Skip to main content

2023 | Buch

Digitaltechnik

Lehr- und Übungsbuch für Elektrotechniker und Informatiker

insite
SUCHEN

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 verwendet, um ein Signal für einen Anwendungsfall optimal darzustellen. Ein Code bildet die Zeichen eines Zeichenvorrates auf die Zeichen eines zweiten Zeichenvorrates ab. Für jede Anwendung gibt es mehr oder weniger gut geeignete Codes. So ist für die Zahlenarithmetik in einem Rechner ein anderer Code sinnvoll als für die Übertragung von Zahlen über eine Nachrichtenverbindung. Dieses Kapitel untersucht die Unterschiede der einzelnen Codes und weist auf deren spezifische Anwendungen hin. Es wird insbesondere der für die Digitaltechnik wichtige Dualcode und die dazugehörige Arithmetik beschrieben. Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division werden für die Festkomma-Arithmetik vorgestellt. Die Gleitkommazahlen werden an Hand des Standards IEEE-745 erklärt.
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 die theoretischen Grundlagen der Digitaltechnik dargestellt. Die boolesche Algebra kann man auf fast alle bei der Entwicklung einer digitalen Schaltung vorkommenden Probleme anwenden. Es werden die technisch wichtigen Schaltfunktionen erklärt. Als eine Grundlage dienen die Normalformen, mit denen Aufgabenstellungen aus der Praxis gelöst werden können. Die beiden Normalformen werden kanonische disjunktive Normalform (KDNF) und kanonische konjunktive Normalform (KKNF) genannt. Daneben werden die Schaltsymbole beschrieben, mit denen die Schaltfunktionen grafisch dargestellt werden können.
Klaus Fricke
Kapitel 4. Verhalten logischer Gatter
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Eigenschaften und das Verhalten logischer Gatter untersucht. Mit logischen Gattern können die im vorhergehenden Kapitel 3 beschriebenen Schaltfunktionen realisiert werden. Es werden die Anforderungen an die Übertragungseigenschaften von Gattern untersucht, die für eine fehlerfreie Signalverarbeitung erforderlich sind. Dazu werden die Themen Störabstände und Signallaufzeiten besprochen. Es wird auf besondere Ausgänge für Bussysteme eingegangen, die als Tri-State-Gatter in Bussystemen vielseitig Verwendung finden.
Klaus Fricke
Kapitel 5. Schaltungstechnik
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird der Aufbau von Gattern beschrieben. 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. Auch sollen sie bei einer definierten Schwellenspannung abrupt und in unendlich kurzer Zeit schalten. Reale Transistoren erfüllen diese Vorgaben jedoch nur unvollständig. In diesem Kapitel wird im Wesentlichen die am häufigsten verwendete digitale Schaltkreistechnologie CMOS-Technologie (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor) mit ihren Grundschaltungen und deren Eigenschaften diskutiert. Weitere Schaltkreistechnologien (TTL, ECL usw.) werden kurz erklärt.
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. Die minimierte KDNF wird minimale disjunktive Normalform (DNF), die minimierte KKNF wird minimale konjunktive Normalform (KNF) genannt. Hier werden Verfahren vorgestellt, die eine Minimierung mit graphischen Methoden (Karnaugh-Veitch-Digramme) oder mit Hilfe von Tabellen (Quine-McCluskey-Verfahren) für die Anwendung im Rechner ermöglichen.
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. Schaltwerke werden auch sequentielle Schaltungen oder endliche Automaten genannt. Das Verhalten eines Schaltwerks hängt neben den aktuell anliegenden Eingangsvariablen auch von den Eingangsvariablen vorhergegangener Zeiten ab. Es ist daher in der Lage, Information zu speichern. Die gespeicherten Größen heißen Zustandsgrößen. Wichtige asynchronen Schaltwerke sind die Flipflops. Alle gängigen Typen werden hier vorgestellt: RS-Flipflop, D-Flipflop und JK-Flipflops. Ausführlich wird auf das Schaltverhalten und die Taktsteuerung eingegangen.
Klaus Fricke
Kapitel 8. Synchrone Schaltwerke
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die technisch wichtigen synchronen Schaltwerke beschrieben. Sie werden auch endliche Automaten, Finite State Machines oder sequentielle Schaltungen genannt. Schaltwerke werden für die Steuerung von Abläufen eingesetzt. Ein Schaltwerk 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. Eine Kombination der Zustandsvariablen wird Zustand genannt. In diesem Kapitel wird die Vorgehensweise bei der Synthese von Schaltwerken beschrieben. Es wird auf die Unterschiede von Moore- und Mealy-Schaltwerken eingegangen. Abschließend wird das zeitliche Verhalten von Schaltwerken untersucht.
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. Ein Multiplexer ist ein Baustein, der einen von mehreren digitalen Eingängen auf den Ausgang schaltet. Der Eingang, der durchgeschaltet wird, wird durch Selektionseingänge ausgewählt. Ein Code-Umsetzer ist eine Schaltung, die das Codewort aus einem Code 1, welches an den Eingängen anliegt, in ein Wort aus einem anderen Code 2 umsetzt. Es werden einige Anwendungsbeispiele behandelt.
