Digitaltechnik. Andreas König. Professur Technische Informatik Fakultät Informatik Technische Universität Chemnitz. Wintersemester 2001/2002

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1 Andreas König Professur Technische Informatik Fakultät Informatik Technische Universität Chemnitz Wintersemester 2001/2002 Andreas König Folie 10-1 Vorlesungsgliederung: 1. Einführung 2. Kodierung und Arithmetik 3. Grundlagen der Booleschen Algebra 4. Entwurf zweistufiger kombinatorischer Logik 5. Zieltechnologien und Technologieanpassung 6. Zeitliches Verhalten kombinatorischer Schaltnetze 7. Entwurf sequentieller Schaltwerke 8. Funktionsblöcke digitaler Rechner und Systeme 9. Entwurf von Systemen der 10. Andreas König Folie 10-2

2 Rekapitulierung der Vorlesungsinhalte Die Vorlesung stellte die Grundlagen der von der Booleschen Algebra, der Kodierung, der Arithmetik bis zum Konzept des speicherprogrammierbaren Rechners nach von-neumann dar Allgegenwärtigkeit Digitaler Systeme von einfachen Kontrollanwendungen bis zur komplexen Signalverarbeitungsaufgaben Starke Wechselwirkung zwischen und Mikroelektronik Steigende Komplexität und wachsender Integrationsgrad Digitaler Systeme Andreas König Folie 10-3 Rekapitulierung der Vorlesungsinhalte Erfordernis des systematischen und kostenminimalen Entwurfs Digitaler Systeme mit fortschreitendem Automatisierungsgrad Manuelle und rechnergestützte Entwurfsmethoden für Schaltnetze und Schaltwerke (Automaten) wurden vorgestellt und vertieft Ergänzung: Zieltechnologien, Entwurfsstile und Technologieanpassung Die Grundlage für Veranstaltungen der Rechnerorganisation und architektur sowie des Entwurfs eingebetteter Systeme wurde gelegt Andreas König Folie 10-4

3 Zusammenfassung und Gegenüber dem offensichtlichen Desktop-Computing gewinnen Embedded und Portable Systems ständig an Bedeutung FPGA/ FPGA/ ASIC ASIC Memory Sensors Sensors ADC ADC Processing Unit Unit DAC DAC Actuators Human Human Ifc Ifc Diagnostics Aux. Aux. Systems Andreas König Folie 10-5 Zusammenfassung und In dieser einführenden Vorlesung wurde nur der Entwurf digitaler Komponenten und Systeme geringer Komplexität betrachtet Erweiterung durch HDL-Modellierung und Synthesemethoden erforderlich (z.b. mehrstufige Logikminimierung...) In den Optimierungsbetrachtungen wurden im wesentlichen die Gatterzahl und -tiefe (Fläche, Verlustleistung, Geschwindigkeit) betrachtet Weitergehende Fragen: Korrektheit (Keine Entwurfsfehler) Testbarkeit (Keine Herstellungsfehler) Wartbarkeit Zuverlässigkeit/Ausfallsicherheit/Fehlertoleranz Aubauend auf allgemeine Kenntnisse der Rechnerorganisation und architektur Entwurf dedizierter Prozessoren/ASICs (Low-Power... ) Wachsende Bedeutung rekonfigurierbarer Systeme, z.b. Prozessoren, die im Verlauf der Befehlsabarbeitung ihr Rechenwerk verändern Andreas König Folie 10-6

