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Der ALU-Controller

1. Einleitung

   Der ALU-Controller stellt einen Teil der Schnittstelle zwischen ALU und internem CPU-Bus dar. Der Kontroller dient der Stromversorgung und der Verstärkung der Übertragssignale und der ALU-Steuersignale S0, S1, S2, EC, UG. Die Signale UIL, UIR, UOL und UOR werden einfach auf den CPU-Bus geführt und dienen der Generierung des CARRY-Flags.

2. Die Schaltung des ALU-Controllers

   Auf dem folgenden Bild ist die Schaltung des ALU-Controllers dargestellt.
   
   
   Der ALU-Controller besitzt zwei 40-polige Steckverbinder. Der Stecker P1 ist mit dem internen Steuerbus der CPU verbunden und der Stecker P2 führt zum internen ALU-Bus. Der interne ALU-Bus verbindet 8 1-bit-ALUs zu einem 8-bit-ALU-Block. Der ALU-Controller ist für die Stromversorgung der ALU und die Verstärkung der Signale S0, S1, S2, EC, UIG zur Operationssteuerung und O+/-, UOL+/-, UOR+/- zur Ausgangssteuerung verantwortlich. Die Übertragseingänge UIL und UIR sowie die Übertragsausgä,nge UOL und UOR werden einfach nur an den CPU-Busstecker P1 durchgeschleift.
   

   Die Anschlussleitungen an P1 zum CPU-Bus haben folgende Bedeutungen:
   Pin	Name	Funktion	Pegel
   1	S1	Eingangsbit zur Operationssteuerung	0V,12V
   3	S2	Eingangsbit zur Operationssteuerung	0V,12V
   5	S0	Eingangsbit zur Operationssteuerung	0V,12V
   7	EC	Eingangsbit für die XOR-Funktion auf das Datenwort an EB	0V,12V
   9	n.c.	freies Pin	H
   11	n.c.	freies Pin	H
   13	n.c.	freies Pin	H
   15	EOUT	Steuereingang für den ALU Datenausgang	0V,12V
   17	UIG	Eingangsbit für generellen Übertrag aus der Befehlssteuerung	0V,12V
   19	UIL	Eingangsbit für den Übertrag in die höherwertigste Bitstelle 7 der ALU	0V,12V
   21	UIR	Eingangsbit für den Übertrag in die niederwertigste Bitstelle 0 der ALU	0V,12V
   23	n.c.	freies Pin	H
   25	UOR	Übertragsausgang der niederwertigsten Bitstelle 0 der ALU	0V,12V,H
   27	UOL	Übertragsausgang der höherwertigsten Bitstelle 7 der ALU	0V,12V,H
   29	n.c.	freies Pin	H
   31	EUOL	Steuereingang zur Aktivierung der Übertragskette von der niederwertigsten zur höherwertigsten ALU-Bitstelle	0V,12V
   33	n.c.	freies Pin	H
   35	EUOR	Steuereingang zur Aktivierung der Übertragskette von der höherwertigsten zur niederwertigsten ALU-Bitstelle	0V,12V
   37	GND	Signalmasse	0V
   39	GND	Signalmasse	0V
   2..40	n.c.	freies Pin	H
   Der Stecker P3 ist ein 4-poliger 5¼Zoll PC-Stromversorgungsstecker. Die Belegung ist:
   Pin	Name	Funktion	Pegel
   1	+12V	Versorgungsspannung +12V	12V
   2	GND	Masse 0V	0V
   3	GND	Masse 0V	0V
   4	frei	keine Belegung	H
   Die Anschlussleitungen am Stecker P3 führen zum internen ALU-Bus. Hier ist der ALU-Controller mit der Verschaltung der 8 1-bit-ALUs verbunden. Die Anschlüsse haben folgende Bedeutung:
   Pin	Name	Funktion	Pegel
   1	GND	Signalmasse	0V
   3	GND	Signalmasse	0V
   5	UOR-	negative Spannungsversorgung für den Übertragsausgang zur nächsten Bitstelle rechts (nächstniedere Bitstelle)	0V,12V
   7	UOR+	positive Spannungsversorgung für den Übertragsausgang zur nächsten Bitstelle rechts (nächstniedere Bitstelle)	0V,12V
   9	UOL-	negative Spannungsversorgung für den Übertragsausgang zur nächsten Bitstelle links (nächsthöhere Bitstelle)	0V,12V
   11	UOL+	positive Spannungsversorgung für den Übertragsausgang zur nächsten Bitstelle links (nächsthöhere Bitstelle)	0V,12V
   13	UOL	Übertragsausgang der höherwertigsten Bitstelle 7 der ALU	0V,12V,H
   15	UOR	Übertragsausgang der niederwertigsten Bitstelle 0 der ALU	0V,12V,H
   17	n.c.	freies Pin	H
   19	UIR	Eingangsbit für den Übertrag in die niederwertigste Bitstelle 0 der ALU	0V,12V
   21	UIL	Eingangsbit für den Übertrag in die höherwertigste Bitstelle 7 der ALU	0V,12V
   23	UIG	Eingangsbit für generellen Übertrag aus der Befehlssteuerung	0V,12V
   25	O+	positive Spannungsversorgung für den Logikausgang logisch 1	0V,12V,H
   27	O-	negative Spannungsversorgung für den Logikausgang logisch 0	0V,12V,H
   29	n.c.	freies Pin	H
   31	n.c.	freies Pin	H
   33	EC	Eingangsbit für die XOR-Funktion auf das Eingangsbit EB	0V,12V
   35	S0	Eingangsbit zur Operationssteuerung	H,12V
   37	S2	Eingangsbit zur Operationssteuerung	H,12V
   29	S1	Eingangsbit zur Operationssteuerung	H,12V
   2..40	n.c.	freies Pin	H

