Digitaltechnik: ein Lehr- und Übungsbuch ; mit 167 Tabellen
Gespeichert in:
| Vorheriger Titel: | Urbanski, Klaus Digitaltechnik |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Medienkombination Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
2007
|
| Ausgabe: | 5., neu bearb. und erw. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Springer-Lehrbuch
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XV, 558 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783540736721 3540736727 |
Internformat
MARC
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
1 Zahlensysteme......................................................................................................... 1
1.1 Allgemeines Zahlensystem............................................................................... 1
1.2 Dual , Oktal und Hexadezimalsystem............................................................. 2
1.3 Konvertierung zwischen den Zahlensystemen.................................................. 3
1.4 Arithmetische Operationen im Dualsystem...................................................... 5
1.4.1 Die duale Addition................................................................................ 5
1.4.2 Die duale Subtraktion............................................................................ 5
1.4.3 Die Multiplikation von Dualzahlen (Booth Algorithmus).................... 10
1.4.4 Die Division von Dualzahlen (Restoring Methode).............................. 11
1.5 Die Darstellung gebrochener Zahlen im Dualsystem....................................... 13
1.6 Binäre Vorsätze für Zweierpotenzen................................................................ 15
2 Logische Funktionen............................................................................................... 17
2.1 Grundbegriffe................................................................................................... 17
2.1.1 Logik Pegel und Logik Zustand einer binären Variablen..................... 17
2.1.2 Zuordnungssysteme............................................................................... 18
2.1.3 Signalnamen in der Digitaltechnik........................................................ 22
2.2 Vergleich zwischen analoger und digitaler physikalischer Größe.................... 22
2.3 Schaltalgebra.................................................................................................... 24
2.3.1 Verknüpfungszeichen............................................................................ 24
2.3.2 Definition der logischen Funktionen..................................................... 26
2.3.3 Schaltsymbole....................................................................................... 27
2.3.4 Rechenregeln der Schaltalgebra............................................................ 30
2.3.5 Logikstufen............................................................................................ 32
2.3.6 Realisierung der Grundverknüpfungen in NAND
und NOR Technik................................................................................. 33
2.3.7 Normalform einer logischen Funktion.................................................. 35
2.4 Minimieren logischer Funktionen..................................................................... 37
2.4.1 Allgemeines........................................................................................... 37
2.4.2 Minimierungsverfahren......................................................................... 39
2.4.3 Karnaugh Veitch Diagramm (KV Diagramm)..................................... 40
2.4.3.1 KV Diagramm für zwei Eingangsvariablen............................ 41
2.4.3.2 KV Diagramm für drei Eingangsvariablen.............................. 43
2.4.3.3 KV Diagramm für vier Eingangsvariablen.............................. 46
2.4.3.4 KV Diagramm für fünf Eingangsvariablen............................. 48
3 Technische Realisierung digitaler Schaltungen 51
3.1 Überblick über die technologische Entwicklung.............................................. 51
3.2 Realisierungskonzepte nach Einfuhrung integrierter Schaltkreise.................... 51
3.3 Charakteristische Eigenschaften digitaler integrierter Schaltkreise.................. 54
3.3.1 Lastfaktoren........................................................................................... 55
Inhaltsverzeichnis
3.3.2 Störspannungsabstand........................................................................... 55
3.3.3 Schaltzeiten........................................................................................... 56
3.4 Bausteinfamilien............................................................................................... 58
3.4.1 Transistor Transistor Logik (TTL)....................................................... 58
3.4.1.1 Digitale Schaltungen in Standard TTL.................................... 58
3.4.1.2 Digitale Schaltungen in Schottky TTL.................................... 59
3.4.1.3 TTL Schaltungen mit spezieller Ausgangsstufe...................... 61
3.4.1.4 Realisierung der Pegel Zustände an TTL Eingängen.............. 63
3.4.2 Integrierte Schaltungen in MOS Technik............................................. 66
3.4.3 Emitter Coupled Logic (ECL)............................................................... 71
3.4.4 Trends bei der technologischen Weiterentwicklung............................. 73
3.5 Anwenderspezifische Bausteine (Application Specific ICs)............................ 73
3.5.1 Fullcustom ICs...................................................................................... 74
3.5.2 Gate Array............................................................................................. 74
3.5.3 Standardzellen IC.................................................................................. 75
3.6 Programmierbare Logik.................................................................................... 75
