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2022 | Buch

Digitaltechnik

Grundlagen, VHDL, FPGAs, Mikrocontroller

verfasst von: Winfried Gehrke, Marco Winzker

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Moderne Digitaltechnik, umfassend und kompakt: Dieses Lehr- und Übungsbuch spannt den Bogen von den Grundlagen der Digitaltechnik über den Entwurf mit VHDL und Komponenten digitaler Systeme bis zu modernen Mikrocontrollern der STM32-Serie.

Digitale Grundelemente wie Logikgatter und Flip-FlopsKombinatorische und sequenzielle SchaltungenSchaltungsentwurf und Simulation mit VHDLProgrammierbare Logikbausteine: CPLDs, FPGAsHalbleiterspeicherA/D- und D/A-UmsetzerArchitektur von MikroprozessorenProgrammierung von Arm® CortexTM Mikroprozessoren in C und Assembler32-Bit-Mikrocontroller der STM32-FamilieFunktion und Programmierung von STM32-Peripheriemodulen

Die 8. Auflage wurde aktualisiert und die Themenbereiche Mikroprozessoren und Mikrocontroller grundlegend überarbeitet.

Zahlreiche Beispiele erleichtern das Verständnis. Viele Übungsaufgaben mit Musterlösungen unterstützen die Lernkontrolle und stehen zu jedem Kapitel zur Verfügung. Ergänzendes Material wird auf der Webseite zum Buch angeboten.