3. Funktionsweise der Schaltung

   Nun zum Aufbau des ALU-Controllers. Die Schaltung ist relativ einfach zu verstehen. Die Relais REL1,2 steuern die Eingänge EC und UIG des 8-bit-ALU-Blocks mit logisch 0 (0V) oder logisch 1 (12V) an. Die Relais REL3,4,5 steuern die Eingänge S0, S1 und S2 zur Operationssteuerung entweder mit logisch 1 (12V) an oder schalten die Eingangsleitungen hochohmig. Die Relais EL6,7 und 8 steuern die Spannungsversorgung der Ausgangsleitungen. Bei abgefallenem Relais werden die Steuerleitungen der ALU so beschaltet, das die Dioden in der Ausgangssteuerung der ALU in Sperrichtung betrieben werden. Dadurch ist der entsprechenden Ausgang der ALU stromlos und somit hochohmig geschaltet. Bei angezogenem Relais werden die Leitungen umgepolt, sodass die Dioden in der Ausgangssteuerung der ALU in Duchlassrichtung laufen und der entsprechende Ausgang der ALU die logischen Pegel 0(0V) oder 1(12V) ausgibt. Damit ist es möglich den Datenausgang der ALU an oder abzuschalten oder zu bestimmen, welche Übertragskette innerhalb der ALU verwendet werden soll. Mit den Steuerleitungen kann also festgelegt werden, ob ein Übertrag von der niederwertigsten zur höherwertigsten Stelle der ALU durchgegeben werden soll (Rechtsschieben, Addition, Subtraktion) oder ob der Übertrag in umgekehrter Richtung gereicht wird (Linksschieben) oder ob kein Übertrag erzeugt werden soll (AND, OR, etc). Die restlichen Bauelemente dienen nur der Bereitstellung der Versorgungsspannung, Absicherung und der visuellen Kontrolle der Signale durch LEDs.

4. Wahrheitstabellen

   In der Wahrheitstabelle sind nun die einzelnen Pegel zur Umsetzung der Befehle aufgelistet, so wie sie sich aus der Funktionsweise der ALU ergeben. Durch die ALU-Steuerung müssen also, je nach den Vorgaben der Befehlsdecodierung, diese Pegel an den Eingangsleitungen der ALU-Blöcke erzeugt werden.
   0=logisch 0-Pegel, entspricht 0V
   1=logisch 1-Pegel, entspricht 12V
   H=hochohmiger Zustand
   X=beliebiger Zustand
   