3.6.1 Programmable Logic Device PLD........................................................ 76
3.6.2 Complex Programmable Logic Device (CPLD)................................... 82
3.6.3 Field Programmable Gate Array FPGA................................................ 84
3.6.3.1 Allgemeiner Aufbau eines FPGAs.......................................... 84
3.6.3.2 FPGA mit Antifuse Link......................................................... 85
3.6.3.3 FPGA mit SRAM Verbindungselement.................................. 87
4 VHDL als Entwurfs und Simulationssprache..................................................... 95
4.1 Einführung in VHDL........................................................................................ 95
4.2 Motivation zum Erlernen von VHDL in einem Grundkurs.............................. 95
4.3 Grundlagen....................................................................................................... 96
4.4 Entity Deklaration............................................................................................ 97
4.4.1 Einfache Entity Deklaration ohne Parameterübergabe......................... 100
4.4.2 Erweiterte Entity Deklaration mit Parameterübergabe......................... 101
4.4.3 Entity Declaration mit Entity Anweisungen......................................... 101
4.5 Architecture...................................................................................................... 102
4.5.1 Verhaltensbeschreibung (Behavioral description)................................ 102
4.5.2 Nebenläufige Anweisungen in der Verhaltensbeschreibung................. 102
4.5.2.1 Nebenläufige Signalzuweisung............................................... 103
4.5.2.2 When Else Anweisung............................................................ 104
4.5.2.3 With Select When Anweisung................................................ 104
4.5.2.4 Anwendungsbeispiele mit nebenläufigen Anweisungen......... 105
4.5.3 Prozess Anweisung............................................................................... 107
4.5.4 Sequentielle Anweisungen in der Verhaltensbeschreibung................... 108
4.5.4.1 Sequentielle Signalzuweisung................................................. 108
4.5.4.2 Sequentielle Variablenzuweisung............................................ 109
4.5.4.3 If Then Else Anweisung......................................................... 109
4.5.4.4 Case When Anweisung........................................................... 109
4.5.4.5 For Loop Anweisung.............................................................. 110
4.5.4.6 While Loop Anweisung.......................................................... 110
4.5.4.7 Next und Exit Anweisung...................................................... 110
4.5.4.8 Anwendungsbeispiele mit Prozess
und sequentiellen Anweisungen.............................................. 110
4.5.5 Strukturbeschreibung (Structural description)...................................... 111
4.6 Unterprogramme.............................................................................................. 114
Inhaltsverzeichnis XI
4.6.1 Prozeduren............................................................................................. 114
4.6.2 Funktionen............................................................................................. 115
4.7 Weiterführende Kapitel.................................................................................... 117
4.7.1 Assertion und Report Anweisung........................................................ 117
4.7.2 Alias Deklaration.................................................................................. 118
4.7.3 Überladen (Overloading)....................................................................... 118
4.7.4 Auflösungsfunktionen (Resolution functions)....................................... 119
4.7.5 Package und Use Anweisung................................................................ 119
4.7.6 Bibliotheken.......................................................................................... 122
4.7.7 Generate Anweisung............................................................................. 122
4.7.8 Block Anweisung.................................................................................. 123
4.7.9 Konfiguration........................................................................................ 123
4.7.9.1 Konfiguration für VHDL Modelle
mit Verhaltensbeschreibung.................................................... 124
4.7.9.2 Komponenten Konfiguration................................................... 124
4.7.9.3 Block Konfiguration................................................................ 126
4.8 VHDL Grundbegriffe zum Nachschlagen........................................................ 128
4.8.1 Bezeichner (Identifier)........................................................................... 128
4.8.2 Datenobjekte und Objektklassen........................................................... 129
4.8.2.1 Konstanten............................................................................... 130
4.8.2.2 Variablen................................................................................. 130
4.8.2.3 Signale..................................................................................... 130
4.8.3 Datentypen............................................................................................ 131
4.8.3.1 Skalare Datentypen (Scalar types)........................................... 132
4.8.3.2 Zusammengesetzte Datentypen (Composite types)................. 134
4.8.3.3 Subtypes.................................................................................. 137
4.8.3.4 Attribute................................................................................... 138
4.8.4 Operatoren und Operanden.................................................................... 139
