Digitaltechnik: ein Lehr- und Übungsbuch
Gespeichert in:
| Hauptverfasser: | , , |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
2012
|
| Ausgabe: | 6., bearb. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Extras im Web
Springer-Lehrbuch |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Zusätzliches Online-Angebot unter www.ecs.hs-osnabrueck.de/buch.html. - Literaturangaben |
| Beschreibung: | XIV, 491 S. graph. Darst. 24 cm |
| ISBN: | 3642208711 9783642208713 |
Internformat
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IMAGE 1
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) 12 1.5 DIE DARSTELLUNG
GEBROCHENER ZAHLEN IM DUALSYSTEM 14 1.6 BINAERE VORSAETZE FUER
ZWEIERPOTENZEN 15
2 LOGISCHE FUNKTIONEN 19
2.1 GRUNDBEGRIFFE 19
2.1.1 LOGIK-PEGEL UND LOGIK-ZUSTAND EINER BINAEREN VARIABLEN 19 2.1.2
ZUORDNUNGSSYSTEME 21
2.1.3 SIGNALNAMEN IN DER DIGITALTECHNIK 24
2.2 VERGLEICH ZWISCHEN ANALOGER UND DIGITALER PHYSIKALISCHER GROESSE 24
2.3 SCHALTALGEBRA 26
2.3.1 VERKNUEPFUNGSZEICHEN 26
2.3.2 DEFINITION DER LOGISCHEN FUNKTIONEN 28
2.3.3 SCHALTSYMBOLE 29
2.3.4 RECHENREGELN DER SCHALTALGEBRA 32
2.3.5 LOGIKSTUFEN 34
2.3.6 REALISIERUNG DER GRUNDVERKNUEPFUNGEN IN NAND- UND NOR-TECHNIK 35
2.3.7 NORMALFORM EINER LOGISCHEN FUNKTION 37
2.4 MINIMIEREN LOGISCHER FUNKTIONEN 39
2.4.1 ALLGEMEINES 39
2.4.2 MINIMIERUNGSVERFAHREN 41
2.4.3 KARNAUGH-VEITCH-DIAGRAMM (KV-DIAGRAMM) 42 2.4.3.1 KV-DIAGRAMM FUER
ZWEI EINGANGSVARIABLEN 43 2.4.3.2 KV-DIAGRAMM FUER DREI EINGANGSVARIABLEN
44 2.4.3.3 KV-DIAGRAMM FUER VIER EINGANGSVARIABLEN 47 2.4.3.4 KV-DIAGRAMM
FUER FUENF EINGANGSVARIABLEN 50
BIBLIOGRAFISCHE INFORMATIONEN HTTP://D-NB.INFO/1012630358
DIGITALISIERT DURCH
IMAGE 2
VIII INHALTSVERZEICHNIS
3 TECHNISCHE REALISIERUNG DIGITALER SCHALTUNGEN 53
3.1 UEBERBLICK UEBER DIE TECHNOLOGISCHE ENTWICKLUNG 53
3.2 REALISIERUNGSKONZEPTE NACH EINFUEHRUNG INTEGRIERTER SCHALTKREISE 54
3.3 CHARAKTERISTISCHE EIGENSCHAFTEN DIGITALER INTEGRIERTER SCHALTKREISE
56 3.3.1 LASTFAKTOREN 57
3.3.2 STOERSPANNUNGSABSTAND 57
3.3.3 SCHALTZEITEN 59
3.4 BAUSTEINFAMILIEN 60
3.4.1 TRANSISTOR-TRANSISTOR-LOGIK (TTL) 60
3.4.1.1 DIGITALE SCHALTUNGEN IN STANDARD-TTL 60
3.4.1.2 DIGITALE SCHALTUNGEN IN SCHOTTKY-TTL 61
3.4.1.3 TTL-SCHALTUNGEN MIT SPEZIELLER AUSGANGSSTUFE 63 3.4.1.4
REALISIERUNG DER PEGEL-ZUSTAENDE AN TTL-EINGAENGEN.65 3.4.2 INTEGRIERTE
SCHALTUNGEN IN MOS-TECHNIK 68
3.4.3 EMITTER COUPLED LOGIC (ECL) 73
3.4.4 TRENDS BEI DER TECHNOLOGISCHEN WEITERENTWICKLUNG 75 3.5
ANWENDERSPEZIFISCHE BAUSTEINE (APPLICATION SPECIFIC ICS) 75 3.5.1
FULLCUSTOM ICS 76
3.5.2 GATE ARRAY 76
3.5.3 STANDARDZELLEN IC 76
3.6 PROGRAMMIERBARE LOGIK 77
3.6.1 PROGRAMMABLE LOGIC DEVICE PLD 77
3.6.2 COMPLEX PROGRAMMABLE LOGIC DEVICE (CPLD) 84 3.6.3 FIELD
PROGRAMMABLE GATE ARRAY FPGA 85
3.6.3.1 ALLGEMEINER AUFBAU EINES FPGAS 85
3.6.3.2 FPGA MIT ANTIFUSE-LINK 86
3.6.3.3 FPGA MIT SRAM-VERBINDUNGSELEMENT 88
4 VHDL ALS ENTWURFS- UND SIMULATIONSSPRACHE 95
4.1 EINFUEHRUNG IN VHDL 95
4.2 MOTIVATION ZUM ERLERNEN VON VHDL IN EINEM GRUNDKURS 96 4.3
GRUNDLAGEN 96
4.4 ENTITY-DEKLARATION 97
4.4.1 EINFACHE ENTITY-DEKLARATION OHNE PARAMETERUEBERGABE 100 4.4.2
ERWEITERTE ENTITY-DEKLARATION MIT PARAMETERUEBERGABE 101 4.4.3
ENTITY-DECLARATION MIT ENTITY-ANWEISUNGEN 101
4.5 ARCHITECTURE 102
4.5.1 VERHALTENSBESCHREIBUNG (BEHAVIORAL DESCRIPTION) 102 4.5.2
NEBENLAEUFIGE ANWEISUNGEN IN DER VERHALTENSBESCHREIBUNG 103 4.5.2.1
NEBENLAEUFIGE 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 NEBENLAEUFIGEN ANWEISUNGEN 105
4.5.3 PROZESS-ANWEISUNG 107
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS IX
4.5.4 SEQUENTIELLE ANWEISUNGEN IN DER VERHALTENSBESCHREIBUNG 108 4.5.4.1
SEQUENTIELLE SIGNALZUWEISUNG 109
4.5.4.2 SEQUENTIELLE VARIABLENZUWEISUNG 109
4.5.4.3 IF-THEN-ELSE-ANWEISUNG 110
4.5.4.4 CASE-WHEN-ANWEISUNG 110
4.5.4.5 FOR-LOOP-ANWEISUNG 110
4.5.4.6 WHILE-LOOP-ANWEISUNG 111
4.5.4.7 NEXT- UND EXIT-ANWEISUNG 111
4.5.4.8 ANWENDUNGSBEISPIELE MIT PROZESS UND SEQUENTIELLEN ANWEISUNGEN
111
4.5.5 STRUKTURBESCHREIBUNG (STRUCTURAL DESCRIPTION) 112 4.6
UNTERPROGRAMME 115
4.6.1 PROZEDUREN 116
4.6.2 FUNKTIONEN 117
4.7 WEITERFUEHRENDE KAPITEL 119
4.7.1 ASSERTION- UND REPORT-ANWEISUNG 119
4.7.2 ALIAS-DEKLARATION 120
4.7.3 UEBERLADEN (OVERLOADING) 120
4.7.4 AUFLOESUNGSFUNKTIONEN (RESOLUTION FUNCTIONS) 121 4.7.5 PACKAGE UND
USE-ANWEISUNG 121
4.7.6 BIBLIOTHEKEN 124
4.7.7 GENERATE-ANWEISUNG 125
4.7.8 BLOCK-ANWEISUNG 125
4.7.9 KONFIGURATION 126
4.7.9.1 KONFIGURATION FUER VHDL-MODELLE MIT VERHALTENSBESCHREIBUNG 126
4.7.9.2 KOMPONENTEN-KONFIGURATION 127
4.7.9.3 BLOCK-KONFIGURATION 128
4.8 VHDL-GRUNDBEGRIFFE ZUM NACHSCHLAGEN 130
4.8.1 BEZEICHNER (IDENTIFIER) 131
4.8.2 DATENOBJEKTE UND OBJEKTKLASSEN 132
4.8.2.1 KONSTANTEN 132
4.8.2.2 VARIABLEN 132
4.8.2.3 SIGNALE 133
4.8.3 DATENTYPEN 133
4.8.3.1 SKALARE DATENTYPEN (SCALAR TYPES) 135
4.8.3.2 ZUSAMMENGESETZTE DATENTYPEN (COMPOSITE TYPES). 136 4.8.3.3
SUBTYPES 140
4.8.3.4 ATTRIBUTE 140
4.8.4 OPERATOREN UND OPERANDEN 141
4.9 TESTEN VON VHDL-MODELLEN 143
4.9.1 SIMULATIONSTECHNIKEN 143
4.9.2 TESTBENCH MIT TESTVEKTOREN 144
4.9.3 TESTBENCH MIT EIN- UND AUSGABEDATEI 147
IMAGE 4
INHALTSVERZEICHNIS
KOMBINATORISCHE SCHALTUNGEN 153
5.1 CODIERSCHALTUNGEN 153
5.1.1 ALPHANUMERISCHER CODE 153
5.1.2 NUMERISCHER CODE 154
5.2 MULTIPLEXER UND DEMULTIPLEXER 160
5.2.1 MULTIPLEXER 160
5.2.2 DEMULTIPLEXER 162
5.3 ADDIERER 163
SEQUENTIELLE SCHALTUNGEN 169
6.1 ELEMENTARE SCHALTWERKE 169
6.1.1 DIGITALE OSZILLATOREN 170
6.1.2 MONOSTABILE KIPPSTUFEN (MONOFLOPS) 173
6.1.3 BISTABILE KIPPSTUFEN (FLIPFLOPS) 174
6.1.3.1 UNGETAKTETES RS-FLIPFLOP (RS-LATCH) 175 6.1.3.2
EINZUSTANDSGESTEUERTE FLIPFLOPS 178
6.1.3.3 EINFLANKENGESTEUERTE FLIPFLOPS 180
6.2 ZAEHLER 189
6.2.1 ASYNCHRONE ZAEHLER 189
6.2.1.1 ASYNCHRONER DUALZAEHLER 189
6.2.1.2 ASYNCHRONER MODULO-M-ZAEHLER 191
6.2.2 SYNCHRONE ZAEHLER 193
6.2.2.1 SYNCHRONER DUALZAEHLER 193
6.2.2.2 SYNCHRONER MODULO-M-ZAEHLER 198
6.3 SCHIEBEREGISTER 201
6.3.1 REALISIERUNG MIT FLANKENGESTEUERTEN D-FLIPFLOPS 201 6.3.2
ANWENDUNGSGEBIETE 203
6.3.2.1 SERIELLE DATENUEBERTRAGUNG 203
6.3.2.2 RECHENOPERATIONEN 203
6.3.2.3 RUECKGEKOPPELTE SCHIEBEREGISTER 204
6.4 SYSTEMATISCHE BESCHREIBUNG DER SCHALTWERKE 206
6.4.1 GRUNDLAGEN DER AUTOMATENTHEORIE 206
6.4.2 DAS ZUSTANDSDIAGRAMM UND DIE ZUSTANDSFOLGETABELLE 208 6.4.2.1
ZUSTANDSDIAGRAMM 208
6.4.2.2 ZUSTANDSFOLGETABELLE 210
6.4.2.3 ZUSTANDSREDUZIERUNG 212
6.5 ASYNCHRONE SCHALTWERKE 213
6.6 GRUNDLAGEN SYNCHRONER SCHALTWERKE 215
6.6.1 RESET-LOGIK ZUR VORGABE DES ANFANGSZUSTANDS 215 6.6.2 ASYNCHRONE
UND SYNCHRONE EINGABE 216
6.6.3 KOMBINATORISCHE AUSGABE UND REGISTERAUSGABE 217 6.7 BEISPIEL FUER
DIE ANALYSE SYNCHRONER SCHALTWERKE 218
6.8 BEISPIELE FUER DEN ENTWURF SYNCHRONER SCHALTWERKE 219
IMAGE 5
INHALTSVERZEICHNIS XI
7 DIGITALE HALBLEITERSPEICHER 229
7.1 SCHREUEV/LESESPEICHER (RAM) 230
7.1.1 STATISCHES RAM (SRAM) 231
7.1.2 DYNAMISCHES RAM (DRAM) 234
7.1.3 DAS FAST-PAGE-MODE-DRAM (FPM-DRAM) 239 7.1.4 DAS ENHANCED DRAM
(EDRAM) 240
7.1.5 DAS EXTENDED-DATA-OUTPUT-DRAM (EDO-DRAM) 241 7.1.6 BURST EXTENDED
DATA OUTPUT DRAM (BEDO-DRAM) 241 7.1.7 DAS SYNCHRONE DRAM (SDRAM) 242
7.1.8 DAS ENHANCED SDRAM (ESDRAM) 244
7.1.9 DAS DOUBLE DATA RATE SDRAM (DDR SDRAM) 245 7.1.10 DAS QUAD DATA
RATE SDRAM (QDR SDRAM) 251 7.1.11 WEITERENTWICKLUNG DES DATENDURCHSATZES
MITTELS *GDDR SGRAMS" 254
7.1.12 QUASISTATISCHES DYNAMISCHES RAM 256
7.1.13 DUAL-PORT-RAM UND VIDEO-RAM 256
7.1.14 FIRST-IN/FIRST-OUT-SPEICHER(FIFO-SPEICHER) 260 7.1.15 DASFRAM 263
7.1.16 DASMRAM 268
7.2 FESTWERTSPEICHER (ROM) 271
7.2.1 MASKENPROGRAMMIERTES ROM 271
7.2.2. PROGRAMMIERBARES ROM (PROM) 272
7.2.3 UV-LOESCHBARES, PROGRAMMIERBARES ROM (EPROM) 273 7.2.4 ELEKTRISCH
LOESCHBARE, PROGRAMMIERBARE ROMS (EAROM, EEPROM) 274
7.2.5 NICHTFLUECHTIGE RAMS (NON VOLATILE RAMS, NOVRAMS) 276 7.2.6
FLASH-SPEICHER (FLASH MEMORY) 277
7.3 ENTWURF KOMPLEXER SPEICHERSYSTEME 280
7.4 TABELLARISCHE UEBERSICHT UEBER VERFUEGBARE SPEICHERBAUSTEINE 284
8 ANALOG-DIGITAL- UND DIGITAL-ANALOG-UMSETZER 287
8.1 DAS WESEN VON ANALOG-DIGITAL-UMSETZERN 288
8.2 ANWENDUNGEN VON ANALOG-DIGITAL- UND DIGITAL-ANALOG-UMSETZERN. 289
8.3 SYSTEME ZUR UMSETZUNG ANALOGER IN DIGITALE UND DIGITALER IN ANALOGE
SIGNALE 291
8.3.1 DAS ABTASTTHEOREM 292
8.3.2 DAS ABTASTHALTEGLIED (AHG) 293
8.3.2.1 FORDERUNGEN AN EIN ABTASTHALTEGLIED WAEHREND DER ABTASTPHASE 296
8.3.2.2 FORDERUNGEN AN EIN ABTASTHALTEGLIED WAEHREND DER HALTEPHASE 296
8.3.2.3 FORDERUNGEN AN EIN ABTASTHALTEGLIED BEZUEGLICH DER
UMSCHALTCHARAKTERISTIK 297
IMAGE 6
XII INHALTSVERZEICHNIS
8.3.3 ERREICHBARE GENAUIGKEIT FUER ADUS MIT EINER CODEWORTLAENGE VON N BIT
300
8.3.4 DIGITALCODES FUER ADUS UND DAUS 303
8.4 PRINZIPIEN DER ANALOG-DIGITAL-UMSETZUNG 305
8.4.1 DAS PARALLELVERFAHREN 305
8.4.2 DAS WAEGEVERFAHREN 307
8.4.2.1 ANALOG-DIGITAL-UMSETZER MIT SUKZESSIVER APPROXIMATION 308
8.4.2.2 ANALOG-DIGITAL-UMSETZER NACH DEM WAEGEPRINZIP IN KASKADENSTRUKTUR
310
8.4.3 DAS ZAEHLVERFAHREN 311
8.4.4 DAS ERWEITERTE PARALLELVERFAHREN 312
8.4.4.1 DAS ALLGEMEINE PRINZIP DES ERWEITERTEN PARALLELVERFAHRENS 312
8.4.4.2 DER PIPELINE-ANALOG-DIGITAL-UMSETZER 315 8.4.5 DAS ERWEITERTE
ZAEHLVERFAHREN 318
8.4.6 SONDERFORMEN VON ANALOG-DIGITAL-UMSETZERN 318 8.4.6.1 INDIREKTE
VERFAHREN 318
8.4.6.2 DER SIGMA-DELTA-UMSETZER 323
8.4.6.3 DIE NICHTLINEARE ANALOG-DIGITAL-UMSETZUNG 325 8.5 PRINZIPIEN DER
DIGITAL-ANALOG-UMSETZUNG 326
8.5.1 DIE SUMMATION GEWICHTETER STROEME 328
8.5.2 UMSETZER MIT R-2R-LEITERNETZWERK 329
8.6 EIGENSCHAFTEN REALER AD- UND DA-UMSETZER 331
8.6.1 STATISCHE FEHLER 331
8.6.1.1 DIE QUANTISIERUNGSFEHLER 331
8.6.1.2 DER OFFSETFEHLER 332
8.6.1.3 DER VERSTAERKUNGSFEHLER 332
8.6.1.4 DIE NICHTLINEARITAET 333
8.6.1.5 DIE DIFFERENZIELLE NICHTLINEARITAET 334
8.6.1.6 DER MONOTONIEFEHLER 334
8.6.1.7 DIE BETRIEBSSPANNUNGSABHAENGIGKEIT DER WANDLERPARAMETER 335
8.6.2 DYNAMISCHE FEHLER 335
8.6.2.1 DIE EINSCHWINGZEIT 335
8.6.2.2 DER SIGNAL-RAUSCH-ABSTAND UND DIE EFFEKTIVE AUFLOESUNG 336
8.6.2.3 HARMONISCHE VERZERRUNGEN 337
8.6.2.4 DAS HISTOGRAMM 337
8.6.2.5 GLITCH-FLAECHE 338
8.7 BETRIEB VON ANALOG-DIGITAL-UMSETZERN 339
8.7.1 BETRIEB VON UNIVERSAL-ANALOG-DIGITAL-UMSETZERN 339 8.7.2 BETRIEB
VON ANALOG-DIGITAL-UMSETZERN MIT MIKROPROZESSOR-INTERFACE 341
IMAGE 7
INHALTSVERZEICHNIS XIII
MIKROPROZESSOREN UND MIKROCONTROLLER 345
9.1 GRUNDLAGEN DER MIKROPROZESSORTECHNIK 346
9.1.1 GRUNDSTRUKTUR EINES MIKRORECHNERSYSTEMS 346
BEFEHLSABARBEITUNG IN EINEM MIKROPROZESSOR 349 TYPISCHE BEFEHLSKLASSEN
351
9.1.3.1 ARITHMETISCHE UND LOGISCHE BEFEHLE 351
9.1.2 9.1.3
9.1.4 ADRESSIERUNG VON DATEN UND BEFEHLEN 354
9.
