GRUNDLAGEN DER INFORMATIONSTECHNIK. Übungen TEIL 1 RECHNER

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1 GRUNDLAGEN DER INFORMATIONSTECHNIK Übungen TEIL 1 RECHNER Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Elektronik, Signalverarbeitung und Kommunikationstechnik Lehrstuhl Technische Informatik

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3 Inhaltsverzeichnis 0. Einführung 1. Grundlagen der digitalen Schaltungstechnik 4 2. Ein-/Ausgabebaugruppen 5 3. Speicherzugriff 6 4. Spezialprozessoren 7 3

4 0. Einführung Zahlensysteme, Binär-Hexadezimaldarstellung, 2er Komplement, Binäre Rechenoperationen, Kodierungen, Digitale Wörter (Nibble, Byte,...), große Zahlen (Kilo, Mega, Giga,...), Festkomma-/Gleitkomma 4

5 1. Grundlagen der digitalen Schaltungstechnik 0. Grundgatter und Flipflops a) Wie können Grundgatter zusammengeschaltet werden? b) Wie funktioniert die Speicherfunktion in Flipflops? 1. Master/Slave-Flipflop (MS-FF) a) Zeigen Sie die Flankensteuerung an einem MS-FF! a) Zeigen Sie die Funktion eines JK-MS-FFs anhand der Schaltbelegungstabelle! b) Zeigen Sie die Datenübernahme an einem D-FF anhand eines Zeitablaufplans! 2. Aufbau und Funktionsweise von Codewandlern a) Geben Sie für einen BCD-zu-7-Segment-Decoder die Schaltbelegungstabelle sowie eine Schaltungsrealisierung an. Handelt es sich um einen vollständigen oder unvollständigen Codewandler? b) Geben Sie für einen 1-aus-4-Decoder (Low-aktiv) die Schaltbelegungstabelle sowie eine Schaltungsrealisierung mit NAND-Gattern an. 3. Umschalter (Multiplexer) Entwerfen Sie als Sonderfall des Multiplexers einen einfachen Umschalter gemäß folgender Schaltbelegungstabelle: A Y 0 D0 1 D1 a) Stellen Sie die Gleichung Y = f(a; D0; D1) auf. b) Geben Sie dazu eine Schaltung an. 4. Zusammenschaltung von Multiplexern Geben Sie an, wie man einen 16-auf-1-Multiplexer aus 4-auf-1 Multiplexern realisieren kann. Welche Variante ergibt sich bei Tri-State-Fähigkeit? 5. Prinzip des Dualzählers Welche Flipflops sind als Binäruntersetzer geeignet? Zeichnen Sie Schaltbild und Impulsdiagramm für einen aus 3 Zähl-FF bestehenden asynchronen dualen a) Vorwärtszähler, b) Rückwärtszähler. 6. Parallel- und Serienregister a) Welche Arten von Registern unterscheidet man? Nennen Sie entsprechende Anwendungsbereiche. b) Entwerfen Sie ein dreistufiges Schieberegister mit seriellem Ein- und Ausgang! 5

6 2. Ein-/Ausgabebaugruppen Ein Rechner soll Analogwerte einlesen und ausgeben können. Dafür sind als Peripheriebaugruppen ein Analog-Digital-Umsetzer (ADU) sowie ein DAU (Digital- Analog-Umsetzer) vorgesehen und werden parallel angeschlossen. Außerdem soll eine serielle Schnittstelle die Kommunikation mit einer weiteren Peripheriebaugruppe ermöglichen. Skizzieren Sie die Zusammenschaltung der Bausteine mit den erforderlichen Daten-, Adress- und Steuerleitungen, ermitteln Sie die Steuerworte für die Bausteine und erläutern Sie die Funktion im Interrupt- bzw. Pollingbetrieb. 1. Paralleler Port ADU und DAU (jeweils 8 Bit) sollen über ein PPI (Programmable Peripheral Interface) 8255 mit einem Rechner verbunden werden. Das Zusammenwirken wird über Handshake- Signale gesteuert (Mode 1). Die Datenübernahme durch den Prozessor erfolgt innerhalb einer Interrupt-Routine. Als Interrupt-Controller wird der Baustein 8259 eingesetzt Ermitteln Sie die Steuerworte zur Initialisierung der PPI Wie werden die Steuerworte ausgegeben (benötigte Befehle: mov, out)? 1.2. Wie erfolgt die Datenübernahme per Interrupt? Wie lauten die Befehle für die Eingabe bzw. Ausgabe (benötigte Befehle: mov, push, pop, in, out, iret) in der Interrupt-Service-Routine? 1.3. Erläutern Sie den Zeitverlauf der Handshakesignale! 2. Serieller Port Als Schnittstelle zur Peripheriebaugruppe soll der Baustein 8251 USART (Universal Synchron Asynchron Receiver Transmitter) in der asynchronen Betriebsart verwendet und entsprechend programmiert werden Zeigen Sie, wie Sende- und Empfangstakt mit dem Timer-Baustein 8253 bereitgestellt werden können Ermitteln Sie die Steuerworte zur Programmierung des 8251, wenn die Übertragung mit 9600 Baud erfolgen soll, für das Datenformat acht Datenbits, ein Stopp- sowie ein gerades Paritätsbit vorgegeben sind. Durch welchen Wert muss der Systemtakt von 1,8432 MHz zur Erzeugung von Sende- und Empfangstakt in Abhängigkeit vom Baudratenfaktor geteilt werden? 2.3. Zeigen Sie den Zeitverlauf des Signals auf einer Datenleitung. Erläutern Sie die Arbeitsweise im Pollingbetrieb. Welche Statusbits werden im Pollingbetrieb abgefragt? Wie würde die Abfrageschleife in Assembler aussehen! 6

