Digitale Schaltungen. Prof. Dr. sc. techn. Manfred Seifart. Verlag Technik GmbH Berlin. 4., bearbeitete Auflage
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1 Digitale Schaltungen Prof. Dr. sc. techn. Manfred Seifart 4., bearbeitete Auflage Verlag Technik GmbH Berlin
2 Inhaltsverzeichnis Schreibweise und Formelzeichen der wichtigsten Größen Einleitung Analoge und digitale Signale Analoge Signale Digitale Signale Aufgaben digitaler Schaltungen Vorteile der digitalen Signalverarbeitung Realisierung digitaler Systeme Verdrahtungs- und speicherprogrammierte Signalverarbeitung Verknüpfungs- und Arbeitsprinzipien Kombinations- und Folgeschaltungen Standard- und Kundenschaltungen Entwicklung der digitalen Schaltungstechnik Zahlendarstellung und Grundrechenarten Zahlendarstellung in der Digitaltechnik Zahlensysteme Dualsystem (natürliches Binärsystem) Oktalsystem Hexadezimalsystem (Sedezimalsystem) BCD-Zahlen Bipolare Darstellung Vorzeichen und Betrag Offsetbinäre Darstellung Einerkomplement-Darstellung Zweierkomplement-Darstellung Grundrechenarten im Dualsystem Addition Subtraktion Multiplikation Division Logikgatter Positive und negative Logik Pegelbereiche Elementare Grundgatter Beispiele für erweiterte Grundgatter. Verdrahtete Logik Kenngrößen von Logikgattern Statische Kenngrößen Dynamische Kenngrößen 57
3 8 Inhaltsverzeichnis 4. Schaltungsfamilien Bauelemente in monolithischen integrierten Schaltungen Bipolare integrierte Schaltungen TTL-Schaltungen Überblick TTL-Grundgatter Varianten Eigenschaften Low-power-Schottky-TTL-Familie (LS-TTL) I 2 L-Schaltungen ECL-Schaltungen MOS-Schaltungen Statische MOS-Schaltungen Einkanal-MOS-Schaltungen CMOS-Schaltungen (Komplementäre MOS-Technik) Inverter Verknüpfungsprinzipien. Grundschaltungen Beispiele industrieller IS-Baureihen Herstellungstechnologie Trend Dynamische MOS-Schaltungen Vergleich der Schaltungsfamilien Interfaceschaltungen. Störempfindlichkeit Weitere Entwicklung der Technologie integrierter Schaltungen Rückgekoppelte Kippschaltungen Einführung Schmitt-Trigger (Schwellwertschalter) Schmitt-Trigger mit Operationsverstärker bzw. Analogkomparator Schmitt-Trigger mit Einzeltransistoren Integrierte Schaltungen Flipflop-Stufen Wirkprinzip. Grund-Flipflop Getaktete Flipflops Zähl-Flipflops (Zwischenspeicher-Flipflops) Systematik der Flipflop-Stufen Unterscheidung hinsichtlich der Wirkungsweise des Taktimpulses Unterscheidung hinsichtlich des logischen Verhaltens Univibratoren (Monoflops) Multivibratoren (astabile Multivibratoren) Aufbau mit diskreten Bauelementen Aufbau mit Operationsverstärkern Aufbau mit logischen Gattern; integrierte Multivibratoren Frequenzverdoppler. Frequenzvervielfacher Sperrschwinger Kodewandler und Multiplexer Kodewandler 148
4 Inhaltsverzeichnis Dekodierer Kodierer 157 Multiplexer und Demultiplexer 157 « Multiplexer Grundstruktur Zusammenschalten von Multiplexern Anwendung Demultiplexer Grundstruktur Zusammenschalten von Demultiplexern Anwendung 166 Zähler und Frequenzteiler 168 Dualzähler Asynchrone Dualzähler Reiner Binärzähler Rückwärtszähler Vorwärts-Rückwärts-Zähler Synchrone Dualzähler 173 Dezimalzähler 175 Zähler und Teiler für beliebige Teilerverhältnisse 181 Vorwahl. Voreinstellung 183 Mehrstufige Zähler 185 Integrierte Schaltungen 187 Anwendungen 193 Anzeigeelemente und ihre Ansteuerschaltungen 195 Digitale Anzeigeelemente Projektionseinheiten Gasentladungsanzeigeröhren Lumineszenzdiodenanzeigen (LED) Flüssigkristallanzeigen (LCD) Vakuumfluoreszenzanzeigen (Fluoreszenzanzeigeröhren; Digitrons) Elektrolumineszenzanzeigen (ELD) Ferroelektrische Displays 202 Ansteuerung digitaler Anzeigeelemente Grundprinzip Multiplexbetrieb von Anzeigeeinheiten Ansteuerung von LCD 208 Quasianaloganzeigen LED-Ansteuerschaltkreis A 277 D Plasma-Leuchtbalkenanzeige 211 Halhleiterspeicher 212 Gruppen von Halbleiterspeichern 213 Parallelregister 215 Schieberegister Wirkungsweise 220