4.9 Testen von VHDL Modellen............................................................................ 141
4.9.1 Simulationstechniken............................................................................ 141
4.9.2 Testbench mit Testvektoren.................................................................. 142
4.9.3 Testbench mit Ein und Ausgabedatei................................................... 145
5 Kombinatorische Schaltungen............................................................................... 151
5.1 Codierschaltungen............................................................................................ 151
5.1.1 Alphanumerischer Code........................................................................ 151
5.1.2 Numerischer Code................................................................................. 152
5.2 Multiplexer und Demultiplexer........................................................................ 157
5.2.1 Multiplexer............................................................................................ 157
5.2.2 Demultiplexer........................................................................................ 159
5.3 Addierer .......................................................................................................... 160
6 Sequentielle Schaltungen............................................................................. 165
6.1 Elementare Schaltwerke................................................................................... 165
6.1.1 Digitale Oszillatoren.............................................................................. 165
6.1.2 Monostabile Kippstufen (Monoflops)................................................... 168
6.1.3 Bistabile Kippstufen (Flipflops)............................................................ 169
6.1.3.1 Ungetaktetes RS Flipflop (RS Latch)..................................... 170
6.1.3.2 Einzustandsgesteuerte Flipflops.............................................. 173
6.1.3.3 Einflankengesteuerte Flipflops................................................ 175
6.2 Zähler .......................................................................................................... 184
XII Inhaltsverzeichnis
6.2.1 Asynchrone Zähler................................................................................ 184
6.2.1.1 Asynchroner Dualzähler.......................................................... 185
6.2.1.2 Asynchroner Modulo m Zähler............................................... 187
6.2.2 Synchrone Zähler.................................................................................. 188
6.2.2.1 Synchroner Dualzähler............................................................ 189
6.2.2.2 Synchroner Modulo m Zähler................................................. 194
6.3 Schieberegister................................................................................................. 196
6.3.1 Realisierung mit flankengesteuerten D Flipflops.................................. 197
6.3.2 Anwendungsgebiete.............................................................................. 199
6.3.2.1 Serielle Datenübertragung....................................................... 199
6.3.2.2 Rechenoperationen.................................................................. 199
6.3.2.3 Rückgekoppelte Schieberegister............................................. 200
6.4 Systematische Beschreibung der Schaltwerke.................................................. 202
6.4.1 Grundlagen der Automatentheorie........................................................ 202
6.4.2 Das Zustandsdiagramm und die Zustandsfolgetabelle.......................... 204
6.4.2.1 Zustandsdiagramm.................................................................. 204
6.4.2.2 Zustandsfolgetabelle................................................................ 206
6.4.2.3 Zustandsreduzierung............................................................... 208
6.5 Asynchrone Schaltwerke.................................................................................. 209
6.6 Grundlagen synchroner Schaltwerke................................................................ 211
6.6.1 Reset Logik zur Vorgabe des Anfangszustands.................................... 211
6.6.2 Asynchrone und synchrone Eingabe..................................................... 212
6.6.3 Kombinatorische Ausgabe und Registerausgabe.................................. 213
6.7 Beispiel für die Analyse synchroner Schaltwerke............................................ 214
6.8 Beispiele für den Entwurf synchroner Schaltwerke......................................... 216
Digitale Halbleiterspeicher.....................................................................................227
7.1 SchreuV/Lesespeicher (RAM).......................................................................... 228
7.1.1 Statisches RAM (SRAM)...................................................................... 229
7.1.2 Dynamisches RAM (DRAM)................................................................ 232
7.1.3 Das Fast Page Mode DRAM (FPM DRAM).......................................237
7.1.4 Das Enhanced DRAM (EDRAM)......................................................... 238
7.1.5 Das Extended Data Output DRAM (EDO DRAM)............................. 239
7.1.6 Burst Extended Data Output DRAM (BEDO DRAM)......................... 240
7.1.7 Das Synchrone DRAM (SDRAM)........................................................ 240
7.1.8 Das Enhanced SDRAM (ESDRAM).................................................... 243
7.1.9 Das Double Data Rate SDRAM (DDR SDRAM)................................. 244
7.1.10 Das Quad Data Rate SDRAM (QDR SDRAM).................................... 249
7.1.11 Quasistatisches dynamisches RAM....................................................... 252