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. Es werden zunächst die asynchronen Zähler vorgestellt. Asynchrone Zähler sind asynchrone Schaltwerke, deren Synthese oben (Kapitel 7) schon beschrieben wurde. Das Eingangssignal ist die zu zählende Impulsfolge. Sie wird direkt auf den Takteingang des ersten Flipflops gelegt. Die Takteingänge der folgenden Flipflops sind an die Ausgänge der vorhergehenden Flipflops angeschlossen. Im Gegensatz dazu werden beim synchronen Zähler alle Flipflops vom gleichen Eingangssignal angesteuert. In diesem Kapitel wird dargestellt, wie diese Zähler entwickelt werden. Es werden Beispiele aus der Praxis wie typische Zählerschaltungen und kommerzielle Bausteine vorgestellt.
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 JK-Flipflops aufgebaut sein. Damit die In-formation kontrolliert und gleichzeitig über die Kette übertragen wird, werden flankengesteuerte Flipflops verwendet. Im Kapitel wird die Synthese von Schieberegistern und rückgekoppelten Schieberegistern an einem Beispiel erklärt. Außerdem werden typische Anwendungen und ein kommerzieller, universeller Schieberegisterbaustein vorgestellt. Es wird die Möglichkeit der Erzeugung von Pseudo-Zufallsfolgen mit Hilfe von rückgekoppelten Schieberegistern demonstriert.
Klaus Fricke
Kapitel 12. Arithmetische Bausteine
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden Bausteine zur Realisierung arithmetischer Funktionen vorgestellt. Da die arithmetischen Schaltnetze für das Verständnis von Prozessoren wichtig sind, werden Realisierungsmöglichkeiten für die Festkomma-Arithmetik von Addierern, Multiplizierern und von arithmetisch-logischen Einheiten genauer besprochen. Als Grundbausteine werden Volladdierer und Halbaddierer verwendet. Einfache Ripple-Carry-Adder und Serienaddierer zeigen das Grundprinzip der Addition. Zur Reduzierung der Ausführungszeit von Addierern wird das Prinzip des Carry-Look-Ahead erläutert. Das Beispiel eines teilweise parallel arbeitenden Multiplizierers zeigt, wie zwei Zahlen im Zweierkomplement effizient multipliziert werden können.
Klaus Fricke
Kapitel 13. Digitale Speicher
Zusammenfassung
Speicherbausteine dienen der Speicherung größerer Datenmengen. Sie werden in Digitalrechnern als ein wichtiger Baustein eingesetzt. Zunächst wird der grundsätzliche Aufbau eines Speicherbausteins erläutert. Es werden die verschiedenen Technologien und Eigenschaften der Speicherbausteine gegenübergestellt, die die Eigenschaften moderner Rechnersysteme wesentlich mitbestimmen. Es werden typische Zeitdiagramme für verschiedene Speicherbausteine dargestellt, die die Funktion der Bausteine verdeutlichen. Als wichtige Technologien werden die wichtigsten Speichertechnologien vorgestellt: RAM (random access memory), ROM (read only memory), EPROM (eraseable ROM) und EEPROM (electrically EPROM). Die Funktionsweise von neueren Technologien wie die des dynamischen RAM (DRAM) werden detailliert erklärt. Es wird gezeigt, wie Speichersysteme für Rechner konfiguriert werden können.
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. Diese Möglichkeit hat dazu geführt, dass in vermehrtem Umfang anwenderspezifische Schaltungen (ASIC) angeboten werden, die der Kunde selbst konfigurieren kann. Es werden Designs mit den einfachen Bausteine PLA, PAL und GAL vorgestellt, aber auch mit den hochkomplexen Bausteinen FPGA und CPLD. Dieses wird an Hand von kommerziellen Bausteinfamilien demonstriert, um die Eigenschaften und Möglichkeiten dieser Technologien aufzuzeigen. Als ein Beispiel wird der Aufbau eines Channeld-Gate-Arrays vorgestellt.
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. ASICs konnten sich nur auf dem Markt durchsetzen, weil leistungsfähige Software für ihren Entwurf vorhanden war. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Sprachen für die Entwicklung von Hardware. Diese Kapitel enthält eine Einführung in VHDL, eine Programmiersprache zur Beschreibung, Synthese und Simulation integrierter digitaler Schaltungen, die sich als Standard herausgebildet hat und häufig zum Entwurf von ASIC verwendet wird. Der Schaltungsentwurf mit derartigen Hardware Description Language (HDL) setzt sich immer mehr durch, da er insbesondere bei hochkomplexen Schaltungen (VLSI = Very Large Scale Integration) erhebliche Vorteile gegenüber den bisherigen grafisch orientierten Entwurfsmethoden bietet.
Klaus Fricke
Kapitel 16. Mikroprozessoren
Zusammenfassung
Diese Kapitel bietet einen einfachen Einstieg in die Mikroprozessortechnik. Als Grundlage wird das Prinzip des Von-Neumann-Rechners erklärt. Darauf aufbauend werden die internen Vorgänge bei der Ausführung von Befehlen beschrieben. Das Kapitel beschreibt die Arbeitsweise und den Aufbau eines Prozessors. Als praktisches Beispiel für einen Mikroprozessor wird der aktuelle Mikrocontroller ATmega16 der Firma Microchip vorgestellt. Ausführlich wird auf die Programmierung in Assembler eingegangen. Dafür werden die Adressierungsarten vorgestellt, die die unterschiedlichen Möglichkeiten bilden, wie auf Daten zugegriffen werden kann. Diese Adressierungsarten werden bei den meisten Prozessoren in ähnlicher Form verwendet. Der Befehlsvorrat des ATmega 16 wird ausführlich und mit Programmierbeispielen erklärt.
Klaus Fricke
Backmatter
Metadaten
Titel
Digitaltechnik
verfasst von
Klaus Fricke
Copyright-Jahr
2023
Electronic ISBN
978-3-658-40210-5
Print ISBN
978-3-658-40209-9
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-40210-5

Neuer Inhalt