Klaus Fricke. Digitaltechnik. Lehr- und Übungsbuch für Elektrotechniker und Informatiker. 8., überarbeitete und aktualisierte Auflage

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1 Digitaltechnik

2 Lizenz zum Wissen. Sichern Sie sich umfassendes Technikwissen mit Sofortzugriff auf tausende Fachbücher und Fachzeitschriften aus den Bereichen: Automobiltechnik, Maschinenbau, Energie + Umwelt, E-Technik, Informatik + IT und Bauwesen. Exklusiv für Leser von Springer-Fachbüchern: Testen Sie Springer für Professionals 30 Tage unverbindlich. Nutzen Sie dazu im Bestellverlauf Ihren persönlichen Aktionscode C auf Bernd Heißing Metin Ersoy Stefan Gies (Hrsg.) Fahrwerkhandbuch Grundlagen, Fahrdynamik, Komponenten, Systeme, Mechatronik, Perspektiven 3. Auflage ATZ AUTOMOBILTECHNISCHE ZEITSCHRIFT Hans-Hermann Braess Ulrich Seiffert (Hrsg.) Vieweg Handbuch Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik 6. Auflage ATZ 03 PRAXIS 03 März Jahrgang FORMOPTIMIERUNG in der Fahrzeugentwicklung LEICHTE und geräuschoptimierte Festsattelbremse GERÄUSCHWAHRNEHMUNG von Elektroautos /// BEGEGNUNGEN Walter Reithmaier TÜV Süd Automotive /// INTERVIEW Claudio Santoni McLaren Braess Seiffert (Hrsg.) PERSPEKTIVE LEICHTBAU WERKSTOFFE OPTIMIEREN ISSN Auflage Michael Trzesniowski Rennwagentechnik Grundlagen, Konstruktion, Komponenten, Systeme 2. Auflage PRAXIS MOTORTECHNISCHE ZEITSCHRIFT 04 April Jahrgang GRENZPOTENZIALE der CO2-Emissionen von Ottomotoren REIBUNG in hochbelasteten Gleitlagern RUSS- UND ASCHE VERTEILUNG in Dieselpartikelfiltern /// GASTKOMMENTAR Uwe Meinig SHW Automotive elektronik /// INTERVIEW Peter Langen BMW elektronik 01 Februar Februar Jahrgang ENTWURFSASPEKTE für hochintegrierte Steuergeräte ENERGIEEFFIZIENZ ELEKTROMECHANISCHE LENKUNG für ein Premiumfahrzeug HYBRIDANTRIEBE MIT WENIGER EMISSIONEN ISSN NEUARTIGE BEFÜLLUNG von Lithium-Ionen-Zellen /// GASTKOMMENTAR Herbert Hanselmann dspace Richard van Basshuysen Fred Schäfer (Hrsg.) Elmar Frickenstein /// INTERVIEW BMW Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven 6. Auflage AUTOMOBILTECHNISCHE ZEITSCHRIFT MTZ EFFIZIENZ ELEKTRISCHER SYSTEME STANDARDS UND MASSNAHMEN ISSN März Jahrgang FORMOPTIMIERUNG in der Fahrzeugentwicklung LEICHTE und geräuschoptimierte Festsattelbremse GERÄUSCHWAHRNEHMUNG von 11 Elektroautos /// BEGEGNUNGEN Walter Reithmaier TÜV Süd Automotive /// INTERVIEW Claudio Santoni McLaren Neue Prüfmethodik Hohe Zuluftqualität durch Partikelanalysen PERSPEKTIVE LEICHTBAU WERKSTOFFE OPTIMIEREN Hohe Qualität und Wirtschaftlichkeit Pulverbeschichtung von Fassadenelementen ISSN Schmierfrei fördern Kettenförderer in Lackieranlagen Optimale Energiebilanz im Lackierprozess Jetzt 30 Tage testen! Springer für Professionals. Digitale Fachbibliothek. Themen-Scout. Knowledge-Manager. Zugriff auf tausende von Fachbüchern und Fachzeitschriften Selektion, Komprimierung und Verknüpfung relevanter Themen durch Fachredaktionen Tools zur persönlichen Wissensorganisation und Vernetzung Springer für Professionals

3 Klaus Fricke Digitaltechnik Lehr- und Übungsbuch für Elektrotechniker und Informatiker 8., überarbeitete und aktualisierte Auflage