7.1.12 Dual Port RAM und Video RAM........................................................ 253
7.1.13 First In/First Out Speicher (FIFO Speicher)........................................ 256
7.1.14 Das FRAM............................................................................................ 259
7.1.15 Das MRAM........................................................................................... 264
7.2 Festwertspeicher (ROM).................................................................................. 267
7.2.1 Maskenprogrammiertes ROM............................................................... 267
7.2.2 Programmierbares ROM (PROM)........................................................ 269
7.2.3 UV löschbares, programmierbares ROM (EPROM)............................ 269
7.2.4 Elektrisch löschbare, programmierbare ROMs
(EAROM, EEPROM)........................................................................... 270
7.2.5 Nichtflüchtige RAMs (Non Volatile RAMs, NOVRAMs)................... 272
7.2.6 Flash Speicher (Flash Memory)............................................................ 273
Inhaltsverzeichnis XIII
7.3 Entwurf komplexer Speichersysteme............................................................... 276
7.4 Tabellarische Übersicht über verfugbare Speicherbausteine............................280
8 Analog Digital und Digital Analog Umsetzer......................................................283
8.1 Das Wesen von Analog Digital Umsetzern......................................................283
8.2 Anwendungen von Analog Digital und Digital Analog Umsetzern...............286
8.3 Systeme zur Umsetzung analoger in digitale Signale und
digitaler in analoge Signale..............................................................................287
8.3.1 Das Abtasttheorem................................................................................288
8.3.2 Das Abtasthalteglied (AHG).................................................................289
8.3.2.1 Forderungen an ein Abtasthalteglied
während der Abtastphase......................................................... 292
8.3.2.2 Forderungen an ein Abtasthalteglied
während der Haltephase...........................................................292
8.3.2.3 Forderungen an ein Abtasthalteglied bezüglich
der Umschaltcharakteristik......................................................294
8.3.3 Erreichbare Genauigkeit für ADUs mit einer Codewortlänge
von n Bit................................................................................................297
8.3.4 Digitalcodes für ADUs und DAUs........................................................ 299
8.4 Prinzipien der Analog Digital Umsetzung....................................................... 301
8.4.1 Das Parallelverfahren............................................................................301
8.4.2 Das Wägeverfahren............................................................................... 303
8.4.2.1 Analog Digital Umsetzer mit sukzessiver Approximation......305
8.4.2.2 Analog Digital Umsetzer nach dem Wägeprinzip
in Kaskadenstruktur................................................................. 306
8.4.3 Das Zählverfahren.................................................................................308
8.4.4 Das erweiterte Parallelverfahren...........................................................309
8.4.4.1 Das allgemeine Prinzip des erweiterten Parallelverfahrens..... 309
8.4.4.2 Der Pipeline Analog Digital Umsetzer................................... 313
8.4.5 Das erweiterte Zählverfahren................................................................ 315
8.4.6 Sonderformen von Analog Digital Umsetzern...................................... 316
8.4.6.1 Indirekte Verfahren.................................................................. 316
8.4.6.2 Der Sigma Delta Umsetzer..................................................... 321
8.4.6.3 Die nichtlineare Analog Digital Umsetzung........................... 323
8.5 Prinzipien der Digital Analog Umsetzung....................................................... 324
8.5.1 Die Summation gewichteter Ströme...................................................... 325
8.5.2 Umsetzer mit R 2R Leiternetzwerk...................................................... 326
8.6 Eigenschaften realer AD und DA Umsetzer...................................................328
8.6.1 Statische Fehler..................................................................................... 328
8.6.1.1 Die Quantisierungsfehler......................................................... 328
8.6.1.2 Der Offsetfehler....................................................................... 330
8.6.1.3 Der Verstärkungsfehler............................................................ 330
8.6.1.4 Die Nichtlinearität................................................................... 331
8.6.1.5 Die differentielle Nichtlinearität..............................................331
8.6.1.6 Der Monotoniefehler...............................................................332
8.6.1.7 Die Betriebsspannungsabhängigkeit der Wandlerparameter... 332
8.6.2 Dynamische Fehler................................................................................ 332
8.6.2.1 Die Einschwingzeit..................................................................333
8.6.2.2 Der Signal Rausch Abstand und die Effektive Auflösung......333
8.6.2.3 Harmonische Verzerrungen.....................................................334
8.6.2.4 Das Histogramm...................................................................... 335
XIV Inhaltsverzeichnis
8.6.2.5 Glitch Fläche........................................................................... 336
8.7 Betrieb von Analog Digital Umsetzern............................................................ 336
8.7.1 Betrieb von Universal Analog Digital Umsetzern................................ 336
