Digitaltechnik

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Kapitel 1. Einleitung

   Klaus Fricke

   Zusammenfassung

   Die Digitaltechnik hat in den letzten Jahrzehnten an Bedeutung weiter zugenommen. Dies ist auf die wesentlichen Vorzüge der Digitaltechnik zurückzuführen, die es erlauben, sehr komplexe Systeme aufzubauen. Man erreicht dies, indem man sich auf zwei Signalzustände beschränkt, die in logischen Schaltungen (sogenannte Gatter) ohne Fehlerfortpflanzung übertragen werden können.

3. Kapitel 2. Codierung und Zahlensysteme

   Klaus Fricke

   Zusammenfassung

   Codes werden in der Digitaltechnik häufig verwendet, um ein Signal für einen Anwendungsfall optimal darzustellen. Ein Code bildet die Zeichen eines Zeichenvorrates auf die Zeichen eines zweiten Zeichenvorrates ab. Sinnvollerweise soll auch eine Decodierung möglich sein, bei der aus dem codierten Zeichen wieder das ursprüngliche gewonnen wird.

4. Kapitel 3. Schaltalgebra

   Klaus Fricke

   Zusammenfassung

   Die Digitaltechnik hat der Analogtechnik voraus, dass sie auf einer relativ einfachen, aber dennoch mächtigen Theorie beruht, der booleschen Algebra, die auch Schaltalgebra genannt wird. In diesem Kapitel werden diese theoretischen Grundlagen der Digitaltechnik dargestellt. Die boolesche Algebra kann man auf fast alle bei der Entwicklung einer digitalen Schaltung vorkommenden Probleme anwenden, unter der Bedingung, dass einige technologische Voraussetzungen erfüllt sind, die im Kapitel 4 behandelt werden.

5. Kapitel 4. Verhalten logischer Gatter

   Klaus Fricke

   Zusammenfassung

   In diesem Kapitel soll insoweit auf das reale Verhalten logischer Gatter eingegangen werden, wie es zum Verständnis der Dimensionierung digitaler Schaltungen notwendig ist. Im folgenden Kapitel 5 wird das Thema weiter vertieft. Es wird zunächst der Frage nachgegangen, inwieweit ein binäres System als Modell für ein reales System verwendet werden kann.

6. Kapitel 5. Schaltungstechnik

   Klaus Fricke

   Zusammenfassung

   Transistoren werden in digitalen Schaltkreisen als Schalter eingesetzt. Sie haben die Aufgabe, einen Stromkreis zu öffnen oder zu trennen. Idealerweise müssten sie daher von einem Kurzschluss im eingeschalteten Zustand zu einem unendlich hohen Widerstand im ausgeschalteten Zustand umgeschaltet werden können.

7. Kapitel 6. Schaltnetze

   Klaus Fricke

   Zusammenfassung

   Ein Schaltnetz ist eine Funktionseinheit, die einen Ausgangswert erzeugt, der nur von den Werten der Eingangsvariablen zum gleichen Zeitpunkt abhängt. Es wird durch eine Schaltfunktion beschrieben. In der Praxis stellt sich oft die Aufgabe, zu einer gegebenen Schaltfunktion die einfachste Realisierung zu finden.

8. Kapitel 7. Asynchrone Schaltwerke

   Klaus Fricke

   Zusammenfassung

   Ein asynchrones Schaltwerk kann man sich aus einem Schaltnetz entstanden denken, bei dem zumindest ein Ausgang auf den Eingang zurückgeführt wurde. Dieses Schaltnetz wird im Folgenden mit Schaltnetz 1 (SN1) bezeichnet. Schaltwerke werden auch sequentielle Schaltungen oder endliche Automaten genannt.

9. Kapitel 8. Synchrone Schaltwerke

   Klaus Fricke

   Zusammenfassung

   Ein Schaltwerk (auch endlicher Automat, Finite State Machine oder sequentielle Schaltung genannt) unterscheidet sich von einem Schaltnetz dadurch, dass es für mindestens eine Kombination von Eingangsvariablen mehrere Kombinationen der Ausgangsvariablen gibt. Die Ausgangsvariablen werden in diesem Fall von der Vergangenheit der Eingangswerte bestimmt. Diese Vergangenheit manifestiert sich in den Zustandsvariablen.