Das Buch ist so konzipiert, dass es sowohl als Begleitlektüre von Lehrveranstaltungen als auch für das Selbststudium in den Bereichen Digitaltechnik, Mikrocontroller und Systementwurf geeignet ist.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einführung
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden einige Regeln zur digitalen Codierung von Informationen vorgestellt, die die Grundlage für die Realisierung vieler digitaler Schaltungen darstellen.Da in vielen praktischen Anwendungsfällen Zahlenwerte verarbeitet werden, liegt der Schwerpunkt dieses Kapitels auf der binären Codierung von Zahlen. In diesem Kapitel werden darüber hinaus einige gebräuchliche Codes vorgestellt, die sich zur Codierung sowohl numerischer als auch nicht-numerischer Informationen eignen.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 2. Digitale Codierung von Informationen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden einige Regeln zur digitalen Codierung von Informationen vorgestellt, die die Grundlage für die Realisierung vieler digitaler Schaltungen darstellen.Da in vielen praktischen Anwendungsfällen Zahlenwerte verarbeitet werden, liegt der Schwerpunkt dieses Kapitels auf der binären Codierung von Zahlen. In diesem Kapitel werden darüber hinaus einige gebräuchliche Codes vorgestellt, die sich zur Codierung sowohl numerischer als auch nicht-numerischer Informationen eignen.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 3. Einführung in VHDL
Zusammenfassung
Mit den Fortschritten der Digitaltechnik wurden die Schaltpläne zunehmend komplexer und man suchte nach Alternativen zur Schaltplaneingabe.Als Lösung wurden die sogenannten Hardwarebeschreibungssprachen (engl. Hardware Description Language, HDL) erfunden. Diese Sprachen ermöglichen es, die Funktion einer digitalen Schaltung, ähnlich wie ein Programm für einen Rechner, in textueller Form zu beschreiben.Dieses Kapitel führt in die Grundzüge der weit verbreiteten Hardware Description Language VHDL ein.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 4. Kombinatorische Schaltungen
Zusammenfassung
Digitalschaltungen, deren Ausgänge nur von den aktuellen Eingangswerten abhängen,nennt man kombinatorische Schaltungen. Eine solche Schaltung arbeitet nur mit Logikgattern und enthält weder Rückkopplungen noch Flip-Flops. Die Eingangswerte werden durch die Schaltung kombiniert (daher der Name) und ein Ergebnis berechnet. Da keine Flip-Flops verwendet werden, können keine Informationen gespeichert werden.Kombinatorische Schaltungen sind normalerweise Teil einer größeren Schaltung.Sie werden zusammen mit Flip-Flops eingesetzt, wobei der kombinatorische Teil die Berechnungen vornimmt und die Flip-Flops die Ergebnisse speichern. Die gesamte Schaltung mit den Flip-Flops ist dann eine sequenzielle Schaltung, also eine Schaltung deren Ergebnis von der zeitlichen Abfolge (der Sequenz) ihrer Eingänge abhängt.In diesem Kapitel werden zunächst die Funktion und der Entwurf kombinatorischer Schaltungen erläutert. Flip-Flops und sequenzielle Schaltungen werden im nächsten Kapitel vorgestellt.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 5. Sequenzielle Schaltungen
Zusammenfassung
Während kombinatorische Schaltungen nur die aktuellen Werte der Eingangssignale verwenden, können sich sequenzielle Schaltungen Informationen merken. Die Ausgangswerte einer sequenziellen Schaltung können damit von den aktuellen und den vorangegangenen Werten der Eingangssignale abhängen. Dieses Gedächtnis wird durch Flip-Flops als Speicherelemente erreicht.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 6. Schaltungsstrukturen
Zusammenfassung
In den Kap. 4 und 5 wurde gezeigt, wie aus einer Aufgabenstellung eine kombinatorische oder sequenzielle Schaltung entwickelt werden kann. Dieser allgemeine Entwurfsweg ist prinzipiell für jede Spezifikation möglich. Für bestimmte Aufgabenstellungen kann es aber auch einfacher gehen. Es gibt einige Grundstrukturen, die häufig in digitalen Schaltungen vorkommen und solche Strukturen werden in diesem Kapitel vorgestellt. Es wird ebenfalls diskutiert wie diese Strukturen in VHDL beschrieben werden können.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 7. Realisierung digitaler Systeme
Zusammenfassung
Für die Realisierung eines digitalen Systems gibt es unterschiedliche Alternativen, die sich im Hinblick auf die genannten Eigenschaften unterscheiden. Es ist beispielsweise denkbar, ausschließlich Standard-Bausteine einzusetzen, deren Funktion vom Hersteller fest vorgegeben ist. Ebenso ist es möglich, selbst als Halbleiter-Hersteller zu agieren und eigene Chips produzieren zu lassen. Es können auch Programmierbare Logikbausteine eingesetzt werden, deren Hardware-Funktion flexibel festgelegt werden kann. Statt eine Funktion in Form von Gattern zu realisieren, ist auch ein softwareorientierter Ansatz möglich, bei dem beispielsweise Mikrocontroller eingesetzt werden. Diese Bausteine sind deutlich kompakter als ein PC und sind teilweise für weniger als 1 EUR erhältlich.In diesem Kapitel werden die verschiedenen Varianten näher beleuchtet.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 8. VHDL-Vertiefung