8.7.2 Betrieb von Analog Digital Umsetzern
mit Mikroprozessor Interface................................................................ 338
9 Mikroprozessoren und MikroController............................................................... 343
9.1 Grundlagen der Mikroprozessortechnik........................................................... 343
9.2 Anwendungsbereiche und Trends.................................................................... 345
9.3 Die Struktur eines Mikrorechners..................................................................... 347
9.4 Aufbau und Funktion eines 8 Bit Mikroprozessors......................................... 351
9.4.1 Die Hardware Struktur des Mikroprozessors 8085............................... 352
9.4.2 Die Arbeitsweise des Mikroprozessors 8085........................................ 356
9.4.2.1 Die zeitliche Struktur der Befehlsausführung.......................... 356
9.4.2.2 Beispiel für einen Befehlszyklus im Liniendiagramm............ 359
9.5 Aufbau und Funktion des MikroControllers 8051............................................ 360
9.5.1 Die Hardware des Mikrocontrollers 8051............................................. 361
9.5.
9.5.
9.5.
9.5.
9.5.
9.5.
9.5.
.1 Die Zentraleinheit.................................................................... 363
.2 Die Speichereinheit................................................................. 363
.3 Parallele I/O Ports (8 Bit)........................................................ 372
.4 Die Timer des Mikrocontrollers 8051..................................... 376
.5 Grundlagen der seriellen Datenübertragung gemäß V.24
undRS 232C........................................................................... 380
.6 Die serielle Schnittstelle des Mikrocontrollers 8051............... 384
.7 Interrupts des Mikrocontrollers 8051...................................... 386
9.5.1.8 Betriebsarten mit reduziertem Stromverbrauch beim
Controller 80C51..................................................................... 403
9.5.1.9 Die Anschluss Belegung des Mikrocontrollers 8051.............. 404
9.5.2 Die zeitliche Struktur bei der Befehlsausführung................................. 405
9.5.3 Die Software Struktur des Mikrocontrollers 8051................................ 410
9.5.3.1 Die Adressierungsarten des Mikrocontrollers 8051................ 410
9.5.3.2 Der Befehlssatz des Mikrocontrollers 8051............................ 411
9.5.4 Die modulare Programmentwicklung für den Mikrocontrollers 8051.. 425
9.5.4.1 Prinzipien des Software Engineering...................................... 425
9.5.4.2 Der Mikrocomputer Design Zyklus........................................ 429
9.5.4.3 Beispiele für 8051 Assembler und C Programme................ 449
9.5.4.4 Die Einbindung von Assemblerroutinen in C Programme...... 459
9.6 Die Mikrocontroller Familie MCS51............................................................... 465
9.6.1 Der 8 Bit Mikrocontroller 80515 mit internem Analog
Digital Umsetzer................................................................................... 466
9.6.2 Mikrocontroller Applikationen............................................................. 467
10 Übungsaufgaben mit Lösungen.............................................................................. 471
Aufgabe 1: Minimieren logischer Gleichungen..;............................................... 472
Aufgabe 2: Minimieren logischer Gleichungen.................................................. 472
Aufgabe 3: Minimieren logischer Gleichungen.................................................. 472
Aufgabe 4: Minimieren logischer Gleichungen.................................................. 473
Aufgabe 5: Entwurf eines 2 Bit Vergleichers..................................................... 474
Aufgabe 6: Schaltnetz zur Wasserstandsregelung.............................................. 475
Aufgabe 7: Widerstandsdimensionierung für Gatter mit offenem Kollektor...... 477
Aufgabe 8: Ansteuerung von Leuchtdioden....................................................... 477
Inhaltsverzeichnis
XV
Aufgabe 9: VHDL Entwurf eines Addierers,
Test mit einer Testbench mit Testvektoren......................................479
Aufgabe 10: Darstellung von Hexadezimalziffern auf einer 7 Segment Anzeige... 482
Aufgabe 11: Zustands und flankengesteuertes D Flipflop................................... 484
Aufgabe 12: Analyse eines Schaltwerks mit D Flipflops..................................... 485
Aufgabe 13: Entwurf eines JK und eines T Flipflops mit Hilfe eines D Flipflops. 486
Aufgabe 14: Steuerung einer Ampelanlage...........................................................487
Aufgabe 15: Testbench für einen synchronen Dualzähler..................................... 490
Aufgabe 16: VHDL Entwurf des programmierbaren Synchronzählers 74163.....495
Aufgabe 17: Synchroner Modulo 5 Zähler...........................................................496
Aufgabe 18: Entwurf eines synchronen Schaltwerks (Moore Automat)..............499
Aufgabe 19: Entwurf eines synchronen Schaltwerks (Mealy Automat)............... 503
Aufgabe 20: Entwurf eines synchronen Schaltwerks mit Registerausgabe........... 508
Aufgabe21: Entwurf eines SRAMs lKix 8 Bit (VHDL Modell mit Testbench)... 510
Aufgabe 22: Entwurf eines Speichersystems mit 8 Bit Wortbreite...................... 515
Aufgabe 23: Speichersystem mit 16 Bit Datenbus............................................... 519
Aufgabe 24: Mikrocontrollersystem mit externer Speichererweiterung............... 521
Aufgabe 25: Tastendecodierung mit dem MikroController 8051.......................... 522
11 Anhang..................................................................................................................... 529
11.1 Schaltsymbole in der Digitaltechnik................................................................. 529
11.1.1
11.1.2
11.1.3
