Springer-Lehrbuch. Digitaltechnik. Ein Lehr- und Übungsbuch. Bearbeitet von Klaus Urbanski, Roland Woitowitz, Winfried Gehrke

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1 Springer-Lehrbuch Digitaltechnik Ein Lehr- und Übungsbuch Bearbeitet von Klaus Urbanski, Roland Woitowitz, Winfried Gehrke 1. Auflage Buch. xiv, 491 S. ISBN Format (B x L): 15,5 x 23,5 cm Weitere Fachgebiete > Technik > Elektronik > Mikroprozessoren schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 Inhaltsverzeichnis 1 Zahlensysteme Allgemeines Zahlensystem Dual-, Oktal- und Hexadezimalsystem Konvertierung zwischen den Zahlensystemen Arithmetische Operationen im Dualsystem Die duale Addition Die duale Subtraktion Die Multiplikation von Dualzahlen (Booth-Algorithmus) Die Division von Dualzahlen (Restoring-Methode) Die Darstellung gebrochener Zahlen im Dualsystem Binäre Vorsätze für Zweierpotenzen Logische Funktionen Grundbegriffe Logik-Pegel und Logik-Zustand einer binären Variablen Zuordnungssysteme Signalnamen in der Digitaltechnik Vergleich zwischen analoger und digitaler physikalischer Größe Schaltalgebra Verknüpfungszeichen Definition der logischen Funktionen Schaltsymbole Rechenregeln der Schaltalgebra Logikstufen Realisierung der Grundverknüpfungen in NAND- und NOR-Technik Normalform einer logischen Funktion Minimieren logischer Funktionen Allgemeines Minimierungsverfahren Karnaugh-Veitch-Diagramm (KV-Diagramm) KV-Diagramm für zwei Eingangsvariablen KV-Diagramm für drei Eingangsvariablen KV-Diagramm für vier Eingangsvariablen KV-Diagramm für fünf Eingangsvariablen... 50

3 VIII Inhaltsverzeichnis 3 Technische Realisierung digitaler Schaltungen Überblick über die technologische Entwicklung Realisierungskonzepte nach Einführung integrierter Schaltkreise Charakteristische Eigenschaften digitaler integrierter Schaltkreise Lastfaktoren Störspannungsabstand Schaltzeiten Bausteinfamilien Transistor-Transistor-Logik (TTL) Digitale Schaltungen in Standard-TTL Digitale Schaltungen in Schottky-TTL TTL-Schaltungen mit spezieller Ausgangsstufe Realisierung der Pegel-Zustände an TTL-Eingängen Integrierte Schaltungen in MOS-Technik Emitter Coupled Logic (ECL) Trends bei der technologischen Weiterentwicklung Anwenderspezifische Bausteine (Application Specific ICs) Fullcustom ICs Gate Array Standardzellen IC Programmierbare Logik Programmable Logic Device PLD Complex Programmable Logic Device (CPLD) Field Programmable Gate Array FPGA Allgemeiner Aufbau eines FPGAs FPGA mit Antifuse-Link FPGA mit SRAM-Verbindungselement VHDL als Entwurfs- und Simulationssprache Einführung in VHDL Motivation zum Erlernen von VHDL in einem Grundkurs Grundlagen Entity-Deklaration Einfache Entity-Deklaration ohne Parameterübergabe Erweiterte Entity-Deklaration mit Parameterübergabe Entity-Declaration mit Entity-Anweisungen Architecture Verhaltensbeschreibung (Behavioral description) Nebenläufige Anweisungen in der Verhaltensbeschreibung Nebenläufige Signalzuweisung When-Else-Anweisung With-Select-When-Anweisung Anwendungsbeispiele mit nebenläufigen Anweisungen Prozess-Anweisung...107