4 Klaus Fricke Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik Hochschule Fulda Fulda, Deutschland ISBN ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 1999, 2001, 2002, 2005, 2007, 2009, 2014, 2018 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist ein Teil von Springer Nature Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, Wiesbaden, Germany

5 Vorwort In vielen technischen Anwendungen sind Kenntnisse der Digitaltechnik unerlässlich. Die Mobilfunktechnik, Mikrocomputertechnik, digitale Regelungen und viele Einrichtungen der Telekommunikation sind ohne die Methoden der Digitaltechnik nicht mehr zu verstehen, ein Trend, der verstärkt wird durch den Einsatz integrierter mechanisch-elektronischer Systeme. Besondere Bedeutung hat die Digitaltechnik auch in eingebetteten Systemen erlangt. Unter einem eingebetteten System versteht man eine digitaltechnische Schaltung, die in ein technisches System eingebettet ist. Man findet eingebettete Systeme in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen, z. B. in Waschmaschinen, Kraftfahrzeugen, Kühlschränken, in der Unterhaltungselektronik, in Mobiltelefonen usw. Dieses Buch vermittelt einen fundierten Einstieg in die Digitaltechnik, indem es die Grundlagen bis hin zum Aufbau und der Programmierung einfacher Mikroprozessoren lückenlos darstellt. Neben einer soliden theoretischen Grundlage erwirbt der Leser also Kenntnisse, die das Verständnis der meisten digitaltechnischen Schaltungen ermöglichen. In der vorliegenden 8. Ausgabe wurden zahlreiche Aktualisierungen vorgenommen. Insbesondere wurde im Kapitel Mikroprozessoren als Beispiel-Mikroprozessor ein Prozessor ausgewählt, der zur Zeit in der Industrie vielfach Anwendung findet. Neu aufgenommen wurde die Gleitpunktdarstellung von Zahlen. Das vorliegende Buch richtet sich hauptsächlich an Ingenieure und Informatiker an Fachhochschulen und Universitäten. Da zum Verständnis des Buches keine besonderen Vorkenntnisse benötigt werden, eignet sich das Buch aber auch für den interessierten Laien. Lediglich für das Kapitel Schaltungstechnik muss der Leser Grundkenntnisse in der Elektronik haben. Das Kapitel ist aber zum Verständnis der anderen Kapitel des Buches nicht erforderlich und kann übersprungen werden. Die Darstellung der booleschen Algebra und die verwendeten Symbole entsprechen weitgehend der geltenden DIN-Norm. Um das Selbststudium zu erleichtern, sind zu jedem Kapitel Übungsaufgaben angegeben, mit denen das Verständnis des behandelten Stoffs überprüft werden kann. Ein Lösungsvorschlag ist jeweils im Anhang zu finden. Ein Schwerpunkt des Buches liegt in der ausführlichen Darstellung der Grundlagen der Digitaltechnik. Besonders die Synthese von Schaltnetzen wird detailliert erläutert. Häufig verwendete Standard-Schaltnetze wie Multiplexer und Code-Umsetzer werden mit Beispielen behandelt. Da die arithmetischen Schaltnetze für das Verständnis von Prozessoren wichtig sind, werden die Grundlagen der Festkomma-Arithmetik und die Hardware von arithmetisch-logischen Einheiten genauer besprochen. Im Bereich der Schaltungsentwicklung stehen heute ausgereifte Entwurfswerkzeuge zur Verfügung, die es dem Anwender ermöglichen komplexe digitale Schaltungen zu entwerfen, in Silizium zu implementieren, den Entwurf zu testen und zu verifizieren. Diese Möglichkeit hat dazu geführt, dass in vermehrtem Umfang anwenderspezifische Schaltungen (ASIC) angeboten