Funktionsblöcke................................................................................... 529
Beschreibungsfelder............................................................................. 532
Abhängigkeitsnotation......................................................................... 533
11.1.3.1 UND Abhängigkeit (G)........................................................ 534
11.1.3.2 ODER Abhängigkeit (V)...................................................... 535
11.1.3.3 Negations Abhängigkeit (N)................................................. 535
11.1.3.4 Verbindungs Abhängigkeit (Z)............................................. 536
11.1.3.5 Setz und Rücksetz Abhängigkeit (S, R).............................. 536
11.1.3.6 Steuer Abhängigkeit (C)....................................................... 537
11.1.3.7 Freigabe Abhängigkeit (EN)................................................ 537
11.1.3.8 Mode Abhängigkeit (M)....................................................... 537
11.1.3.9 Adressen Abhängigkeit (A).................................................. 538
12 Literatur................................................................................................................... 543
13 Sachverzeichnis........................................................................................................547
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| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
1 Zahlensysteme. 1
1.1 Allgemeines Zahlensystem. 1
1.2 Dual , Oktal und Hexadezimalsystem. 2
1.3 Konvertierung zwischen den Zahlensystemen. 3
1.4 Arithmetische Operationen im Dualsystem. 5
1.4.1 Die duale Addition. 5
1.4.2 Die duale Subtraktion. 5
1.4.3 Die Multiplikation von Dualzahlen (Booth Algorithmus). 10
1.4.4 Die Division von Dualzahlen (Restoring Methode). 11
1.5 Die Darstellung gebrochener Zahlen im Dualsystem. 13
1.6 Binäre Vorsätze für Zweierpotenzen. 15
2 Logische Funktionen. 17
2.1 Grundbegriffe. 17
2.1.1 Logik Pegel und Logik Zustand einer binären Variablen. 17
2.1.2 Zuordnungssysteme. 18
2.1.3 Signalnamen in der Digitaltechnik. 22
2.2 Vergleich zwischen analoger und digitaler physikalischer Größe. 22
2.3 Schaltalgebra. 24
2.3.1 Verknüpfungszeichen. 24
2.3.2 Definition der logischen Funktionen. 26
2.3.3 Schaltsymbole. 27
2.3.4 Rechenregeln der Schaltalgebra. 30
2.3.5 Logikstufen. 32
2.3.6 Realisierung der Grundverknüpfungen in NAND
und NOR Technik. 33
2.3.7 Normalform einer logischen Funktion. 35
2.4 Minimieren logischer Funktionen. 37
2.4.1 Allgemeines. 37
2.4.2 Minimierungsverfahren. 39
2.4.3 Karnaugh Veitch Diagramm (KV Diagramm). 40
2.4.3.1 KV Diagramm für zwei Eingangsvariablen. 41
2.4.3.2 KV Diagramm für drei Eingangsvariablen. 43
2.4.3.3 KV Diagramm für vier Eingangsvariablen. 46
2.4.3.4 KV Diagramm für fünf Eingangsvariablen. 48
3 Technische Realisierung digitaler Schaltungen 51
3.1 Überblick über die technologische Entwicklung. 51
3.2 Realisierungskonzepte nach Einfuhrung integrierter Schaltkreise. 51
3.3 Charakteristische Eigenschaften digitaler integrierter Schaltkreise. 54
3.3.1 Lastfaktoren. 55
Inhaltsverzeichnis
3.3.2 Störspannungsabstand. 55
3.3.3 Schaltzeiten. 56
3.4 Bausteinfamilien. 58
3.4.1 Transistor Transistor Logik (TTL). 58
3.4.1.1 Digitale Schaltungen in Standard TTL. 58
3.4.1.2 Digitale Schaltungen in Schottky TTL. 59
3.4.1.3 TTL Schaltungen mit spezieller Ausgangsstufe. 61
3.4.1.4 Realisierung der Pegel Zustände an TTL Eingängen. 63
3.4.2 Integrierte Schaltungen in MOS Technik. 66
3.4.3 Emitter Coupled Logic (ECL). 71
3.4.4 Trends bei der technologischen Weiterentwicklung. 73
3.5 Anwenderspezifische Bausteine (Application Specific ICs). 73
3.5.1 Fullcustom ICs. 74
3.5.2 Gate Array. 74
3.5.3 Standardzellen IC. 75
3.6 Programmierbare Logik. 75
3.6.1 Programmable Logic Device PLD. 76
3.6.2 Complex Programmable Logic Device (CPLD). 82
3.6.3 Field Programmable Gate Array FPGA. 84
3.6.3.1 Allgemeiner Aufbau eines FPGAs. 84
3.6.3.2 FPGA mit Antifuse Link. 85
3.6.3.3 FPGA mit SRAM Verbindungselement. 87
4 VHDL als Entwurfs und Simulationssprache. 95
4.1 Einführung in VHDL. 95
4.2 Motivation zum Erlernen von VHDL in einem Grundkurs. 95
4.3 Grundlagen. 96
4.4 Entity Deklaration. 97
4.4.1 Einfache Entity Deklaration ohne Parameterübergabe. 100
4.4.2 Erweiterte Entity Deklaration mit Parameterübergabe. 101
4.4.3 Entity Declaration mit Entity Anweisungen. 101
4.5 Architecture. 102
4.5.1 Verhaltensbeschreibung (Behavioral description). 102
4.5.2 Nebenläufige Anweisungen in der Verhaltensbeschreibung. 102
4.5.2.1 Nebenläufige Signalzuweisung. 103
4.5.2.2 When Else Anweisung. 104
4.5.2.3 With Select When Anweisung. 104
4.5.2.4 Anwendungsbeispiele mit nebenläufigen Anweisungen. 105
4.5.3 Prozess Anweisung. 107
4.5.4 Sequentielle Anweisungen in der Verhaltensbeschreibung. 108
4.5.4.1 Sequentielle Signalzuweisung. 108
4.5.4.2 Sequentielle Variablenzuweisung. 109
4.5.4.3 If Then Else Anweisung. 109
4.5.4.4 Case When Anweisung. 109
4.5.4.5 For Loop Anweisung. 110
4.5.4.6 While Loop Anweisung. 110
4.5.4.7 Next und Exit Anweisung. 110
4.5.4.8 Anwendungsbeispiele mit Prozess
und sequentiellen Anweisungen. 110
4.5.5 Strukturbeschreibung (Structural description). 111
4.6 Unterprogramme. 114
Inhaltsverzeichnis XI
4.6.1 Prozeduren. 114
4.6.2 Funktionen. 115
4.7 Weiterführende Kapitel. 117
4.7.1 Assertion und Report Anweisung. 117
4.7.2 Alias Deklaration. 118
4.7.3 Überladen (Overloading). 118
4.7.4 Auflösungsfunktionen (Resolution functions). 119
4.7.5 Package und Use Anweisung. 119
4.7.6 Bibliotheken. 122
4.7.7 Generate Anweisung. 122
4.7.8 Block Anweisung. 123
4.7.9 Konfiguration. 123
4.7.9.1 Konfiguration für VHDL Modelle
mit Verhaltensbeschreibung. 124
4.7.9.2 Komponenten Konfiguration. 124
4.7.9.3 Block Konfiguration. 126
4.8 VHDL Grundbegriffe zum Nachschlagen. 128
4.8.1 Bezeichner (Identifier). 128
4.8.2 Datenobjekte und Objektklassen. 129
4.8.2.1 Konstanten. 130
4.8.2.2 Variablen. 130
4.8.2.3 Signale. 130
