Steuerwerke: Entwurf von Schaltwerken mit Festwertspeichern PDF
Preview Steuerwerke: Entwurf von Schaltwerken mit Festwertspeichern
Steuerwerke w. Grass SteuelWerke Entwurf von Schaltwerken mit Festwertspeichern Spri nger -Verlag Berlin Heidelberg New York 1978 Dr.-Ing. WERNER GRASS Institut fUr Nachrichtenverarbeitung der Universitat Karlsruhe Wissenschaftliche Redaktion: Prof. Dr.-Ing. W. RUPPRECHT, Universitat Kaiserslautern Mit 64 Abbildungen ISBN-13:978-3-540-08171-5 e-ISBN-13:978-3-642-81116-6 001: 10.1007/978-3-642-81116-6 Library of Congress Cataloging in Publication Data. Grass, Werner, 1943-Steuerwerke. 1. Random access storage. 2. Digital integrated circuits. 3. Switching circuits. I. Title. TK7895.M4G68 621.3819'58'33 77-26621 Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder lihnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugswelser Verwertung, vorbehalten. Bei VervielfAltigungen fiir gewerbliche Zwecke 1st gemliB § 5 UrhG eine Vergiitung an den Verlag zu zahlen, deren Hiihe mit dem Verlag zu vereinbaren 1st. © by Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1978. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. In dlesem Buche berechtlgt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zur Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzelchen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wliren und daher von jedermann benutzt werden diirften. 2061/3020-543210 Meiner Frau Verena gewidmet Geleitwort Seit einigen Jahren kann man die erfreuliche Entwicklung beobachten, da~ auf dem Gebiet des Schaltwerksentwurfs das methodische Vorgehen zunehmend die menr oder weniger geniale Bastelei verdrangt. Zum einen ist das Wissen urn die Existenz derartiger Methoden durch entsprechende Veroffentlichungen weit verbreitet worden, zum anderen hat der tech nologische Fortschritt auf dem Gebiet der Gro~integration machtige Halbleiterbausteine hervorgebracht, die einer systematischen System strukturierung sehr forderlich sind. Hier ist insbesondere von Bedeu tung, da~ sich die Kapazitaten von Festwertspeichern mit wahlfreiem Zugriff in wenigen Jahren urn betrachtliche Faktoren erhoht haben, so da~ heute Schaltwerksstrukturen optimal sein konnen, die frtiher aus Aufwandsgrtinden indiskutabel waren. Der Autor arbeitet seit 1967 in einer Umgebung, wo sowohl die Schalt werkstheorie als auch die Systematisierung des praktischen Schaltwerks entwurfs intensiv betrieben werden, und der ich selbst frtiher angehor teo 1m Jahre 1975 wurde dort mit Beteiligung des Autors eine Projekt gruppe "Entwurfsautomatisierung" eingerichtet. Die Rechneruntersttitzung des Entwurfsprozesses, d.h. die Abwicklung von Strukturierungs- und Optimierungsalgorithmen auf dem Rechner, steht dabei im Zentrum der Arbeit dieser Gruppe, und solche Algorithmen stehen auch im Zentrum des Buches. Die neuesten Ergebnisse, die in diesem Buch dargestellt sind, wurden in der Projektgruppe auf ihre Einsatzfahigkeit in der Ent wurfspraxis tiberprtift. Als ich in meinem Buch tiber komplexe Schaltwerke auf der Grundlage des Steuerkreismodells verschiedene Mikroprogrammwerksstrukturen darstell te, war ich mir wohl bewu~t, da~ dabei die meisten Probleme der Opti mierung dieser Strukturen offen bleiben mu~ten. Diese Probleme werden vrn nun in dem vorliegenden Buch von Grass konsequent behandelt. Die Tat sache, daB der Autor hier die einzelnen Verfahren an einem Beispiel aus meinem Buch veranschaulicht, ist mir natilrlich eine besondere Freude. Es ist zu erwarten, daB das vorliegende Buch einen wesentlichen Beitrag dazu liefern wird, die Zahl der von den Vorteilen des methodischen Ent wurfs ilberzeugten Entwickler weiter zu erhohen. Ich mochte dem Autor diesen Erfolg wunschen. Kaiserslautern, im Dezember 1977 s. Wendt Vorwort Steuerwerke mit Festwertspeichern, hier "RAM-Schaltwerke" genannt, sind eine Klasse digitaler Steuerwerke, die wegen des technologischen Fort schritts auf dem Gebiet der Halbleiterspeicher neuerdings eine groae praktische Bedeutung besitzen. Sie bilden eine beachtenswerte Alterna tive zu Mikrorechnersteuerungen. Seit 1975 beschaftigt sich unsere Arbeitsgruppe 'Entwurfsautomatisie rung' mit dem Entwurf und der Realisierung von RAM-Schaltwerken. Die Ergebnisse haben sich in mehreren Aufsatzen, Vortragen, Entwicklungs auftragen und insbesondere Vorlesungen an der Univeriitat Karlsruhe niedergeschlagen. Die vorliegende Darstellung ist unseres Wissens die erste zusammenfas sende Buchveroffentlichung zum Thema. Sie beruht zum groaten Teil auf einem ftinftagigen Seminar ftir Entwicklungsingenieure, bei dem der Ver fasser auf Einladung der Standard Elektrik Lorenz AG den Stoff im Zu sammenhang vorgetragen hat. Den Teilnehmern der beiden inzwischen abge haltenen Seminare verdanke ich vielfaltige Anregungen, die der Darstel lung zugutegekommen sind. Die Zielsetzung dieses Buches ist eine doppelte. Zunachst sollen RAM Schaltwerke als eine spezielle Realisierungsform von Digitalschaltungen vorgestellt und gegentiber anderen Formen, insbesondere Mikrorechner steuerungen, abgegrenzt werden. RAM-Schaltwerke sind namlich vor allem bei jenen Entwicklern noch sehr wenig bekannt, welche sich erst seit kurzem mit der Entwicklung elektronischer Digitalschaltungen befassen. Dies hat seinen Grund darin, daa die Zahl der Veroffentlichungen tiber RAM-Schaltwerke vergleichsweise gering ist. Zudem ist die Namensgebung ftir diese Schaltwerke noch nicht einheitlich, wodurch das Auffinden der vorhandenen Literatur zusatzlich erschwert ist. x Das Hauptziel ist jedoch eine systematische Entwurfslehre filr optimier te RAM-Schaltwerke. Dazu werden die bekanntgewordenen Schaltwerksstruk turen klass~fiziert und es werden Algorithmen abgeleitet und diskutiert, die wichtige Schritte des Entwurfsprozesses systematisieren und opti mieren. Dementsprechend werden folgende Themen behandelt: 1. Die verschiedenen Grundstrukturen von RAM-Schaltwerken 2. Grundlegende Optimierungsmethoden filr den allgemeinen Schaltwerks ~ntwurf 3. Optimierende Entwurfsalgorithmen speziell filr RAM-Schaltwerke. Zum ersten Themenbereich (Kapitel 1 bis 4) gehoren u.a. die Vorstellung der Grundbausteine und Hardware-Grundstrukturen der RAM-Schaltwerke. Letztere unterscheiden sich im Bausteinbedarf und in der Anzahl der Taktperioden, die zwischen dem Anlegen einer Eingabe und der Verfilg barkeit der hierzu gehorenden Ausgabe vergehen. Dann werden im Kapitel 5 die zwei von der klassischen Schaltwerksopti mierung her bekannten Verfahren behandelt: Das Aufsuchen der maximalen Vertraglichkeitsklassen und das Auffinden einer nach bestimmten Krite rien hinreichenden Menge mit minimaler Anzahl dieser Vertraglichkeits klassen (nichtredundante Oberdeckungen). Es zeigt sich, daB die Mehr zahl der auftretenden Optimierungsaufgaben mit diesen beiden klassi schen Verfahren gelost werden kann. Die eigentlichen Entwurfsverfahren werden in den Kapiteln 6 bis 13 dar gestellt. Dabei verstehen wir unter der Systematik des Entwurfs aIle MaBnahmen, die sicherstellen, daB die geplante Schaltung die vorgese hene Funktion vollstandig und sicher erfilllt, wahrend unter dem Begriff Optimierung aIle MaBnahmen verstanden werden, die den Bausteinaufwand und/oder den Zeitbedarf minimieren. Das Arbeiten mit diesen Algorithmen setzt allerdings einige Kenntnisse tiber den systematischen Entwurf von klassischen Digitalschaltungen mit Gattern und Flipflops voraus. Lesern, die darin nicht bewandert sind, wird das Buch von Wendt [1] zur Vorbe reitung empfohlen. Das praktische Beispiel, an dem aIle Entwurfsverfah ren verdeutlicht werden, ist ebenfalls dieser Quelle entnommen. Die Kapitel 4 bis 12 sind vierteilig aufgebaut: Auf eine Einfilhrung in die Prob~emstellung folgt jeweils eine kurze Skizzierung des Losungs weges und dann dessen exakte Beschreibung als Algorithmus. Den AbschluB XI bildet jeweils ein ausfUhrlich dargestelltes Beispiel. FUr einen ersten Oberblick kann es daher genUgen, nur die Problemstellung sowie den Lo sungsgedanken zu studieren. Das Buch wendet sich an aIle, die sich mit dem Entwurf von Digitalschal tungen befassen: Zunachst also an die Praktiker, die nach einer Darstel lung des systematischen Entwurfs von RAM-Schaltwerken suchen; zum ande ren an Studenten der Elektrotechnik und lnformatik, die ihr Studium auf dem Gebiet des Steuerwerksentwurfs vertiefen wollen. lch mochte nicht versaumen, auch an dieser Stelle fUr vielfaltige An regungen zum lnhalt dieses Buches zu danken. So hatte dieses Buch in der vorliegenden Form ohne die Forderung durch Herrn Prof. Dr. H.M. Lipp, seinen Rat und seine Verbesserungsvorschlage nicht entstehen konnen. Herr Prof. Dr. W. Rupprecht gab mir wertvolle Hinweise zur Gestaltung des Buches. Aber auch die Diskussionen mit den Mitarbeitern des lnstituts fUr Nachrichtenverarbeitung haben die Arbeiten stark beeinflu~t. Nament lich mochte ich die Herren Dr.-lng. J. Beister und Dr.-lng. K.D. MUller nennen. Der Firma Standard Elektrik Lorenz danke ich fUr die Gelegenheit, die Thematik innerhalb ihres Hochschulkollegs mit Praktikern diskutieren zu konnen. Mein Dank gilt auch dem Bundesministerium fUr Forschung und Technologie, das Uber den Projekttrager Gesellschaft fUr Kernforschung, Karlsruhe die Umsetzung der Algorithmen in ein industriell nutzbares Programmsystem fordert. Nicht zuletzt danke ich auch Frau G. Ottmar und Frau G. Seegebarth fUr die sorgfaltig ausgefUhrte und mUhevolle Obertragung der Bilder und des Textes yom Manuskript in die Reinschrift. Karlsruhe, im Dezember 1977 Werner Grass Inhaltsverzeichnis 1. Einfuhrung 1.1 Vorgehen beim Entwurf komplexer Schaltwerke 1.2 Die verschiedenen Techniken der Schaltwerksrealisierung 3 1.2.1 Mikroprozessoren 6 1.2.2 RAM-Schaltwerke . 7 2. Standardbausteine fur RAM-Schaltwerke 10 2.1 Halbleiterspeicher 10 2.2 Register, Zahler 12 2.3 Multiplexer. 14 2.4 Dekodiernetz 16 3. Vorstellung verschiedener Strukturen von RAM-Schaltwerken 17 3.1 Grundstruktur von RAM-Schaltwerken 17 3.2 Maskierung von Eingangsvariablen 18 3.3 Relative Adressierung . . . . . . 22 3.4 Abspeichern aller Verzweigungsadressen in einer Speicherzeile . . . . . . . . . . . . . 23 3.5 Serialisierung des Ausleseprozesses . . 24 3.6 Adre~bestimmung au~erhalb des Speichers 27 3.6.1 Zahlerbestimmung einer von mehreren moglichen Verzweigungsadressen . . . . . . . . . . . . 27 3.6.2 Zahlerbestimmung einer Verzweigungsadresse bei Serialisierung des Ausleseprozesses . . . . . . 28 4. Darstellung von Aufgabestellungen . . . . . . . . . . . . 31 4.1 Beschreibung einer Magnettrommelsteuerung nach Wendt 31 4.2 Konstruktion der Ablauftabelle in Mealy-Form 39 4.3 Ablauftabelle in Moore-Form ...... . 43 4.3.1 Formale Mealy-Moore-Transformation 43 4.3.2 Zeitfragen bei der Mealy-Moore-Transformation 45 Algorithmus 1: Transformation einer Mealy Ablauftabelle in eine Moore-Ablauftabelle . . . . . 47 Beispiel zu Algorithmus 1: Trommelspeichersteuerung (Tabelle 4.1) .................. . 49
The list of books you might like
