Digitaltechnik: Lehr- und Übungsbuch für Elektrotechniker und Informatiker ; mit 86 Tabellen
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Vieweg
2002
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Titel: Digitaltechnik
Autor: Fricke, Klaus
Jahr: 2002
Klaus Fricke
Digitaltechnik
Lehr- und Übungsbuch für
Elektrotechniker und Informatiker
3., verbesserte Auflage
Mit 147 Abbildungen und 86 Tabellen
vieweg
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Codierung und Zahlensysteme 3
2.1 Codes 3
2.2 Dualcode 4
2.3 Festkomma-Arithmetik im Dualsystem 5
2.3.1 Ganzzahlige Addition im Dualsystem 5
2.3.2 Addition von Festkommazahlen 6
2.3.3 Einerkomplementdarstellung 6
2.3.4 Zweierkomplementdarstellung 7
2.3.5 Subtraktion in Zweierkomplementdarstellung 8
2.3.6 Bereichsüberschreitung 8
2.3.7 Multiplikation 9
2.3.8 Division 10
2.4 Hexadezimalcode 10
2.5 Oktalcode 11
2.6 Graycode 11
2.7 BCD-Code 12
2.8 Alphanumerische Codes 13
2.9 Übungen 13
3 Schaltalgebra 15
3.1 Schaltvariable und Schaltfunktion 15
3.2 Zweistellige Schaltfunktionen 16
3.3 Rechenregeln 20
3.4 Kanonische disjunktive Normalform (KDNF) 21
3.5 Kanonische konjunktive Normalform (KKNF) 22
3.6 Darstellung von Funktionen mit der KKNF und KDNF 22
3.7 Minimieren mit Hilfe der Schaltalgebra 25
3.8 Vereinfachte Schreibweise 26
3.9 Schaltsymbole 26
3.9.1 Grundsätzlicher Aufbau der Symbole 26
3.9.2 Die Abhängigkeitsnotiation 27
3.9.3 Die UND-Abhängigkeit (G) 27
3.9.4 Die ODER-Abhängigkeit (V) 28
3.9.5 Die EXOR-Abhängigkeit (N) 29
3.9.6 Die Verbindungs-Abhängigkeit (Z) 29
3.9.7 Die Übertragungs-Abhängigkeit (X) 30
3.10 Übungen 30
4 Verhalten logischer Gatter 31
4.1 Positive und negative Logik 32
4.2 Definition der Schaltzeiten 33
VIII Inhaltsverzeichnis
4.3 Übertragungskennlinie, Störabstand 34
4.4 Ausgänge 36
4.4.1 Offener Kollektor (Open Collector) 37
4.4.2 Tri-State-Ausgang 39
4.5 Übungen 40
5 Schaltungstechnik 41
5.1 CMOS 41
5.1.1 Fan-Out 43
5.1.2 Grandschaltungen NAND und NOR 43
5.1.3 Transmission-Gate 45
5.1.4 Tristate-Ausgang 46
5.1.5 CMOS-Eigenschaften 47
5.2 TTL 47
5.2.1 Belastung der Ausgänge 49
5.3 Emitter-Coupled Logic (ECL) 50
5.4 Integrierte Injektions-Logik (I2
L) 51
5.5 Verlustleistung und Schaltverhalten von Transistorschaltern 52
5.6 Übungen 54
6 Schaltnetze 55
6.1 Minimierung mit Karnaugh-Veitch-Diagrammen 55
6.1.1 Minimierung der KDNF 55
6.1.2 Minimierung der KKNF 58
6.1.3 Karnaugh-Veitch-Diagramme für 2, 3, 5 und 6 Eingangsvariablen 59
6.1.4 Unvollständig spezifizierte Funktionen 61
6.2 Das Quine-McCluskey-Verfahren 62
6.3 Andere Optimierungsziele 65
6.3.1 Umwandlung UND/ODER-Schaltnetz in NAND-Schaltnetz 66
6.3.2 Umwandlung ODER/UND-Schaltnetz in NOR-Schaltnetz 67
6.4 Laufzeiteffekte in Schaltnetzen 68
6.4.1 Strukturhazards 68
6.4.2 Funktionshazards 69