6 VI Vorwort werden, die der Kunde selbst konfigurieren kann. Ein Kapitel ist daher dem Aufbau von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen gewidmet. Im nächsten Kapitel folgt 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 komplexen Entwürfen erhebliche Vorteile gegenüber den bisherigen grafisch orientierten Entwurfsmethoden bietet. Aufbauend auf den Schaltnetzen werden synchrone und asynchrone Schaltwerke besprochen. Es wird eine Vorgehensweise für die Entwicklung von synchronen und asynchronen Schaltwerken dargestellt. In der neuen Auflage wurde der Fokus stärker auf die synchronen Schaltwerke gerichtet. Die Technik der asynchronen Schaltwerke wird heute im Wesentlichen in den Flipflops angewendet, von denen hier die gängigen Typen vorgestellt werden. Daneben werden Beispiele für die Konstruktion von Zählern und Schieberegistern besprochen, sowie einige kommerzielle Bauelemente vorgestellt. In einem besonderen Kapitel 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. Das letzte Kapitel bietet einen einfachen Einstieg in die Mikroprozessortechnik. Als Einführung in den Aufbau von Rechnern wird das Prinzip des Von-Neumann-Rechners erklärt. Darauf aufbauend werden die Vorgänge bei der Ausführung von Befehlen beschrieben. Als praktisches Beispiel wird der aktuelle Mikrocontroller ATmega16 der Firma AVR in einem Kapitel vorgestellt. Es beschreibt die Arbeitsweise und den Aufbau des Prozessors. Ausführlich wird auf die Programmierung in Assembler eingegangen. Damit werden Kenntnisse vermittelt, die auch bei der Verwendung anderer Prozessortypen nützlich sind. Fulda im März 2018, Klaus Fricke

7 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Codierung und Zahlensysteme Codes Dualcode Festkomma-Arithmetik im Dualsystem Ganzzahlige Addition im Dualsystem Addition von Festkommazahlen Einerkomplementdarstellung Zweierkomplementdarstellung Subtraktion in Zweierkomplementdarstellung Bereichsüberschreitung Multiplikation Division Gleitkommadarstellung von reellen Zahlen Einleitung: Gleitkommadarstellung im Dezimalsystem Gleitkommadarstellung im Dualsystem Spezielle Zahlendarstellungen Hexadezimalcode Oktalcode Graycode BCD-Code Alphanumerische Codes Übungen Schaltalgebra Schaltvariable und Schaltfunktion Zweistellige Schaltfunktionen Rechenregeln Vereinfachte Schreibweise Kanonische disjunktive Normalform (KDNF) Kanonische konjunktive Normalform (KKNF) Darstellung von Funktionen mit der KKNF und KDNF Minimieren mit Hilfe der Schaltalgebra Schaltsymbole Grundsätzlicher Aufbau der Symbole Die Abhängigkeitsnotation Die UND-Abhängigkeit (G) Die ODER-Abhängigkeit (V) Die EXOR-Abhängigkeit (N) Die Verbindungs-Abhängigkeit (Z) Die Übertragungs-Abhängigkeit (X) Übungen... 30

8 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Verhalten logischer Gatter Positive und negative Logik Definition der Schaltzeiten Übertragungskennlinie, Störabstand Ausgänge Offener Kollektor (Open Collector) Tri-State-Ausgang Übungen Schaltungstechnik CMOS Fan-Out Grundschaltungen NAND und NOR Transmission-Gate Tri-State-Ausgang CMOS-Eigenschaften TTL Belastung der Ausgänge Emitter-Coupled Logic (ECL) Integrierte Injektions-Logik (I 2 L) Verlustleistung und Schaltverhalten von Transistorschaltern Übungen Schaltnetze Minimierung mit Karnaugh-Veitch-Diagrammen Minimierung der KDNF Minimierung der KKNF Karnaugh-Veitch-Diagramme für 2 bis 6 Eingangsvariablen Unvollständig spezifizierte Funktionen Das Quine-McCluskey-Verfahren Andere Optimierungsziele Umwandlung UND/ODER-Schaltnetz in NAND-Schaltnetz Umwandlung ODER/UND-Schaltnetz in NOR-Schaltnetz Laufzeiteffekte in Schaltnetzen Strukturhazards Funktionshazards Klassifizierung von Hazards Übungen Asynchrone Schaltwerke Prinzipieller Aufbau von Schaltwerken Analyse asynchroner Schaltwerke Systematische Analyse Analyse unter Berücksichtigung der Gatterlaufzeit Speicherglieder RS-Flipflop RS-Flipflop mit Takteingang Taktpegelgesteuertes D-Flipflop Flankengesteuertes D-Flipflop... 83

