Lehrveranstaltung. Hardwarenahe Rechnerarchitektur für CV (BIT) Übungen. Teil 1: Digitaltechnik

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1 Lehrveranstaltung Hardwarenahe Rechnerarchitektur für CV (BIT) Übungen Teil 1: Digitaltechnik Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Fakultät Elektrotechnik Institut für Elektronik, Signalverarbeitung und Kommunikationstechnik Lehrstuhl Technische Informatik WS 2008/09

2 1. Grundlagen der Schaltvorgänge Wiederholen Sie den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung an - Wirkwiderstand, - Induktivität und - Kapazität. Leiten Sie aus der integralen Darstellungsform für Strom bzw. Spannung die Erkenntnis ab, dass der Strom durch die Induktivität und die Spannung über der Kapazität nicht "springen" können. 2. Schaltvorgänge an einem RC Glied Gegeben ist eine Reihenschaltung von R = 1 k und C = 100 x 10-6 F. S E=10V R C i(t) U (t) C a) Berechnen Sie den Verlauf des Stroms i(t), der Spannung u c (t) und stellen Sie diese graphisch dar. b) Wodurch kommen die Verzögerungszeiten in digitalen Systemen zu Stande? c) Durch welche Maßnahmen lassen sich verschiedene Signallaufzeiten kompensieren? Die Aufgaben 3 bis 6 dienen zur Wiederholung bekannter Grundkenntnisse. 3. Digitale Grundgatter Informieren Sie sich über die logischen Funktionen der digitalen Grundgatter (Negator, AND, NAND, OR, NOR, EXOR) mit Hilfe der Schaltbelegungstabellen und den zugehörigen logischen Gleichungen. 4. RS-Flipflop mit NAND-Gattern a) Stellen Sie die Wertetabelle eines RS-Flipflops auf. b) Unter welchen Bedingungen können undefinierte Zustände auftreten? 5. JK-Master/Slave-Zähl-Flipflop a) Zeichnen Sie das Schaltbild auf der Basis von 9 NAND-Gattern. b) Stellen Sie die Schaltbelegungstabelle auf. 6. D-Flipflop aus 4 NAND-Gattern a) Stellen Sie die Gleichung Q n+1 = f(q n ;C;D) des D-FF auf. b) Überprüfen Sie, ob laufzeitbedingte Spikes (instabile Zustände, Hazards, Wettlauferscheinungen) am Ausgang auftreten können. c) Überlegen Sie, ob dieses D-FF mit Rückführung (von Q auf D) als Zähl-FF verwendet werden kann.

3 7. Variabler Frequenzteiler Zeichnen Sie das Impulsdiagramm für eine angenommene Voreinstellung "35". 8. Prinzip des Dualzählers Zeichnen Sie das Impulsdiagramm für einen aus 3 Zähl-FF bestehenden asynchronen dualen a) Vorwärtszähler, b) Rückwärtszähler. Wie kann die Umschaltung Vorwärts/Rückwärts realisiert werden? 9. Zähldekaden und voreinstellbare Zähler Entwerfen Sie eine Zählerschaltung für die digitale Anzeige der Uhrzeit in Sekunden, Minuten und Stunden. Berücksichtigen Sie beim Entwurf der Zähldekaden, dass die Uhr eine Stellfunktion beinhalten muss. Für den Zeittakt steht ein Quarztaktgeber mit der Frequenz von 1Mhz zur Verfügung. Welche elektronischen/schaltungstechnischen Maßnahmen sind zur Gewinnung eines Sekundentaktes erforderlich? Diskutieren Sie anhand des Schaltungsentwurfs Laufzeitprobleme in Zähl- und Arithmetikschaltungen. 10. Aufbau und Funktionsweise von Codewandlern a) Was für eine Art von Schaltung ist ein Codewandler? b) Mittels welcher Verfahren kann ein Codewandler entworfen werden? c) Welche Steuereingänge gibt es? d) Geben Sie als einfaches Beispiel für einen 1 aus 4-Decodierer (lowaktiv) die Schaltbelegungstabelle an. 11. Entwurf eines Gray-Binär-Codewandlers In welchen Merkmalen unterscheiden sich Gray- und Binärcode? Gray x Codewandler Binär a) Stellen Sie die Schaltbelegungstabelle (4 bit) auf. b) Geben Sie die Funktionen y = f(x) an. c) Minimieren Sie die gefundenen Funktionen y = f(x). d) Geben Sie eine entsprechende Schaltung des Codewandlers an. y

4 12. Entwurf einer Registeransteuerung Für acht Register, jeweils repräsentiert durch ein D-FF, ist ein Adressdecoder zu entwerfen und die gesamte Schaltung darzustellen. A 0 A 1 A 2 CE Adressdecoder 13. Laufzeiten Erläutern Sie Laufzeitprobleme in Addierern. 14. Aritmethik-Logik-Einheit Was verstehen Sie unter einer ALU?