4 Inhaltsverzeichnis IX Sequentielle Anweisungen in der Verhaltensbeschreibung Sequentielle Signalzuweisung Sequentielle Variablenzuweisung If-Then-Else-Anweisung Case-When-Anweisung For-Loop-Anweisung While-Loop-Anweisung Next- und Exit-Anweisung Anwendungsbeispiele mit Prozess und sequentiellen Anweisungen Strukturbeschreibung (Structural description) Unterprogramme Prozeduren Funktionen Weiterführende Kapitel Assertion- und Report-Anweisung Alias-Deklaration Überladen (Overloading) Auflösungsfunktionen (Resolution functions) Package und Use-Anweisung Bibliotheken Generate-Anweisung Block-Anweisung Konfiguration Konfiguration für VHDL-Modelle mit Verhaltensbeschreibung Komponenten-Konfiguration Block-Konfiguration VHDL-Grundbegriffe zum Nachschlagen Bezeichner (Identifier) Datenobjekte und Objektklassen Konstanten Variablen Signale Datentypen Skalare Datentypen (Scalar types) Zusammengesetzte Datentypen (Composite types) Subtypes Attribute Operatoren und Operanden Testen von VHDL-Modellen Simulationstechniken Testbench mit Testvektoren Testbench mit Ein- und Ausgabedatei

5 X Inhaltsverzeichnis 5 Kombinatorische Schaltungen Codierschaltungen Alphanumerischer Code Numerischer Code Multiplexer und Demultiplexer Multiplexer Demultiplexer Addierer Sequentielle Schaltungen Elementare Schaltwerke Digitale Oszillatoren Monostabile Kippstufen (Monoflops) Bistabile Kippstufen (Flipflops) Ungetaktetes RS-Flipflop (RS-Latch) Einzustandsgesteuerte Flipflops Einflankengesteuerte Flipflops Zähler Asynchrone Zähler Asynchroner Dualzähler Asynchroner Modulo-m-Zähler Synchrone Zähler Synchroner Dualzähler Synchroner Modulo-m-Zähler Schieberegister Realisierung mit flankengesteuerten D-Flipflops Anwendungsgebiete Serielle Datenübertragung Rechenoperationen Rückgekoppelte Schieberegister Systematische Beschreibung der Schaltwerke Grundlagen der Automatentheorie Das Zustandsdiagramm und die Zustandsfolgetabelle Zustandsdiagramm Zustandsfolgetabelle Zustandsreduzierung Asynchrone Schaltwerke Grundlagen synchroner Schaltwerke Reset-Logik zur Vorgabe des Anfangszustands Asynchrone und synchrone Eingabe Kombinatorische Ausgabe und Registerausgabe Beispiel für die Analyse synchroner Schaltwerke Beispiele für den Entwurf synchroner Schaltwerke...219

6 Inhaltsverzeichnis XI 7 Digitale Halbleiterspeicher Schreib-/Lesespeicher (RAM) Statisches RAM (SRAM) Dynamisches RAM (DRAM) Das Fast-Page-Mode-DRAM (FPM-DRAM) Das Enhanced DRAM (EDRAM) Das Extended-Data-Output-DRAM (EDO-DRAM) Burst Extended Data Output DRAM (BEDO-DRAM) Das Synchrone DRAM (SDRAM) Das Enhanced SDRAM (ESDRAM) Das Double Data Rate SDRAM (DDR SDRAM) Das Quad Data Rate SDRAM (QDR SDRAM) Weiterentwicklung des Datendurchsatzes mittels GDDR SGRAMs Quasistatisches dynamisches RAM Dual-Port-RAM und Video-RAM First-In/First-Out-Speicher (FIFO-Speicher) Das FRAM Das MRAM Festwertspeicher (ROM) Maskenprogrammiertes ROM Programmierbares ROM (PROM) UV-löschbares, programmierbares ROM (EPROM) Elektrisch löschbare, programmierbare ROMs (EAROM, EEPROM) Nichtflüchtige RAMs (Non Volatile RAMs, NOVRAMs) Flash-Speicher (Flash Memory) Entwurf komplexer Speichersysteme Tabellarische Übersicht über verfügbare Speicherbausteine Analog-Digital- und Digital-Analog-Umsetzer Das Wesen von Analog-Digital-Umsetzern Anwendungen von Analog-Digital- und Digital-Analog-Umsetzern Systeme zur Umsetzung analoger in digitale und digitaler in analoge Signale Das Abtasttheorem Das Abtasthalteglied (AHG) Forderungen an ein Abtasthalteglied während der Abtastphase Forderungen an ein Abtasthalteglied während der Haltephase Forderungen an ein Abtasthalteglied bezüglich der Umschaltcharakteristik