5 10 Inhaltsverzeichnis Varianten Umlaufspeicher Dekadische Ringzähler Takt-, Wort- und Zufallsgeneratoren Anwendungen Ladungsgekoppelte Anordnungen (CCD-Speicher) Wirkungsweise Technische Realisierung Matrixspeicher Festwertspeicher (ROM) Struktur Programmierbare Festwertspeicher (PROM, EPROM, EEPROM) Schreib/Lese-Speicher (RAM) Statische RAMs Dynamische RAMs Assoziativspeicher (CAM) Ladungsgekoppelte Schaltungen und Magnetblasenspeicher Weitere Speicherprinzipien Anwendungen von Festwertspeichern Kombinatorische ROM-Anwendungen (Schaltnetze) Tabellenspeicher (Look-up-Tafeln) Funktionsgeneratoren Kodewandler Zeichengeneratoren Sequenzgeneratoren ROM-Schaltnetze (Kombinatorische Schaltungen) allgemein Sequentielle ROM-Anwendungen (Schaltwerke) Prinzip Beispiele Anwendungsspezifische Schaltkreise (ASICs) Überblick Programmierbare Logikanordnungen Prinzipielle Struktur einer PLA Wirkungsweise einer PLA Entwurfsmethodik für die PLA-Programmierung Sequentielle Schaltungen mit PLAs Programmier- und löschbare Logikanordnungen EPLDs Makrozellenstruktur Zustandsmaschinen mit EPLDs Programmentwicklungswerkzeuge Mikrosequenzer GAL-Schaltkreise Programmierbare Gate Arrays (LCAs) Architektur Konfigurierbare Logikblöcke E/A-Block 296
6 Inhaltsverzeichnis Die programmierbaren Verbindungen Entwicklungssystem Gate Arrays Aufbau von Gate Arrays Entwurf von Gate Arrays Industrielle Beispiele Analogschaltungen Standardzellen Arithmetische Grundschaltungen Binäre Komparatoren Addierer und Subtrahierer für Dualzahlen bit-Addierer Mehrstellige Addierer und Subtrahierer Arithmetik-Logik-Einheit Fehlererkennung (Parität) Mikroprozessoren und Mikrorechner (Hardware) Struktur und Funktion eines Mikrorechners Idealer Mikrorechner Struktur des Mikrorechners Bussystem Arbeitsweise eines Mikrorechnerminimalsystems Mikroprozessor Architektur Funktion Arbeitszyklen des Prozessors Abarbeitung eines Befehls Anschluß von Speichern Allgemeines Anschluß von ROMs Anschluß von RAMs Eingabe/Ausgabe-Verfahren Adressierung des Peripheriegerätes Getrennte (isolierte) Adressierung und Speicheradressierung ( memory mapped" E/A) Dual kodierte und lineare Adressenauswahl Datenaustausch Programmierter Datenaustausch Synchroner (unbedingter) Datenaustausch Asynchroner (bedingter) Datenaustausch (Handshake-Methode) Interruptbetrieb (Programmunterbrechung) Interrupt-Realisierungsmöglichkeiten Mehrfachinterrupt Interruptarbeitsweise Direkter Speicherzugriff (DMA) Serielle Datenübertragung Beispiele industrieller E/A- und Zusatzschaltungen 372