9 Inhaltsverzeichnis IX Zweiflankensteuerung JK-Flipflop T-Flipflop Beispiel Zusammenfassung Flipflops Übungen Synchrone Schaltwerke Beispiel 1: Schaltwerk Binärzähler Moore-Schaltwerk Mealy-Schaltwerk Beispiel 2: Mealy-Schaltwerk Maschinensteuerung Realisierung der Maschinensteuerung als Moore-Schaltwerk Zustandscodierung Binäre Codierung Codierung nach dem Gray-Code Ausgangsorientierte Codierung One-Hot -Codierung Wahl der Flipflops Zeitverhalten von Schaltwerken Übungen Multiplexer und Code-Umsetzer Multiplexer Multiplexer-Realisierung von Funktionen Code-Umsetzer Der BCD/Dezimal-Code-Umsetzer Demultiplexer Erzeugung von Funktionsbündeln Analoge Multiplexer und Demultiplexer Übungen Digitale Zähler Asynchrone Zähler Mod-8-Binärzähler Mod-6-Zähler Asynchrone Rückwärtszähler Zeitverhalten asynchroner Zähler Synchrone Zähler Bit-Dualzähler Mod-6-Zähler im Gray-Code Der synchrone 4-Bit Aufwärts/Abwärts-Binärzähler Übungen Schieberegister Zeitverhalten von Schieberegistern Schieberegister Rückgekoppelte Schieberegister

10 X Inhaltsverzeichnis Moebius-Zähler, Johnson-Zähler Pseudo-Zufallsfolgen Übungen Arithmetische Bausteine Volladdierer Serienaddierer Ripple-Carry-Addierer Carry-Look-Ahead Addierer Kaskadierung von Carry-Look-Ahead-Addierern Vergleich der Addierer Arithmetisch-logische-Recheneinheiten (ALU) Beispiele für Operationen Komparatoren Bit-Komparator Kaskadierbare Komparatoren Übungen Digitale Speicher Prinzipieller Aufbau von Speicherbausteinen ROM PROM EPROM EEPROM EAROM NOVRAM Statisches RAM (SRAM) Aufbau eines SRAM Beispiel SRAM Dynamisches RAM (DRAM) Aufbau eines DRAM Beispiel DRAM SDRAM (Synchrones DRAM) DDR-RAM (Double Data Rate DRAM) Eimerkettenspeicher Beispiel eines FIFOs Kaskadierung von Speichern Erweiterung der Wortlänge Erweiterung der Speicherkapazität Volldecodierung Teildecodierung Lineare Decodierung Übungen Programmierbare Logikbausteine ASIC-Familien Programmierbare Logik-IC (PLD) PLD-Typen

11 Inhaltsverzeichnis XI 14.3 ROM, EPROM, EEPROM PLA PAL GAL Programmierung von PLD-Bausteinen Test Field Programmable Gate Arrays (FPGA) Aufbau eines FPGA Konfigurierbare Logik-Blöcke (CLB) IO-Block Verbindungsleitungen Programmierung eines FPGA CPLD Aufbau einer CPLD Logik-Array Blöcke (LAB) IO-Steuerung Größe der CPLD Gate-Arrays Aufbau von Channelled Gate-Arrays Standardzellen-ASIC Vollkundendesign-ASICs Übungen VHDL Entwurfsverfahren für digitale Schaltungen Die Struktur von VHDL Typen Operatoren Entity Architecture Prozesse Struktureller Entwurf Busse Übungen Mikroprozessoren Prinzip kooperierender Schaltwerke Der Von-Neumann-Rechner Operationswerk Leitwerk Speicher Ein- und Ausgabe Betrieb Architektur des ATmega Anschlüsse des ATmega CPU-Register Programm-Speicher Daten-Speicher Funktionsabläufe bei der Befehlsausführung

12 XII Inhaltsverzeichnis 16.4 Assembler-Programmierung Adressierungsarten Befehlssatz Konventionen Transfer-Befehl Laden von Bytes Speichern von Bytes Arithmetische Befehle: Negation Arithmetische Befehle: Addition und Subtraktion Arithmetische Befehle: Setzen und Löschen von Bits in einem Register Arithmetische Befehle: Test und Vergleich Arithmetische Befehle: Logische Operationen Schiebe- und Rotationsbefehle Befehle zum Setzen und Löschen von Flags im SREG Absolut adressierter Sprung Relativ adressierter Sprung Relativ adressierte, bedingte Sprünge Befehl überspringen Befehle für Unterprogramme Assembleranweisungen Interrupt-Bearbeitung Übungen A Anhang A.1 Die Abhängigkeitsnotation A.2 Befehlssatz des ATmega A.3 Lösungen der Aufgaben A.4 Literatur A.5 Sachwortregister