7 XII Inhaltsverzeichnis Erreichbare Genauigkeit für ADUs mit einer Codewortlänge von n Bit Digitalcodes für ADUs und DAUs Prinzipien der Analog-Digital-Umsetzung Das Parallelverfahren Das Wägeverfahren Analog-Digital-Umsetzer mit sukzessiver Approximation Analog-Digital-Umsetzer nach dem Wägeprinzip in Kaskadenstruktur Das Zählverfahren Das erweiterte Parallelverfahren Das allgemeine Prinzip des erweiterten Parallelverfahrens Der Pipeline-Analog-Digital-Umsetzer Das erweiterte Zählverfahren Sonderformen von Analog-Digital-Umsetzern Indirekte Verfahren Der Sigma-Delta-Umsetzer Die nichtlineare Analog-Digital-Umsetzung Prinzipien der Digital-Analog-Umsetzung Die Summation gewichteter Ströme Umsetzer mit R-2R-Leiternetzwerk Eigenschaften realer AD- und DA-Umsetzer Statische Fehler Die Quantisierungsfehler Der Offsetfehler Der Verstärkungsfehler Die Nichtlinearität Die differenzielle Nichtlinearität Der Monotoniefehler Die Betriebsspannungsabhängigkeit der Wandlerparameter Dynamische Fehler Die Einschwingzeit Der Signal-Rausch-Abstand und die Effektive Auflösung Harmonische Verzerrungen Das Histogramm Glitch-Fläche Betrieb von Analog-Digital-Umsetzern Betrieb von Universal-Analog-Digital-Umsetzern Betrieb von Analog-Digital-Umsetzern mit Mikroprozessor-Interface...341

8 Inhaltsverzeichnis XIII 9 Mikroprozessoren und Mikrocontroller Grundlagen der Mikroprozessortechnik Grundstruktur eines Mikrorechnersystems Befehlsabarbeitung in einem Mikroprozessor Typische Befehlsklassen Arithmetische und logische Befehle Transferbefehle Befehle zur Programmablaufsteuerung Spezialbefehle Adressierung von Daten und Befehlen Unmittelbare Adressierung Absolute Adressierung Indirekte Adressierung Stapelspeicher Befehlsadressierung Maßnahmen zur Steigerung der Rechenleistung Erhöhung der Taktfrequenz Parallelität Pipelining Befehlssatzerweiterungen Grundlegende Mikroprozessorarchitekturen CISC RISC RISC und Harvard-Architektur Mikrocontroller Die Mikrocontroller-Familie Atmel-AVR tinyavr megaavr AVR XMEGA Die AVR-CPU Statusregister Arithmetische und logische Befehle Transferbefehle Sprungbefehle Beispiele für die Verwendung der AVR-Befehle Arithmetische und logische Grundfunktionen Befehle für den Zugriff auf Speicher und Peripheriekomponenten Programmverzweigungen Grundlagen der Interruptverarbeitung Interruptfreigabe Interrupt-Service-Routinen Eingebettete Peripheriekomponenten Ports Timer

9 XIV Inhaltsverzeichnis Normal Mode CTC Modus PWM-Modi Die Timer des ATmega Schnittstellen für die serielle Datenübertragung U(S)ART SPI TWI / I 2 C Analoge Peripheriekomponenten Analog/Digital-Umsetzer Analog-Komparator Interrupt-basierte Kommunikation mit Peripheriekomponenten Interruptverarbeitung und atomare Operationen FIFO-basierte Kommunikation mit Peripheriekomponenten Hinweise zum praktischen Selbststudium Hardwareauswahl Entwicklungsumgebungen Programmierung und Debugging von AVR-Mikrocontrollern Programmiergeräte Fuse-Bits Erste Schritte Literatur Index...481