4.8.3 Datentypen. 131
4.8.3.1 Skalare Datentypen (Scalar types). 132
4.8.3.2 Zusammengesetzte Datentypen (Composite types). 134
4.8.3.3 Subtypes. 137
4.8.3.4 Attribute. 138
4.8.4 Operatoren und Operanden. 139
4.9 Testen von VHDL Modellen. 141
4.9.1 Simulationstechniken. 141
4.9.2 Testbench mit Testvektoren. 142
4.9.3 Testbench mit Ein und Ausgabedatei. 145
5 Kombinatorische Schaltungen. 151
5.1 Codierschaltungen. 151
5.1.1 Alphanumerischer Code. 151
5.1.2 Numerischer Code. 152
5.2 Multiplexer und Demultiplexer. 157
5.2.1 Multiplexer. 157
5.2.2 Demultiplexer. 159
5.3 Addierer . 160
6 Sequentielle Schaltungen. 165
6.1 Elementare Schaltwerke. 165
6.1.1 Digitale Oszillatoren. 165
6.1.2 Monostabile Kippstufen (Monoflops). 168
6.1.3 Bistabile Kippstufen (Flipflops). 169
6.1.3.1 Ungetaktetes RS Flipflop (RS Latch). 170
6.1.3.2 Einzustandsgesteuerte Flipflops. 173
6.1.3.3 Einflankengesteuerte Flipflops. 175
6.2 Zähler . 184
XII Inhaltsverzeichnis
6.2.1 Asynchrone Zähler. 184
6.2.1.1 Asynchroner Dualzähler. 185
6.2.1.2 Asynchroner Modulo m Zähler. 187
6.2.2 Synchrone Zähler. 188
6.2.2.1 Synchroner Dualzähler. 189
6.2.2.2 Synchroner Modulo m Zähler. 194
6.3 Schieberegister. 196
6.3.1 Realisierung mit flankengesteuerten D Flipflops. 197
6.3.2 Anwendungsgebiete. 199
6.3.2.1 Serielle Datenübertragung. 199
6.3.2.2 Rechenoperationen. 199
6.3.2.3 Rückgekoppelte Schieberegister. 200
6.4 Systematische Beschreibung der Schaltwerke. 202
6.4.1 Grundlagen der Automatentheorie. 202
6.4.2 Das Zustandsdiagramm und die Zustandsfolgetabelle. 204
6.4.2.1 Zustandsdiagramm. 204
6.4.2.2 Zustandsfolgetabelle. 206
6.4.2.3 Zustandsreduzierung. 208
6.5 Asynchrone Schaltwerke. 209
6.6 Grundlagen synchroner Schaltwerke. 211
6.6.1 Reset Logik zur Vorgabe des Anfangszustands. 211
6.6.2 Asynchrone und synchrone Eingabe. 212
6.6.3 Kombinatorische Ausgabe und Registerausgabe. 213
6.7 Beispiel für die Analyse synchroner Schaltwerke. 214
6.8 Beispiele für den Entwurf synchroner Schaltwerke. 216
Digitale Halbleiterspeicher.227
7.1 SchreuV/Lesespeicher (RAM). 228
7.1.1 Statisches RAM (SRAM). 229
7.1.2 Dynamisches RAM (DRAM). 232
7.1.3 Das Fast Page Mode DRAM (FPM DRAM).237
7.1.4 Das Enhanced DRAM (EDRAM). 238
7.1.5 Das Extended Data Output DRAM (EDO DRAM). 239
7.1.6 Burst Extended Data Output DRAM (BEDO DRAM). 240
7.1.7 Das Synchrone DRAM (SDRAM). 240
7.1.8 Das Enhanced SDRAM (ESDRAM). 243
7.1.9 Das Double Data Rate SDRAM (DDR SDRAM). 244
7.1.10 Das Quad Data Rate SDRAM (QDR SDRAM). 249
7.1.11 Quasistatisches dynamisches RAM. 252
7.1.12 Dual Port RAM und Video RAM. 253
7.1.13 First In/First Out Speicher (FIFO Speicher). 256
7.1.14 Das FRAM. 259
7.1.15 Das MRAM. 264
7.2 Festwertspeicher (ROM). 267
7.2.1 Maskenprogrammiertes ROM. 267
7.2.2 Programmierbares ROM (PROM). 269
7.2.3 UV löschbares, programmierbares ROM (EPROM). 269
7.2.4 Elektrisch löschbare, programmierbare ROMs
(EAROM, EEPROM). 270
7.2.5 Nichtflüchtige RAMs (Non Volatile RAMs, NOVRAMs). 272
7.2.6 Flash Speicher (Flash Memory). 273
Inhaltsverzeichnis XIII
7.3 Entwurf komplexer Speichersysteme. 276
7.4 Tabellarische Übersicht über verfugbare Speicherbausteine.280
8 Analog Digital und Digital Analog Umsetzer.283
8.1 Das Wesen von Analog Digital Umsetzern.283
8.2 Anwendungen von Analog Digital und Digital Analog Umsetzern.286
8.3 Systeme zur Umsetzung analoger in digitale Signale und
digitaler in analoge Signale.287
8.3.1 Das Abtasttheorem.288
8.3.2 Das Abtasthalteglied (AHG).289
8.3.2.1 Forderungen an ein Abtasthalteglied
während der Abtastphase. 292
8.3.2.2 Forderungen an ein Abtasthalteglied
während der Haltephase.292
8.3.2.3 Forderungen an ein Abtasthalteglied bezüglich
der Umschaltcharakteristik.294
8.3.3 Erreichbare Genauigkeit für ADUs mit einer Codewortlänge
von n Bit.297
8.3.4 Digitalcodes für ADUs und DAUs. 299
8.4 Prinzipien der Analog Digital Umsetzung. 301
8.4.1 Das Parallelverfahren.301
8.4.2 Das Wägeverfahren. 303
8.4.2.1 Analog Digital Umsetzer mit sukzessiver Approximation.305
8.4.2.2 Analog Digital Umsetzer nach dem Wägeprinzip
in Kaskadenstruktur. 306
8.4.3 Das Zählverfahren.308
8.4.4 Das erweiterte Parallelverfahren.309
8.4.4.1 Das allgemeine Prinzip des erweiterten Parallelverfahrens. 309
8.4.4.2 Der Pipeline Analog Digital Umsetzer. 313
8.4.5 Das erweiterte Zählverfahren. 315
8.4.6 Sonderformen von Analog Digital Umsetzern. 316
8.4.6.1 Indirekte Verfahren. 316
8.4.6.2 Der Sigma Delta Umsetzer. 321
8.4.6.3 Die nichtlineare Analog Digital Umsetzung. 323
8.5 Prinzipien der Digital Analog Umsetzung. 324
8.5.1 Die Summation gewichteter Ströme. 325
8.5.2 Umsetzer mit R 2R Leiternetzwerk. 326
8.6 Eigenschaften realer AD und DA Umsetzer.328
8.6.1 Statische Fehler. 328
8.6.1.1 Die Quantisierungsfehler. 328
8.6.1.2 Der Offsetfehler. 330
8.6.1.3 Der Verstärkungsfehler. 330
8.6.1.4 Die Nichtlinearität. 331
8.6.1.5 Die differentielle Nichtlinearität.331
8.6.1.6 Der Monotoniefehler.332
8.6.1.7 Die Betriebsspannungsabhängigkeit der Wandlerparameter. 332
8.6.2 Dynamische Fehler. 332
8.6.2.1 Die Einschwingzeit.333
8.6.2.2 Der Signal Rausch Abstand und die Effektive Auflösung.333
8.6.2.3 Harmonische Verzerrungen.334
8.6.2.4 Das Histogramm. 335
XIV Inhaltsverzeichnis
8.6.2.5 Glitch Fläche. 336
8.7 Betrieb von Analog Digital Umsetzern. 336
8.7.1 Betrieb von Universal Analog Digital Umsetzern. 336
8.7.2 Betrieb von Analog Digital Umsetzern
mit Mikroprozessor Interface. 338
9 Mikroprozessoren und MikroController. 343
9.1 Grundlagen der Mikroprozessortechnik. 343
9.2 Anwendungsbereiche und Trends. 345
9.3 Die Struktur eines Mikrorechners. 347
9.4 Aufbau und Funktion eines 8 Bit Mikroprozessors. 351
9.4.1 Die Hardware Struktur des Mikroprozessors 8085. 352
9.4.2 Die Arbeitsweise des Mikroprozessors 8085. 356
9.4.2.1 Die zeitliche Struktur der Befehlsausführung. 356
9.4.2.2 Beispiel für einen Befehlszyklus im Liniendiagramm. 359
9.5 Aufbau und Funktion des MikroControllers 8051. 360
9.5.1 Die Hardware des Mikrocontrollers 8051. 361
9.5.