4 Primäre Literatur zur Vorlesung: 1. R.H. Katz, Contemporary Logic Design, Benjamin/Cummings, 1994 (Bemerkenswertes Buch mit zahlreichem, verfügbarem Ergänzungsmaterial) 2. H.M. Lipp, Grundlagen der, Oldenbourg Verlag München Wien, 3. Korr. Auflage, B. Eschermann, Funktionaler Entwurf digitaler Schaltungen, Springer, R. Hoffman, Rechenwerke und Mikroprogrammierung, Oldenbourg Verlag München Wien, D.J. Smith, HDL Chip Design A Practical Guide for Designing, Synthesizing and Simulating ASICs and FPGAs using VHDL or Verilog, Doone Publications, Madison, AL, USA, 9. Prt., R. Piloty, Schaltwerktechnik, Skriptum, TU Darmstadt, 1986 Andreas König Folie 10-7 Weitere Literatur zur Vorlesung bzw. zur Vertiefung: 1. M. Seifart, H.Beikirch, Digitale Schaltungen, Verlag Technik Berlin, 1998 (Umfassendes Buch zur Schaltungstechnik, lesenswertes Kapitel zu programmierbaren Logikbausteinen) 2. J. Millman, A. Grabel, Microelectronics, McGrawHill, (Sehr empfehlenswertes Buch: In Teil 2 Digital Circuits and Systems ist u.a. Schaltungstechnik von Logikfamilien sehr gut zusammengestellt) 3. R. Heinemann, PSPICE Einführung in die Elektroniksimulation, Hanser, 2001 (beiliegende CD-ROM mit PSPICE Studentenversion und Gatterbibliothek mit IEC-Gattersymbolen) 4. Altera MAX+PLUS II VHDL, Dokumentation zum Programmable Logic Development System, W. Hilberg, Digitale Speicher 1, Oldenbourg, (Unfassende Übersicht über Speicherprinzipien und deren Entwicklung sowie Assoziativspeicherkonzepte) Andreas König Folie 10-8

5 Weitere Quellen mit Beispielen, Anregungen oder Veranschaulichungen: 1. University of California at Davis, Computer Science Museum ( 2. Microprocessor Timeline (Verwendet in Kapitel 1, 3. Moore School of Engineering, ENIAC-on-a-Chip, (Bezug in Kapitel 1, 4. H. Zuse, TU Berlin, (ZUSE-Rechner aus Kapitel 1) 5. D. Monjau,, Skriptum zur Vorlesung, TU Chemnitz, H. Eveking, Logischer Entwurf, Skriptum zur Vorlesung, TU Darmstadt, (Umfassende Vorlesung mit weitergehenden theoretischen Betrachtungen, z.b. zu OBDDs: 7. H.D.Wuttke, K.Henke, Schaltsysteme, Interaktive Arbeitsblätter zur Vorlesung, TU Ilmenau, ( Vorlesung leider nicht vollständig vom Internet erreichbar, aber Zugang zu sehr anschaulichen Animationen zur ) Andreas König Folie 10-9 Software zur Vorlesung für Hands-On-Erfahrungen: 1. PSPICE, Schaltkreissimulator für Mixed-Signal-Simulation, Studentenversion: (Schematic Entry und Simulation des statischen und zeitlichen Verhaltens von Logikschaltungen) 2. ESPRESSO, Werkzeug zum Minimieren zweistufiger Logik, Entwicklung an der UCB, frei verfügbare PC-Version 3. VHDL-Umgebung, Active-HDL, (Günstige Erreichbarkeit von Werkzeugen und Tutorials durch University Programm; 4. SystemC, SystemC-Homepage (Umfangreiche Informationen zur Sprache selbst, sowie Software (Simulator), SystemC- Newsgroup und viele Links zu Anbietern verschiedenster Tools, Einführender Seminarvortrag zum Thema SystemC in Kürze auf den Webseiten der Professur Technische Informatik verfügbar Andreas König Folie 10-10

6 Hinweise zu Folgeveranstaltungen und Prüfungen: 1. Im 2. Semester werden durch die Professur Technische Informatik keine Veranstaltungen im Grundstudium angeboten 2. Im 3. Semester ist das durch die Professur Technische Informatik angebotene Hardware-Praktikum zu absolvieren. In diesem Praktikum werden die in der Lehrveranstaltung vermittelten Kenntnisse praktisch angewendet und vertieft. In den Versuchsanleitungen wird PSPICE eingesetzt und die Nutzung von PSPICE in den Versuchsprotokollen wird erwartet. 3. Nach dem 3. Semester ist die Diplomvorprüfung Technische Informatik abzulegen. Aufgaben zur Lehrveranstaltung sind Bestandteil dieser Prüfung. Die Professur Technische Informatik wird gegen Ende des 3. Semesters Konsultationen anbieten. Andreas König Folie 10-11