Digitaltechnik. vieweg. Klaus Fricke. Lehr- und Übungsbuch für Elektrotechniker und Informatiker

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1 Klaus Fricke Digitaltechnik Lehr- und Übungsbuch für Elektrotechniker und Informatiker 2., durchgesehene Auflage Mit 147 Abbildungen und 86 Tabellen Herausgegeben von Otto Mildenberger vieweg

2 VII 1 Einleitung 1 2 Codierung und Zahlensysteme Codes Binärcode Festkomma-Arithmetik im Binärsystem Ganzzahlige Addition im Binärsystem Addition von Festkommazahlen Einerkomplementdarstellung Zweierkomplementdarstellung Subtraktion in Zweierkomplementdarstellung Bereichsüberschreitung Multiplikation Division Hexadezimalcode : Oktalcode Graycode BCD-Code Alphanumerische Codes Übungen 13 3 Schaltalgebra Schaltvariable und Schaltfunktion Zweistellige Schaltfünktionen Rechenregeln Kanonische disjunktive Normalform (KDNF) Kanonische konjunktive Normalform (KKNF) Darstellung von Funktionen mit der KKNF und KDNF Minimieren mit Hilfe der Schaltalgebra Vereinfachte Schreibweise Schaltsymbole Grundsätzlicher Aufbau der Symbole Die Abhängigkeitsnotiation Die UND-Abhängigkeit (G) Die ODER-Abhängigkeit (V) : Die EXOR-Abhängigkeit (N) Die Verbindungs-Abhängigkeit (Z) Die Übertragungs-Abhängigkeit (X) Übungen 30 4 Verhalten logischer Gatter Positive und negative Logik Definition der Schaltzeiten 33

3 VIII 4.3 Übertragungskennlinie, Störabstand Ausgänge Offener Kollektor (Open Collector) Tri-State-Ausgang Übungen 40 5 Schaltungstechnik CMOS Fan-Out Grundschaltungen NAND und NOR Transmission-Gate Tristate-Ausgang CMOS-Eigenschaften TTL Belastung der Ausgänge Emitter-Coupled Logic (ECL) Integrierte Injektions-Logik (I 2 L) Verlustleistung und Schaltverhalten von Transistorschaltern Übungen 54 6 Schaltnetze Minimierung mit Karnaugh-Veitch-Diagrammen Minimierung der KDNF ; Minimierung der KKNF Karnaugh-Veitch-Diagramme für 2, 3, 5 und 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 Strukrurhazards Funktionshazards Klassifizierung von Hazards Übungen 71 7 Asynchrone Schaltwerke Prinzipieller Aufbau von Schaltwerken Analyse asynchroner Schaltwerke Systematische Analyse Analyse unter Berücksichtigung der Gatterlaufzeit Speicherglieder RS-Flipflop RS-Flipflop mit Takteingang D-Flipflop Flankengesteuertes D-Flipflop Zweiflankensteuerung JK-Flipflop 90

4 IX T-Flipflop Beispiel Zusammenfassung Flipflops Übungen 95 8 Synchrone Schaltwerke Synthese von Schaltwerken (Beispiel 1) Aufgabenstellung Aufstellen des Zustandsdiagramms Struktur der Maschinensteuerung Aufstellen der Zustandsfolgetabelle Aufstellen der Ansteuertabelle und der Ausgangstabelle Synthese von Schaltwerken (Beispiel 2) Aufgabenstellung Aufstellen des Zustandsdiagramms Aufstellen der Zustandsfolgetabelle Entwicklung eines Schaltnetzes für die Ansteuersignale Vollständige Zustandstabelle Vollständiges Zustandsdiagramm 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 Modulo-8-Binärzähler Modulo-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 132

5 X 11 Schieberegister Zeitverhalten von Schieberegistern Schieberegister Rückgekoppelte Schieberegister 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 RAM Statisches RAM Beispiel RAM Dynamisches RAM Quasistatisches DRAM Eimerkettenspeicher Beispiel eines FIFOs Kaskadierung von Speichern Erweiterung der Wortlänge Erweiterung der Speicherkapazität Volldekodierung Teildekodierung Lineare Dekodierung Übungen Programmierbare Logikbausteine ASIC-Familien 191

6 XI 14.2 Programmierbare Logik-ICs (PLD) PLD-Typen ROM, EPROM, EEPROM PLA PAL GAL Programmierung von PLD-Bausteinen Test Field Programmable Gate Arrays (FPGA) Aufbau eines FPGAs Konfigurierbare Logik-Blöcke (CLB) IO-Block Verbindungsleitungen Programmierung eines FPGAs EPLD Beispiel EPLD: CY7C Gate-Arrays Aufbau von Channeled Gate-Arrays Standardzellen-ASIC Vollkundendesign-ASICs Übungen Entwicklungs-Software Entwurfsverfahren für digitale Schaltungen ABEL, ABEL-Programm: Adressdekoder ABEL-Programm: Schaltwerk Übungen Prinzip des Mikroprozessors Kooperierende Schaltwerke Der von Neumann-Rechner Operationswerke Architektur von Operationswerken Bussysteme Leitwerke Mikroprogrammierung Übungen Der Mikroprozessor 8085A Aufbau des 8085A Anschlüsse des Speicher- und Peripherie Peripheriebausteine Die Parallelschnittstelle Funktionsabläufe bei der Befehlsausführung Der Operationcode -Fetch-Zyklus (OF) 247

7 XII Der Memory-Read-Zyklus (MR) Der Memory Write-Zyklus (MW) Beispiel für eine Befehlsausführung Interruptsteuerung Assembler-Programmierung Befehlssatz Transferbefehle Adressierung Register" Adressierung Register Indirekt" Adressierung Immediate" Adressierung Direkt" Arithmetische Befehle : Logische Operationen, Setzen und Löschen des Carry-Flags Schiebebefehle Programmverzweigungen Beispiel für einen Sprung Befehle für Unterprogramme Befehle für die Prozessorsteuerung Assemblerbefehle Programmbeispiele Programmierung der Parallelschnittstelle Datenübergabe an Unterprogramme Übungen '. 272 A Anhang 273 A.l Die Abhängigkeitsnotation 273 A.2 Befehlssatz des 8085A 277 Lösungen der Aufgaben 283 Literatur 305 Sachwortregister 309

Inhaltsverzeichnis. 1 Einleitung 1

Inhaltsverzeichnis. 1 Einleitung 1 vn 1 Einleitung 1 2 Codierung und Zahlensysteme... 3 2.1 Codes... 3 2.2 Dualcode....4 2.3 Festkonnna-Arithmetik im Dualsystem... 5 2.3.1 Ganzzahlige Addition im Dualsystem... 5 2.3.2 Addition von Festkommazahlen...

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