9.5.
9.5.
9.5.
9.5.
9.5.
9.5.
.1 Die Zentraleinheit. 363
.2 Die Speichereinheit. 363
.3 Parallele I/O Ports (8 Bit). 372
.4 Die Timer des Mikrocontrollers 8051. 376
.5 Grundlagen der seriellen Datenübertragung gemäß V.24
undRS 232C. 380
.6 Die serielle Schnittstelle des Mikrocontrollers 8051. 384
.7 Interrupts des Mikrocontrollers 8051. 386
9.5.1.8 Betriebsarten mit reduziertem Stromverbrauch beim
Controller 80C51. 403
9.5.1.9 Die Anschluss Belegung des Mikrocontrollers 8051. 404
9.5.2 Die zeitliche Struktur bei der Befehlsausführung. 405
9.5.3 Die Software Struktur des Mikrocontrollers 8051. 410
9.5.3.1 Die Adressierungsarten des Mikrocontrollers 8051. 410
9.5.3.2 Der Befehlssatz des Mikrocontrollers 8051. 411
9.5.4 Die modulare Programmentwicklung für den Mikrocontrollers 8051. 425
9.5.4.1 Prinzipien des Software Engineering. 425
9.5.4.2 Der Mikrocomputer Design Zyklus. 429
9.5.4.3 Beispiele für 8051 Assembler und C Programme. 449
9.5.4.4 Die Einbindung von Assemblerroutinen in C Programme. 459
9.6 Die Mikrocontroller Familie MCS51. 465
9.6.1 Der 8 Bit Mikrocontroller 80515 mit internem Analog
Digital Umsetzer. 466
9.6.2 Mikrocontroller Applikationen. 467
10 Übungsaufgaben mit Lösungen. 471
Aufgabe 1: Minimieren logischer Gleichungen.;. 472
Aufgabe 2: Minimieren logischer Gleichungen. 472
Aufgabe 3: Minimieren logischer Gleichungen. 472
Aufgabe 4: Minimieren logischer Gleichungen. 473
Aufgabe 5: Entwurf eines 2 Bit Vergleichers. 474
Aufgabe 6: Schaltnetz zur Wasserstandsregelung. 475
Aufgabe 7: Widerstandsdimensionierung für Gatter mit offenem Kollektor. 477
Aufgabe 8: Ansteuerung von Leuchtdioden. 477
Inhaltsverzeichnis
XV
Aufgabe 9: VHDL Entwurf eines Addierers,
Test mit einer Testbench mit Testvektoren.479
Aufgabe 10: Darstellung von Hexadezimalziffern auf einer 7 Segment Anzeige. 482
Aufgabe 11: Zustands und flankengesteuertes D Flipflop. 484
Aufgabe 12: Analyse eines Schaltwerks mit D Flipflops. 485
Aufgabe 13: Entwurf eines JK und eines T Flipflops mit Hilfe eines D Flipflops. 486
Aufgabe 14: Steuerung einer Ampelanlage.487
Aufgabe 15: Testbench für einen synchronen Dualzähler. 490
Aufgabe 16: VHDL Entwurf des programmierbaren Synchronzählers 74163.495
Aufgabe 17: Synchroner Modulo 5 Zähler.496
Aufgabe 18: Entwurf eines synchronen Schaltwerks (Moore Automat).499
Aufgabe 19: Entwurf eines synchronen Schaltwerks (Mealy Automat). 503
Aufgabe 20: Entwurf eines synchronen Schaltwerks mit Registerausgabe. 508
Aufgabe21: Entwurf eines SRAMs lKix 8 Bit (VHDL Modell mit Testbench). 510
Aufgabe 22: Entwurf eines Speichersystems mit 8 Bit Wortbreite. 515
Aufgabe 23: Speichersystem mit 16 Bit Datenbus. 519
Aufgabe 24: Mikrocontrollersystem mit externer Speichererweiterung. 521
Aufgabe 25: Tastendecodierung mit dem MikroController 8051. 522
11 Anhang. 529
11.1 Schaltsymbole in der Digitaltechnik. 529
11.1.1
11.1.2
11.1.3
Funktionsblöcke. 529
Beschreibungsfelder. 532
Abhängigkeitsnotation. 533
11.1.3.1 UND Abhängigkeit (G). 534
11.1.3.2 ODER Abhängigkeit (V). 535
11.1.3.3 Negations Abhängigkeit (N). 535
11.1.3.4 Verbindungs Abhängigkeit (Z). 536
11.1.3.5 Setz und Rücksetz Abhängigkeit (S, R). 536
11.1.3.6 Steuer Abhängigkeit (C). 537
11.1.3.7 Freigabe Abhängigkeit (EN). 537
11.1.3.8 Mode Abhängigkeit (M). 537
11.1.3.9 Adressen Abhängigkeit (A). 538
12 Literatur. 543
13 Sachverzeichnis.547 |
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Inhaltsverzeichnis
THWS Würzburg Zentralbibliothek Lesesaal
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| Exemplar 1 | ausleihbar Checked out – Rückgabe bis: 30.04.2025 Vormerken |