6.4.3 Klassifizierung von Hazards 70
6.5 Übungen 71
7 Asynchrone Schaltwerke 73
7.1 Prinzipieller Aufbau von Schaltwerken 73
7.2 Analyse asynchroner Schaltwerke 74
7.3 Systematische Analyse 75
7.4 Analyse unter Berücksichtigung der Gatterlaufzeit 77
7.5 Speicherglieder 80
7.5.1 RS-Flipflop 80
7.5.2 RS-Flipflop mit Takteingang 81
7.5.3 D-Flipflop 83
7.5.4 Flankengesteuertes D-Flipflop 84
7.5.5 Zweiflankensteuerung 89
7.5.6 JK-Flipflop 90
Inhaltsverzeichnis IX
7.5.7 T-Flipflop 91
7.5.8 Beispiel 91
7.5.9 Zusammenfassung Flipflops 93
7.6 Übungen 95
8 Synchrone Schaltwerke 97
8.1 Synthese von Schaltwerken (Beispiel 1) 97
8.1.1 Aufgabenstellung 97
8.1.2 Aufstellen des Zustandsdiagramms 98
8.1.3 Struktur der Maschinensteuerung 99
8.1.4 Aufstellen der Zustandsfolgetabelle 100
8.1.5 Aufstellen der Ansteuertabelle und der Ausgangstabelle 100
8.2 Synthese von Schaltwerken (Beispiel 2) 103
8.2.1 Aufgabenstellung 103
8.2.2 Aufstellen des Zustandsdiagramms 103
8.2.3 Aufstellen der Zustandsfolgetabelle 104
8.2.4 Entwicklung eines Schaltnetzes für die Ansteuersignale 104
8.2.5 Vollständige Zustandstabelle 105
8.2.6 Vollständiges Zustandsdiagramm 106
8.3 Zeitverhalten von Schaltwerken 107
8.4 Übungen 110
9 Multiplexer und Code-Umsetzer 111
9.1 Multiplexer Ill
9.1.1 Multiplexer-Realisierang von Funktionen 112
9.2 Code-Umsetzer 115
9.2.1 Der BCD/Dezimal-Code-Umsetzer 7442 116
9.2.2 Demultiplexer 117
9.2.3 Erzeugung von Funktionsbündeln 119
9.3 Analoge Multiplexer und Demultiplexer 120
9.4 Übungen 121
10 Digitale Zähler 123
10.1 Asynchrone Zähler 123
10.1.1 Modulo-8-Binärzähler 123
10.1.2 Modulo-6-Zähler 124
10.1.3 Asynchrone Rückwärtszähler 125
10.1.4 Zeitverhalten asynchroner Zähler 126
10.2 Synchrone Zähler 126
10.2.1 4-Bit-Dualzähler 127
10.2.2 Mod-6-Zähler im Gray-Code 129
10.2.3 Der synchrone 4-Bit Aufwärts/Abwärts-Binärzähler 74191 131
10.3 Übungen 132
X Inhaltsverzeichnis
11 Schieberegister 133
11.1 Zeitverhalten von Schieberegistern 134
11.1.1 Schieberegister 74194 135
11.2 Rückgekoppelte Schieberegister 137
11.2.1 Moebius-Zähler, Johnson-Zähler 138
11.2.2 Pseudo-Zufallsfolgen 140
11.3 Übungen 142
12 Arithmetische Bausteine 143
12.1 Volladdierer 143
12.2 Serienaddierer 143
12.3 Ripple-Carry-Addierer 144
12.4 Carry-Look-Ahead Addierer 145
12.4.1 Kaskadierang von Carry-Look-Ahead-Addierern 147
12.4.2 Vergleich der Addierer 151
12.5 Arithmetisch-logische-Recheneinheiten(ALU) 151
12.5.1 Beispiele für Operationen 154
12.6 Komparatoren 157
12.6.1 2-Bit-Komparator 157
12.6.2 Kaskadierbare Komparatoren 159
12.7 Übungen 160
13 Digitale Speicher 161
13.1 Prinzipieller Aufbau von Speicherbausteinen 162
13.2 ROM 162
13.3 PROM 165
13.4 EPROM 166
13.5 EEPROM 167
13.6 EAROM 167
13.7 NOVRAM 167
13.8 RAM 168
13.8.1 Statisches RAM 168
13.8.2 Beispiel RAM 169
13.9 Dynamisches RAM 173