5 Lehrveranstaltung Hardwarenahe Rechnerarchitektur für CV (BIT) Übungen Teil 2: Rechneraufbau, Spezialprozessoren, Bilderfassung Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Fakultät Elektrotechnik Institut für Elektronik, Signalverarbeitung und Kommunikationstechnik Lehrstuhl Technische Informatik WS 2008/09

6 1. Rechneraufbau Skizzieren Sie mit Hilfe eines Blockschaltbildes den prinzipiellen Aufbau eines Rechners und erläutern Sie seine Wirkungsweise. Wie unterscheidet die CPU zwischen Befehlscode und Datenwort? Wie erfolgt die prinzipielle Verarbeitung von Befehlscode und die Befehlsdecodierung in der CPU? 2. Ein- Ausgabesystem 2.1 Paralleler Port Ein 8-Bit-ADU sowie ein 12-Bit-DAU sollen über je ein PPI (Programmable Peripheral Interface) 8255 mit einem Rechner verbunden werden. Das Zusammenwirken wird über Handshake-Signale gesteuert (Mode 1). Die Datenübernahme durch den Mikroprozessor erfolgt innerhalb einer Interrupt-Routine. Als Interrrupt-Controller wird der Baustein 8259 eingesetzt Skizzieren Sie die Zusammenschaltung der Bausteine mit den erforderlichen Daten-, Adress- und Steuerleitungen Ermitteln Sie die Steuerworte zur Initialisierung der PPI Erstellen Sie den Programmablaufplan für die Initialisierung und die Datenübernahme. Wie verändert sich die Arbeitsweise, wenn statt Interruptverarbeitung Polling-Betrieb vorgesehen wird? Stellen Sie den Zeitverlauf der Handshakesignale dar! 2.2 Serieller Port Die Kopplung eines Rechners mit einem weiteren für den Duplexbetrieb ist zu realisieren. Als Peripherieschaltkreis soll der Baustein 8251 USART (Universal Synchron Asynchron Receiver Transmitter) in der asynchronen Betriebsart betrieben und entsprechend programmiert werden Skizzieren Sie den grundsätzlichen Aufbau des Übertragungssystems mit den notwendigen Verbindungsleitungen sowie den wichtigsten Signalen des 8251 am Bus und zeigen Sie, wie Sende- und Empfangstakt bereitgestellt werden Ermitteln Sie die Steuerworte zur Programmierung des 8251, wenn die Übertragung mit 9600 Baud erfolgen soll, das Datenformat durch acht Datenbits, ein Stop- sowie ein gerades Paritätsbit gekennzeichnet ist. Durch welchen Wert muss der Systemtakt von 1,8432 MHz zur Erzeugung von Sende- und Empfangstakt in Abhängigkeit vom Baudratenfaktor geteilt werden? Zeigen Sie den Zeitverlauf des Signals auf einer Datenleitung. Erläutern Sie die Arbeitsweise im Polling- sowie im Interruptbetrieb. Welche Statusbits werden im Pollingbetrieb abgefragt, bzw. welche Statusleitungen dienen zur Auslösung des Interrupts?

7 2.3 Interruptsystem Erläutern Sie die Verarbeitung mehrerer Interrupts Wie erfolgt der Sprung zur Interruptserviceroutine? 2.4 Speicheradressierung 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 plaziert werden. Die Nummer des Speicherblocks soll mit Jumpern ausgewählt werden können. Geben Sie eine geeignete Schaltung für einen Adreßdekoder an, der das Auswahlsignal des Speicherbausteins generiert. Realisieren Sie die Schaltung zum einen mit einem Digitalkomparator und zum anderen mit einem 1-aus-8-Dekoder. Berücksichtigen Sie dabei die wichtigsten Steuerleitungen des Mikrorechnerbusses (M/IO, R/W). Geben Sie die Jumperbelegung und die zugehörigen Adreßbereiche für die Auswahl des RAM- Bereiches an 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 plazierbar 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 Jumpern wahlweise über Negatoren oder direkt auf die Eingänge des UND-Gatters zu schalten. Berücksichtigen Sie die wichtigsten Steuerleitungen und geben Sie die Adreßbereiche an! 2.5 DMA 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! Zeigen Sie, ausgehend von der Grundarchitektur eines Mikrorechners, 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. 2.5 Cachestrukturen / -adressierung Erläutern Sie die Aufgabe und die Wirkungsweise von Cache-Speichern. Geben Sie das Blockschaltbild an. Gehen Sie dabei insbesondere auf die Strukturen und die Adressierungsmöglichkeiten ein. Wie wird der erforderliche, schnelle Zugriff (incl. Suche) auf die gewünschte Partition realisiert? Wie schnell muss der Zugriff wenigstens sein (im Vergleich zum Hauptspeicher)?