7 12 Inhaltsverzeichnis Überblick Einfache Interfaceschaltungen Schaltkreis für parallele Ein- und Ausgabe Schaltkreis für serielle Ein- und Ausgabe Zähler/Zeitgeber Beispiele industrieller Mikroprozessoren/Mikrorechner Übersicht und Trend bit-Mikroprozessoren Intel Architektur Arbeitszyklen des Prozessors Typischer Mikrorechner mit dem Mikroprozessor U 880 (Z 80) Architektur Adressierungsarten, Befehle Interface zum 8080-System Mikrorechner mit der CPU U 880 (Z 80) Intel 8085 A bit-Mikroprozessoren Intel 8086 (K 1810 WM 86) System Z bit-Mikroprozessoren Einchipmikrorechner /8051/ U 881 bis U 886 (Z 8) Anwendungsspezifische Einchipmikrorechner Betriebsarten mit reduziertem Leistungsverbrauch Multiprozessor- und Mehrrechnersysteme Signalprozessoren RISC-Architekturen Transputer Mikroprozessoren und Mikrorechner (Software) Einführung Initialisierungsroutinen Schritte bei der Programmerstellung Flußdiagramme Programmiersprachen Maschinensprache (maschinenorientiert) Assemblersprache Höhere Programmiersprachen (anwendungs- oder problemorientiert) Schreibweise von Assemblerprogrammen Adressierungsarten Befehle Programmstrukturen Offene Strukturen Geschlossene Strukturen 482
8 Inhaltsverzeichnis Programmierungstechniken Geradeausprogrammierung Verteiler Schleifentechnik Unterprogrammtechnik Makros Bitmanipulation Programmierbeispiel Systementwurf mit Mikroprozessoren Entwicklungshilfsmittel Hardware-Entwicklungshilfsmittel Software-Entwicklungshilfsmittel Cross-Software Residente Software Hilfsschaltungen für digitale Systeme Kontaktentprellung Erzeugung von Nadelimpulsen Synchronisation asynchroner Signale Ausblenden einer Impulsgruppe Takterzeugung Hilfsspannungserzeugung Datenübertragung und Störeinflüsse Bussysteme Allgemeines Einheitliche Busschnittstellen Parallele Bussysteme Multibus I Multibus II IEC-Bus (IMS-2) Serielle Bussysteme Datenübertragung Allgemeines Einheitliche serielle Schnittstellen Störungen Interne Störsignale Externe Störsignale Entwurf digitaler Systeme Entwurf von Kombinationsschaltungen (Schaltnetze) Beschreibungsmöglichkeiten von Kombinationsschaltungen Schaltfunktion Schaltbelegungstabelle (SBT) Schaltbelegungstabelle und kanonische Normalformen Karnaugh-Tafel Vereinfachung (Minimierung) von Schaltfunktionen 552
9 14 Inhaltsverzeichnis Vereinfachung von Schaltfunktionen mit Regeln der Schaltalgebra Vereinfachung von Schaltfunktionen mit Karnaugh-Tafeln Praktische Realisierung von Kombinationsschaltungen Realisierung mit logischen Gattern Realisierung mit programmierbaren Logikfeldern Realisierung mit Multiplexern (Demuitiplexern) Realisierung mit Festwertspeichern Entwurf sequentieller Schaltungen (Folgeschaltungen, Schaltwerke) Allgemeines Beschreibungsmöglichkeiten sequentieller Schaltungen Zustandsgraph Automatentabelle (Zustandstabelie) Karnaugh-Tafel Überführungsfunktion (Zustandsgieichung) Register-Transfer-Methode Systementwurf. Allgemeiner Ablauf Realisierung mit Gattern und Flipflops (verdrahtungsprogrammiert) Hauptschritte Allgemeingültige Ansteuergleichungen für Flipflops Entwurf des Schaltnetzes zur Ansteuerung der Flipflops (Schaltnetz 1) Ableitung der Überführungsfunktionen aus dem Zustandsgraphen Herleitung des Schaltnetzes zur Erzeugung der Ausgangsvariablen (Schaltnetz 2) Realisierung mit MSI-Schaltungen Realisierung mit programmierbaren LSI-Schaltungen (speicherprogrammiert) Mikroprozessorsystem Mikroprogrammsteuerung Realisierungsbeispiel Verdrahtungsprogrammierte Realisierung Realisierung mit PROM Mikroprozessorvariante 589 Anhang 1 Befehlssatz des Mikroprozessors U 880 (Assemblersprache) 593 Anhang 2 Überblick über die Grundbefehle des Einchipmikrorechners U 881/ Anhang 3 Befehlssatz des 16-bit-Mikroprozessors 8086/8088 (K 1810) 607 Anhang 4 Befehlssatz des MikroControllers Literaturverzeichnis 621 Register 629
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