.3.2 TRANSFERBEFEHLE 352
.3.3 BEFEHLE ZUR PROGRAMMABLAUFSTEUERUNG 352 .3.4 SPEZIALBEFEHLE 353
.4.1 .4.2 .4.3 .4.4 .4.5
9.1.5
9.1.6
9.1.7
UNMITTELBARE ADRESSIERUNG 354
ABSOLUTE ADRESSIERUNG 354
INDIREKTE ADRESSIERUNG 355
STAPELSPEICHER 357
BEFEHLSADRESSIERUNG 358
MASSNAHMEN ZUR STEIGERUNG DER RECHENLEISTUNG 359 9.1.5.1 ERHOEHUNG DER
TAKTFREQUENZ 359
9.1.5.2 PARALLELITAET 360
9.1.5.3 PIPELINING 361
9.1.5.4 BEFEHLSSATZERWEITERUNGEN 363
GRUNDLEGENDE MIKROPROZESSORARCHITEKTUREN 364 9.1.6.1 CISC 365
9.1.6.2 RISC 365
9.1.6.3 RISC UND HARVARD-ARCHITEKTUR 366
MIKROCONTROLLER 369
9.2 DIE MIKROCONTROLLER-FAMILIE ATMEL-AVR 372
9.2.1 TINYAVR 372
9.2.2 MEGAAVR 373
9.2.3 AVR XMEGA 374
9.2.4 DIEAVR-CPU 374
9.2.4.1 STATUSREGISTER 376
9.2.4.2 ARITHMETISCHE UND LOGISCHE BEFEHLE 379
9.2.4.3 TRANSFERBEFEHLE 384
9.2.4.4 SPRUNGBEFEHLE 387
9.2.5 BEISPIELE FUER DIE VERWENDUNG DER AVR-BEFEHLE 390 9.2.5.1
ARITHMETISCHE UND LOGISCHE GRUNDFUNKTIONEN 390 9.2.5.2 BEFEHLE FUER DEN
ZUGRIFF AUF SPEICHER UND PERIPHERIEKOMPONENTEN 395
9.2.5.3 PROGRAMMVERZWEIGUNGEN 397
9.2.6 GRUNDLAGEN DER INTERRUPTVERARBEITUNG 402
9.2.6.1 INTERRUPTFREIGABE 403
9.2.6.2 INTERRUPT-SERVICE-ROUTINEN 404
9.3 EINGEBETTETE PERIPHERIEKOMPONENTEN 408
9.3.1 PORTS 408
9.3.2 TIMER 415
IMAGE 8
XIV INHALTSVERZEICHNIS
9.3.2.1 NORMAL MODE 416
9.3.2.2 CTC MODUS 417
9.3.2.3 PWM-MODI 418
9.3.2.4 DIE TIMER DES ATMEGA32 420
9.3.3 SCHNITTSTELLEN FUER DIE SERIELLE DATENUEBERTRAGUNG 429 9.3.3.1
U(S)ART 430
9.3.3.2 SPI 438
9.3.3.3 TWI / I 2 C 444
9.3.4 ANALOGE PERIPHERIEKOMPONENTEN 451
9.3.4.1 ANALOG/DIGITAL-UMSETZER 451
9.3.4.2 ANALOG-KOMPARATOR 457
9.3.5 INTERRUPT-BASIERTE KOMMUNIKATION MIT PERIPHERIEKOMPONENTEN 458
9.3.5.1 INTERRUPTVERARBEITUNG UND ATOMARE OPERATIONEN 460 9.3.5.2
FIFO-BASIERTE KOMMUNIKATION MIT PERIPHERIEKOMPONENTEN 464
9.4 HINWEISE ZUM PRAKTISCHEN SELBSTSTUDIUM 471
9.4.1 HARDWAREAUSWAHL 471
9.4.2 ENTWICKLUNGSUMGEBUNGEN 472
9.4.3 PROGRAMMIERUNG UND DEBUGGING VON AVR-MIKROCONTROLLERN 472
9.4.3.1 PROGRAMMIERGERAETE 473
9.4.3.2 FUSE-BITS 473
9.4.4 ERSTE SCHRITTE 475
LITERATUR 477
INDEX 481 |
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