8 3. Spezialprozessoren und aktuelle Entwicklungen 3.1. Z8-Einchipmikrorechner Für eine Struktur gemäß Abbildung sind folgende Aufgaben zu realisieren: Port 1 8 ADU Vorgegebene Struktur RDY1 /DAV1 Port 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 Geben Sie die erforderlichen Steuerworte zur Initialisierung und den Programmablaufplan an Pipeline-Prozessor Ermitteln Sie die 16-Bit-Koeffizienten C(n) (Zweierkomplement) eines Pipeline-Prozessors (A100: 32-stufiger Multiplizierer-Akkumulator, siehe Arbeitsmaterialien) für folgende Glättungsvorschriften: y a) ˆ i 1 + yi + yi+ 1 y i = 3 3yi yi yi + 12yi+ 1 3yi+ 2 b) ŷi =. 35 Wählen Sie die Koeffizienten so, dass eine möglichst hohe Rechengenauigkeit erzielt wird. Der Teilerfaktor ist mit dem '24 of 36 selector' anzunähern, der entsprechend eine Division durch eine Zweierpotenz realisiert. Welche Werte erhalten die Koeffizienten, und welche Ausgangsleitungen des Multiplizierer-Addierer-Arrays sind mit Hilfe des '24 of 36 selector' auf den Ausgang zu schalten? 4. Datenerfassung 4.1 Grundlagen der digitalen Messtechnik a) Diskutieren Sie den Unterschied zwischen "digital" und "analog". b) Erläutern Sie die prinzipielle Wirkungsweise von Zeit- und Frequenzmessung. c) Was verstehen Sie unter dem digitalen Restfehler? 4.2 Analog-Digital-Umsetzer (ADU) nach dem Parallelverfahren mit Gray- Code-Ausgang (3 bit) a) Diskutieren Sie das Auftreten von Glitches (Spitzen des Ausgangssignals) bei der Umsetzung in den Dualcode. b) Erläutern Sie den Graycode (bei Übergang zur nächsten Quantisierungsstufe ändert sich immer nur ein Bit) und die damit verbundene prinzipielle Vermeidung von Glitches.

9 c) Entwerfen Sie einen ADU nach dem Parallelverfahren für 3 bit. d) Entwerfen Sie eine dem ADU nachzuschaltende kombinatorische Schaltung für einen Graycode-Ausgang. 4.3 ADU nach dem Wägeverfahren (sukzessive Approximation) a) Skizzieren Sie das Blockschaltbild des ADU und wiederholen Sie die Wirkungsweise der Umsetzung mittels sukzessiver Approximation. b) Zeichnen Sie das Impulsdiagramm für folgende Daten: Quantisierungsstufe: 100mV, Umsetzbreite: 4 Bit, Eingangsspannung: U E = 1,15V 6. Bilderfassung 6.1 Abbildung und Digitalisierung von Bildern a) Erläutern Sie die Abbildung einer Bildszene auf einen CCD-Sensor. b) Wie erfolgt die Umwandlung der Lichtenergie in eine Ladung? Auf welche Art und Weise werden die Ladungen aus dem Sensor ausgelesen? c) Beschreiben Sie den Vorgang der Umsetzung des analogen Spannungssignales in ein digitales Signal. Welche Anforderungen muss ein Video-ADU erfüllen? d) Wie beeinflusst die Verstärkung des analogen Spannungssignales die Bildqualität? e) Beschreiben Sie das Prinzip der pixelsynchronen Digitalisierung von Bildern. Welche Vorteile bietet diese Art der Digitalisierung? f) Was ist ein CMOS Sensor? 6.2. Bildverarbeitungssystem Erläutern Sie den Aufbau eines Bildverarbeitungssystems! Welche Komponenten sind notwendig, um einen PC zum Bildverarbeitungssystems auszubauen? Informieren Sie sich über die wesentlichen Funktionen der Komponenten! Nach welchen Kriterien muss ein Bildverarbeitungssystems aufgebaut werden? 6.3. Look-up-Table Informieren Sie sich über Realisierungsmöglichkeiten und Vorteile von LUT. An einem Bild mit 256 Graustufen sollen mit Hilfe einer Look-up Table die folgenden Veränderungen durchgeführt werden. - Invertierung des Bildes - Kontrastspreizung um den Faktor 2 - Binarisierung Wie muss die entsprechende Look-up-Table aussehen? Zeichnen Sie für jeden Fall die entsprechende Kurve! Berechnen Sie den Ausgang der LUT, wenn die Pixel des folgenden Bildausschnitts die Eingangswerte bilden: