Steuerwerke: Entwurf von Schaltwerken mit Festwertspeichern

252 Pages·1978·4.014 MB·German

by  Dr.-Ing. Werner Grass, Prof. Dr.-Ing. W. Rupprecht (auth.)

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
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© by Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1978.
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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