7 3. Speicher- und Portzugriffe 1. Adressierung und Chipauswahl 1.1. Für einen E/A-Baustein (Port), an den direkt zwei Adressleitungen (A0,A1) heranführen, soll das CS-Signal so generiert werden, dass er im E/A-Adressraum (Adressen ) durch Setzen von Jumpern platzierbar ist (Adressschritte von 4). Geben Sie eine geeignete Schaltung für einen Adressdekoder an, in der ein 8fach-UND-Gatter verwendet wird. Die erforderlichen Adressleitungen sind mit den Multiplexern wahlweise über Negatoren oder direkt auf die Eingänge des UND-Gatters zu schalten. Berücksichtigen Sie die wichtigsten Steuerleitungen und geben Sie die Adressbereiche an! 1.2. Ein Speicher (RAM) von 512 MByte (128 M Worte) soll innerhalb des Adressraums eines Rechners von 4 G (Byte-adressiert) in Schritten von 512 M platziert werden. Die Nummer des Speicherblocks (Segments) soll mit einem Register bereitgestellt werden. Geben Sie eine geeignete Schaltung für einen Adressdekoder an, der das Auswahlsignal des Speicherbausteins generiert. Realisieren Sie die Schaltung zum einen mit einem Digitalkomparator! Berücksichtigen Sie dabei die wichtigsten Steuerleitungen des Rechnerbusses (M/IO, R/W). Geben Sie die Adressbereiche der auswählbaren Speichersegmente an. 2. DMA 2.1. Welche Funktionen nimmt der DMA-Controller der CPU ab? Welche Fähigkeit muss die CPU besitzen, um einen DMA-Transfer zu ermöglichen? Nennen Sie Beispiele, bei denen DMA eine sinnvolle Form des Datentransfers darstellt! 2.2. Zeigen Sie, ausgehend von der Grundarchitektur eines Rechners, die für die Funktion wichtigsten Verbindungsleitungen eines DMA-Controllers mit der CPU sowie mit den Interfaces bzw. Peripheriegeräten. Erläutern Sie die ablaufenden Vorgänge, wenn das Peripheriegerät einen Datentransfer anfordert Zeigen Sie Möglichkeiten der Datenübertragung mit und ohne DMA-Controller sowie Unterschiede zwischen Blocktransfer und Handshake-Betrieb. 7

8 4. Spezialprozessoren und aktuelle Entwicklungen 1. Einchipcontroller Mit einem Z8-Einchipcontroller und einem Analog-Digital-Umsetzer soll ein Analogwert überwacht werden. Dafür ist folgende Struktur vorgesehen: Port 1 8 ADU Vorgegebene Struktur RDY1 /DAV1 Port und folgende Aufgaben sollen realisiert werden: - Anschluss eines 8-Bit-ADU an Port 1, Handshake-Betrieb mit Interrupt - Überwachung des ADU-Wertes auf Grenzwertüber- und -unterschreitung; 62<=Wert<=192 - Anzeige der Über- und Unterschreitung über Port 3 mit LED. Ermitteln Sie die erforderlichen Steuerworte zur Initialisierung! Wie wird die Funktion programmtechnisch umgesetzt? 2. Multiprozessorsysteme Verschaffen Sie sich einen Überblick über Funktionsweise und Möglichkeiten der Zusammenschaltung in Mehrprozessorsystemen! 8