Zusammenfassung
In Kap. 3 wurden die wichtigsten Sprachelemente von VHDL vorgestellt und Sie sind damit bereits in der Lage, digitale Schaltungen in VHDL zu entwerfen. In diesem Kapitel werden vertiefende Aspekte der Hardwarebeschreibung mit VHDL dargestellt.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 9. Programmierbare Logik
Zusammenfassung
In Kap. 7 wurden programmierbare Logikbausteine bereits kurz vorgestellt. Diese Bausteine zeichnen sich dadurch aus, dass ihre logische Funktion durch den Anwender festgelegt werden kann. Viele programmierbare Logikbausteine lassen sich mehrfach programmieren, sodass sich eventuelle Designfehler innerhalb kurzer Zeit durch eine Neuprogrammierung beheben lassen.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 10. Halbleitertechnik
Zusammenfassung
Digitale Schaltungen werden als Integrierte Schaltung aufgebaut. Der Begriff Integrierte Schaltungen beschreibt, dass sich auf einem Stück Halbleiter nicht nur ein einzelner, sondern viele Transistoren befinden. Eine komplette Schaltung ist also auf dem Halbleiterkristall integriert.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 11. Speicher
Zusammenfassung
Die Speicherung von Informationen ist eine wichtige Funktion innerhalb von Digitalschaltungen.Für kleine Speichergrößen werden Flip-Flops eingesetzt, die bereits aus vorherigen Kapiteln bekannt sind. Für mittlere und größere Datenmengen sind spezielle Speicherstrukturen effizienter, die in diesem Kapitel vorgestellt werden.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 12. Analog-Digital- und Digital-Analog-Umsetzer
Zusammenfassung
Analog-Digital-Umsetzer (ADU), engl. Analog-Digital-Converter (ADC), sind Bindeglieder zwischen analogen Signalquellen wie Messwandler für Druck, Temperatur, Weg, Beschleunigung, Mikrophonen und digital arbeitenden Systemen. Sie wandeln einen analogen Spannungswert in eine digitale Darstellung.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 13. Grundlagen der Mikroprozessortechnik
Zusammenfassung
Im Rahmen dieses Kapitels werden die Grundlagen der Mikroprozessortechnik vorgestellt. Sie werden im zweiten Teil dieses Kapitels anhand eines verbreiteten Mikroprozessors der Firma Arm, dem Cortex-M0+, vertieft. Nach der Vorstellung des Befehlssatzes wird die Programmierung in Assembler thematisiert.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 14. Mikrocontroller
Zusammenfassung
Mikrocontroller sind Rechnersysteme,die auf einem einzelnen Chip alle Komponenten enthalten, welche zum Betrieb des Systems erforderlich sind. Neben einer CPU und Speicher sind auch Ein-/Ausgabeeinheiten sowie interne Komponenten, beispielsweise die Takterzeugung, vorhanden.Inzwischen sind Mikrocontroller Massenprodukte mit einem weltweiten Jahresumsatz von mehr als 20 Mrd. Euro. Schätzungen gehen davon aus, dass Mikrocontroller in den kommenden Jahren noch weiter an Bedeutung gewinnen werden. Das Verständnis der Funktionsweise von Mikrocontrollern ist daher eine wichtige Kompetenz für alle, die sich in Studium oder Beruf mit der Digitaltechnik auseinandersetzen.In diesem Kapitel werden grundlegende Aspekte von Mikrocontrollern thematisiert und anhand eines Mikrocontrollers aus der STM32-Familie der Firma STMicroelectronics vertieft.Die Inhalte dieses Kapitels bilden die Grundlage für die intensivere Betrachtung von integrierten Peripheriemodulen, auf die in Kap. 15 näher eingegangen wird.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 15. Peripherie des STM32
Zusammenfassung
Im vorangegangenen Kapitel wurden grundlegende Aspekte von Mikrocontrollern am Beispiel des STM32G071 der Firma STMicroelectronics diskutiert. In diesem Kapitel werden ausgewählte Peripheriemodule dieses Mikrocontrollers präsentiert.Zunächst werden in Abschn. 15.1 Registertypen vorgestellt, die in vielen Peripheriemodulen eingesetzt werden. Im Anschluss daran thematisiert Abschn. 15.2 ausgewählte Schnittstellen zur seriellen Datenübertragung, die in fast allen Mikrocontrollern zu finden sind.In Abschn. 15.3 folgt die Präsentation des Direct-Memory-Access-Controllers der STM32G0-Serie. Abschn. 15.4 widmet sich den sogenannten Timern. Hierbei handelt es sich um universelle Module, welche unter anderem der Erzeugung von Interrupts oder Ereignissen innerhalb des Mikrocontrollers dienen.Mikrocontroller besitzen in der Regel auch analoge Komponenten. Der Mikrocontroller STM32G071 besitzt neben einem A/D-Umsetzer auch zwei D/A-Umsetzer und zwei Analogkomparatoren. Die wesentlichen Funktionen dieser Peripheriemodule werden in Abschn. 15.5 vorgestellt.Das Kapitel wird mit Hinweisen zum praktischen Selbststudium abgeschlossen.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Kapitel 16. Lösungen der Übungsaufgaben
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Lösungen der Übungsaufgaben aus den vorangegangenen Kapiteln präsentiert.
Winfried Gehrke, Marco Winzker
Backmatter
Metadaten
Titel
Digitaltechnik
verfasst von
Winfried Gehrke
Marco Winzker
Copyright-Jahr
2022
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-63954-2
Print ISBN
978-3-662-63953-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-63954-2