10. Kapitel 9. Multiplexer und Code-Umsetzer

    Klaus Fricke

    Zusammenfassung

    In diesem Kapitel werden zwei Standard-Bauelemente, nämlich Multiplexer und Code-Umsetzer, vorgestellt. Diese Bausteine sind für eine Reihe von Anwendungen geeignet, wie zum Beispiel die Realisierung von booleschen Funktionen oder die Bündelung von mehreren Nachrichtenkanälen auf einer Leitung.

11. Kapitel 10. Digitale Zähler

    Klaus Fricke

    Zusammenfassung

    Digitale Zähler sind asynchrone oder synchrone Schaltwerke, die in der Regel aus kettenförmig angeordneten Registern bestehen. Der Registerinhalt wird als der Zählstand des Zählers interpretiert.

12. Kapitel 11. Schieberegister

    Klaus Fricke

    Zusammenfassung

    Schieberegister bestehen aus einer Kette von mehreren Flipflops, in denen der Informationstransport wie in einer Eimerkette weitergegeben wird. Sie können z.B. aus D-Flipflops oder JKFlipflops aufgebaut sein. Ein Beispiel mit 4 JK-Flipflops ist in Bild 11-1 gezeigt. Damit die Information kontrolliert und gleichzeitig über die Kette übertragen wird, werden flankengesteuerte Flipflops verwendet.

13. Kapitel 12. Arithmetische Bausteine

    Klaus Fricke

    Zusammenfassung

    Im Kapitel 3 wurde bereits die Addition zweier Binärzahlen unter Berücksichtigung des Übertrags definiert. Ein Schaltnetz, das diese Addition für eine Stelle durchführt, heißt Volladdierer. Der Übertrag von der vorherigen Stelle und die beiden Summanden werden addiert und die Summe und ein Übertrag zur nächsten Stelle werden ausgegeben.

14. Kapitel 13. Digitale Speicher

    Klaus Fricke

    Zusammenfassung

    Speicherbausteine dienen der Speicherung größerer Datenmengen. Sie werden in Digitalrechnern als ein wichtiger Bestandteil eingesetzt. Man unterscheidet.

15. Kapitel 14. Programmierbare Logikbausteine

    Klaus Fricke

    Zusammenfassung

    Sollen Schaltwerke oder Schaltnetze aufgebaut werden, so gibt es verschiedene Möglichkeiten der Realisierung. Aus Kostengründen wird man nach Möglichkeit Standardbauelemente bevorzugen, die in großen Stückzahlen gefertigt werden können. Es stellt sich daher die Frage, wie Standardbauelemente den speziellen Anforderungen der einzelnen Kunden angepasst werden können.

16. Kapitel 15. VHDL

    Klaus Fricke

    Zusammenfassung

    Zur Entwicklung digitaler Schaltungen stehen heute eine Vielzahl verschiedener Entwurfswerkzeuge zur Verfügung. Sie sind eine unerlässliche Voraussetzung für den Entwurf komplexer Schaltungen. So konnten sich ASIC nur auf dem Markt durchsetzen, weil leistungsfähige Software für ihren Entwurf vorhanden war. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Sprachen für die Entwicklung von Hardware.

17. Kapitel 16. Mikroprozessoren

    Klaus Fricke

    Zusammenfassung

    Schaltwerke mit sehr vielen inneren Zuständen, die zusätzlich von einer Vielzahl von Eingängen abhängig sind, können mit den bisher gezeigten Methoden nur schwer entwickelt werden. Die Schwierigkeit liegt im großen Umfang der benötigten Zustandsfolgetabelle. Prinzipiell können daher mit den in diesem Buch beschriebenen Entwurfsverfahren nur einfache Schaltwerke konzipiert werden.

18. Backmatter