13.10 Quasistatisches DRAM 178
13.11 Eimerkettenspeicher 178
13.11.1 Beispiel eines FIFOs 178
13.12 Kaskadierang von Speichern 181
13.13 Erweiterung der Wortlänge 181
13.14 Erweiterung der Speicherkapazität 182
13.14.1 Volldekodierang 183
13.14.2 Teildekodierung 185
13.14.3 Lineare Dekodierang 187
13.15 Übungen 189
14 Programmierbare Logikbausteine 191
14.1 ASIC-Familien 191
Inhaltsverzeichnis XI
14.2 Programmierbare Logik-ICs (PLD) 194
14.2.1 PLD-Typen 194
14.3 ROM, EPROM, EEPROM 195
14.4 PLA 196
14.5 PAL 203
14.6 GAL 205
14.7 Programmierung von PLD-Bausteinen 208
14.7.1 Test 209
14.8 Field Programmable Gate Arrays (FPGA) 210
14.8.1 Aufbau eines FPGAs 210
14.8.2 Konfigurierbare Logik-Blöcke (CLB) 211
14.8.3 IO-Block 212
14.8.4 Verbindungsleitungen 213
14.8.5 Programmierung eines FPGAs 214
14.9 EPLD 214
14.9.1 Beispiel EPLD: CY7C343 214
14. 10 Gate-Arrays 215
14.10.1 Aufbau von Channeled Gate-Arrays 216
14.11 Standardzellen-ASIC 219
14.12 Vollkundendesign-ASICs 219
14.13 Übungen 220
15 Entwicklungs-Software 221
15.1 Entwurfsverfahren für digitale Schaltungen 221
15.2 ABEL 222
15.2.1 ABEL-Programm: Adressdekoder 223
15.2.2 ABEL-Programm: Schaltwerk 225
15.3 Übungen 228
16 Prinzip des Mikroprozessors 229
16.1 Kooperierende Schaltwerke 229
16.2 Der von Neumann-Rechner 230
16.3 Operationswerke 231
16.3.1 Architektur von Operationswerken 231
16.3.2 Bussysteme 232
16.4 Leitwerke 233
16.5 Mikroprogrammierung 234
16.6 Übungen 236
17 Der Mikroprozessor 8085A 237
17.1 Aufbau des 8085A 237
17.2 Anschlüsse des 8085 239
17.3 Speicher- und Peripherie 242
17.4 Peripheriebausteine 243
17.5 Die Parallelschnittstelle 8255 244
17.6 Funktionsabläufe bei der Befehlsausführung 246
17.6.1 Der Operationcode -Fetch-Zyklus (OF) 247
XII Inhaltsverzeichnis
17.6.2 Der Memory-Read-Zyklus (MR) 248
17.6.3 Der Memory Write-Zyklus (MW) 249
17.6.4 Beispiel für eine Befehlsausführung 250
17.7 Interruptsteuerung 251
17.8 Assembler-Programmierung 252
17.9 Befehlssatz 253
17.10 Transferbefehle 253
17.10.1 Adressierung ,,Register" 253
17.10.2 Adressierung ,,Register Indirekt" 254
17.10.3 Adressierung ,,Immediate" 255
17.10.4 Adressierung ,,Direkt" 255
17.11 Arithmetische Befehle 256
17.12 Logische Operationen 258
17.13 Setzen und Löschen des Carry-Flags 259
17.14 Schiebebefehle 259
17.15 Programmverzweigungen 259
17.15.1 Beispiel für einen Sprung 260
17.16 Befehle für Unterprogramme 261
17.17 Befehle für die Prozessorsteuerung 265
17.18 Assemblerbefehle 266
17.19 Programmbeispiele 268
17.19.1 Programmierung der Parallelschnittstelle 8255 268
17.19.2 Datenübergabe an Unterprogramme 270
17.20 Übungen 272
A Anhang 273
A.l Die Abhängigkeitsnotation 273
A.2 Befehlssatz des 8085A 277
Lösungen der Aufgaben 283
Literatur 305
Sachwortregister 309 |
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