils eine vorher gesetzte Doppeltriode wieder zurückgesetzt, so daß immer höchstens eine Doppeltriode gesetzt sein kann. Die einzelnen Doppeltrioden FF1 bis FF11 steuern je einen Röhrenschalter G. Jeder der Schalter G dient dazu, einen der Impulse »7V2« bis »17V2« durchzulassen oder zu sperren, während der Impuls »18V2« unmittelbar zu der Leitung e gelangt, über die der Impuls zum Zurücksetzen der Doppeltriode FFO geleitet wird.

Wird beispielsweise die DoppeltriodeFFio vom Befehlswerk aus gesetzt, so gelangt jeweils der Impuls »16V2« über die Leitung e zur Doppeltriode FFO und bewirkt das Zurücksetzen. Anschließend gelangt auch noch der Impuls »18V2« nach FFO; da jedoch die Doppel triode bereits zurückgesetzt wurde, bleibt dieser Impuls ohne Wirkung. Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist im übrigen die gleiche wie beim Beispiel nach Fig. 2 bei Benutzung des Handschalters /, so daß sich eine nähere Erläuterung erübrigt.

Zu erwähnen ist nur noch, daß bei Anwendung der Schaltung nach Fig. 3 für die einzelnen Gruppen von Speicherzellen, die in verschiedenen Unterzyklen benutzt werden, je ein besonderes Schrittregister vorgesehen werden kann. Jedes dieser Schrittregister wird dabei durch einen besonderen Schrittimpuls in der üblichen Weise aufgerufen, so daß in einem solchen Falle statt einer einzigen Stelle für einen Schrittimpuls, wie sie in Fig. 1 angegeben ist, mehrere Stellen für das Aufrufen des jeweils richtigen Schrittregisters zur Verfügung stehen müssen. Ferner kann man, falls mehrere verschiedene Schrittimpulse verwendet werden, mit diesen eine Schaltung nach Fig. 3 steuern, so daß dann ein besonderer Befehl zur Änderung der Länge der Unterzyklen nicht mehr nötig ist.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist «o das Dualzahlensystem zugrunde gelegt. Natürlich kann die Erfindung auch bei auf dem Dezimalsystem aufgebauten Maschinen Anwendung finden. Beim Dezimalsystem können aber nur Gruppen von zehn, hundert oder tausend Speicherzellen für i«5 einen Unterzyklus benutzt werden. Demgegenüber

bietet das Dualsystem den Vorteil, daß die Staffelung in der Länge der hergestellten Unterzyklen besonders eng ist. Beim Dualsystem lassen sich Zyklen der Länge zwei, vier, acht, sechzehn usw. herstellen.

Bei den Ausführungsbeispielen ist ferner angenommen, daß die einzelnen Ziffernwerte einer Zahl mit der niedrigsten Stejle beginnend nacheinander abgelesen bzw. übertragen und addiert werden. Für die Benutzung der Erfindung ist dies jedoch keineswegs Voraussetzung. Vielmehr kann die Erfindung auch bei Maschinen Anwendung finden, bei denen sämtliche Ziffernstellen einer Zahl gleichzeitig abgelesen und verrechnet werden. Bei solchen sogenannten Parallelmaschinen besteht auf technisch einfache Weise die Möglichkeit, eine weitere Vorrichtung anzubringen, die die Unterteilung in Zyklen wieder aufhebt, sobald die vom Befehlsspeicher einlaufende Zellennummer in einem ge-

ao wissen Zahlenbereich liegt, z. B. eine bestimmte Stellenzahl übersteigt. Eine solche Vorrichtung kann auch bei Dualmaschinen vorgesehen werden. Bei einer Dualmaschine könnte z. B. die höchste Stelle der vom Befehlsspeicher einlaufenden Zellennummer auf *0« oder »i« abgefragt und im Falle einer »i« die Abschaltung des Übertragungsimpulses und der obersten Ziffern des Schrittregisters wieder aufgehoben werden. Auf diese Weise wäre dann die obere Hälfte des Zahlen

speichers von der Unterteilung in Unterzyklen aus- 30 geschlossen.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Steuervorrichtung für programmgesteuerte Rechenmaschinen, bei denen jeweils nach einer Serie von Rechenoperationen mittels eines Schrittregisters in Befehlen enthaltene Nummern von Speicherzellen um eine oder mehrere Einheiten verändert werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Veränderung durch Addition des Schrittregisterinhalts zu den Zellennummern die Ziffern dieser Zellennummern über einer gewählten Ziffernposition unverändert gehalten werden.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die bis zur gewählten Position liegenden Ziffern des Sehrittregisters addiert werden und ein dabei eventuell entstehender Übertrag in die nächsthöhere Position unterdrückt wird.

3. Steuervorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 für Maschinen, bei denen Additionen stellenwertweise mit der niedrigsten Stelle beginnend vorgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Addenden bis zu der gewählten Position über ein Addierwerk und die höheren Stellen der Zellennummern unmittelbar dem Befehlswerk zugeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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