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2021 | Buch

Digitaltechnik

Lehr- und Übungsbuch für Elektrotechniker und Informatiker

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Über dieses Buch

Dieses Lehr- und Übungsbuch behandelt praxisnah und lückenlos alle relevanten Grundlagen und Anwendungen. Im Grundlagenteil werden die für das Verständnis der digitalen Schaltungen notwendigen theoretischen Grundlagen wie das duale Zahlensystem und die für die Entwicklung von Schaltungen notwendigen Techniken erarbeitet. Im Anwendungsteil werden Standard-Schaltungen wie z.B. Multiplexer und arithmetische Bausteine beschrieben. Im Bereich der komplexen digitalen Schaltungen werden neben der Technologie der Anwender-programmierbaren Schaltungen (ASIC) und deren Konfigurierung mit Hardware-beschreibenden Sprachen (HDL) auch der Aufbau und die Programmierung von Mikroprozessoren mit Assembler dargestellt. Jedes Kapitel wird durch Übungsaufgaben mit Lösungsvorschlägen ergänzt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
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.
Klaus Fricke
Kapitel 2. Codierung und Zahlensysteme
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.
Klaus Fricke
Kapitel 3. Schaltalgebra
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.
Klaus Fricke
Kapitel 4. Verhalten logischer Gatter
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.
Klaus Fricke
Kapitel 5. Schaltungstechnik
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.
Klaus Fricke
Kapitel 6. Schaltnetze
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.
Klaus Fricke
Kapitel 7. Asynchrone Schaltwerke
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.
Klaus Fricke
Kapitel 8. Synchrone Schaltwerke
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.
Klaus Fricke
Kapitel 9. Multiplexer und Code-Umsetzer
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.
Klaus Fricke
Kapitel 10. Digitale Zähler
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.
Klaus Fricke
Kapitel 11. Schieberegister
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.
Klaus Fricke
Kapitel 12. Arithmetische Bausteine
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.
Klaus Fricke
Kapitel 13. Digitale Speicher
Zusammenfassung
Speicherbausteine dienen der Speicherung größerer Datenmengen. Sie werden in Digitalrechnern als ein wichtiger Bestandteil eingesetzt. Man unterscheidet.
Klaus Fricke
Kapitel 14. Programmierbare Logikbausteine
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.
Klaus Fricke
Kapitel 15. VHDL
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.
Klaus Fricke
Kapitel 16. Mikroprozessoren
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.
Klaus Fricke
Backmatter
Metadaten
Titel
Digitaltechnik
verfasst von
Prof. Dr. Klaus Fricke
Copyright-Jahr
2021
Electronic ISBN
978-3-658-32537-4
Print ISBN
978-3-658-32536-7
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-32537-4