   EC-Steuerung - Invertierung des Operanden aus TEMPB
   Eingangssignal P1	Ausgangssignal P3		Erläuterung
   EC	EC
   0	0		EC=0, ALU-Operand B wird nicht invertiert
   1	1		EC=1, ALU-Operand B wird invertiert
   UIG-Steuerung - Übertragssignal an alle ALU-Bitstellen senden
   Eingangssignal P1	Ausgangssignal P3		Erläuterung
   UIG	UIG
   0	0		UIG=0, kein genereller Übertrag
   1	1		UIG=1, alle ALU-Bitstellen erhalten ein Übertragssignal, auch wenn die Übertragsketten abgeschaltet sind (EUOL=EOUR=0)
   UIL-Steuerung - Übertragseingang der ALU-Bitstelle 7
   Eingangssignal P1	Ausgangssignal P3		Erläuterung
   UIL	UIL
   0	0		UIL=0, an die ALU-Bitstelle 7 wird kein Übertrag übergeben
   1	1		UIL=1, an die ALU-Bitstelle 7 wird ein Übertrag übergeben, auch wenn die Übertragsketten abgeschaltet sind (EUOL=EOUR=0)
   UIR-Steuerung - Übertragseingang der ALU-Bitstelle 0
   Eingangssignal P1	Ausgangssignal P3		Erläuterung
   UIR	UIR
   0	0		UIR=0, an die ALU-Bitstelle 0 wird kein Übertrag übergeben
   1	1		UIL=1, an die ALU-Bitstelle 0 wird ein Übertrag übergeben, auch wenn die Übertragsketten abgeschaltet sind (EUOL=EOUR=0)
   EOUT-Steuerung - ALU-Ausgang aktivieren
   Eingangssignal P1	Ausgangssignal P3		Erläuterung
   EOUT	O-	O+
   0	+12V	0V	Der Ergebnisausgang der ALU ist im hochohmigen Zustand.
   1	0V	+12V	Der Ergebnisausgang der ALU ist aktiv. Das Ergebnis der letzten ALU-Operation wird auf den CPU-Bus ausgegeben.
   EUOL-Steuerung - Übertragskette nach links aktivieren
   Eingangssignal P1	Ausgangssignal P3		Erläuterung
   EUOL	UOL-	UOL+
   0	+12V	0V	Die Übertragsschiebekette nach links, von der niederwertigsten Bitstelle 0 zur höherwertigsten Bitstelle 7 ist inaktiv, die UOL-Ausgänge der 1-bit-ALUs sind im hochohmigen Zustand.
   1	0V	+12V	Die Übertragsschiebekette nach links, von der niederwertigsten Bitstelle 0 zur höherwertigsten Bitstelle 7 ist aktiv, in der ALU erzeugte Überträge werden an die jeweils linke Bitstelle weitergegeben. Der Übertrag der Bitstelle 7 erscheint am UOL-Pin von P1.
   EUOR-Steuerung - Übertragskette nach rechts aktivieren
   Eingangssignal P1	Ausgangssignal P3		Erläuterung
   EUOR	UOR-	UOR+
   0	+12V	0V	Die Übertragsschiebekette nach rechts, von der höherwertigsten Bitstelle 7zur niederwertigsten Bitstelle 0 ist inaktiv, die UOR-Ausgänge der 1-bit-ALUs sind im hochohmigen Zustand.
   1	0V	+12V	Die Übertragsschiebekette nach links, von der höherwertigsten Bitstelle 7zur niederwertigsten Bitstelle 0 ist aktiv, in der ALU erzeugte Überträge werden an die jeweils rechte Bitstelle weitergegeben. Der Übertrag der Bitstelle 0 erscheint am UOR-Pin von P1.
   S0,1,2-Steuerung - Steuerbit für die ALU-Operation
   Eingangssignal P1	Ausgangssignal P3		Erläuterung
   SX	SX
   0	0		Die Steuerleitung des ALU-Blocks ist im hochohmigen Zustand.
   1	1		Die Steuerleitung des ALU-Blocks ist mit +12V belegt.

5. Schluss

   Der ALU-Controller hat lediglich die Aufgabe, die notwendigen Pegelanpassungen zwischen ALU-Block und CPU-Bus umzusetzen. Deshalb beschränkt sich die Schaltung im Prinzip nur auf Verstärkerfunktionen und Bereitstellung von Versorgungsspannungen für die Ausgangstreiber.

www.schlaefendorf.de 2012