Klaus Fricke. Digitaltechnik

Transkript

1 Klaus Fricke Digitaltechnik

2 Literatur für das Grundstudium Vieweg Handbuch Elektrotechnik herausgegeben von W. Böge und W. Plaßmann Elemente der angewandten Elektronik von E. Böhmer Elemente der Elektronik Repetitorium und Prüfungstrainer von E. Böhmer Aufgabensammlung Elektrotechnik Band 1 und 2 von M. Vömel und D. Zastrow Elektrotechnik für Ingenieure in drei Bänden von W. Weißgerber Elektrotechnik für Ingenieure Klausurenrechnen von W. Weißgerber Elektrotechnik für Ingenieure Formelsammlung von W. Weißgerber Elektrotechnik von D. Zastrow Elektronik von D. Zastrow vieweg

3 Klaus Fricke Digitaltechnik Lehr- und Übungsbuch für Elektrotechniker und Informatiker 5., verbesserte und aktualisierte Auflage Mit 210 Abbildungen und 103 Tabellen Viewegs Fachbücher der Technik

4 Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. 1. Auflage , durchgesehene Auflage Januar , verbesserte Auflage Juni , aktualisierte Auflage Juni , verbesserte und aktualisierte Auflage April 2007 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlag GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2007 Lektorat: Reinhard Dapper / Imke Zander Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, Heusenstamm Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

5 V Vorwort In vielen technischen Anwendungen sind Kenntnisse der Digitaltechnik unerlässlich. Die Mikrocomputertechnik, digitale Regelungen und viele Einrichtungen der Telekommunikation sind ohne die Methoden der Digitaltechnik nicht mehr zu verstehen, ein Trend, der verstärkt wird durch den Einsatz integrierter mechanisch-elektronischer Systeme. Dieses Buch vermittelt einen fundierten Einstieg in die Digitaltechnik, indem es die Grundlagen bis hin zum Aufbau und der Programmierung einfacher Mikroprozessoren lückenlos darstellt. Neben einer soliden theoretischen Grundlage erwirbt der Leser also Kenntnisse, die das Verständnis der meisten digitaltechnischen Schaltungen ermöglichen. Der gute Absatz der ersten drei Auflagen bestätigt das gewählte Konzept, so dass auf grundsätzliche Änderungen verzichtet wurde. Das vorliegende Buch richtet sich hauptsächlich an Ingenieure und Informatiker an Fachhochschulen und Universitäten. Da zum Verständnis des Buches keine besonderen Vorkenntnisse benötigt werden, eignet sich das Buch aber auch für den interessierten Laien. Lediglich für das Kapitel Schaltungstechnik muss der Leser Grundkenntnisse in der Elektronik haben. Das Kapitel ist aber zum Verständnis der anderen Kapitel des Buches nicht erforderlich und kann übersprungen werden. Die Darstellung der booleschen Algebra und die verwendeten Symbole entsprechen weitgehend der geltenden DIN-Norm. Um das Selbststudium zu erleichtern, sind zu jedem Kapitel Übungsaufgaben angegeben, mit denen das Verständnis des behandelten Stoffs überprüft werden kann. In der 5. Auflage wurden auf vielfältigen Wunsch weitere Aufgaben hinzugefügt. Ein Lösungsvorschlag ist jeweils im Anhang zu finden. Ein Schwerpunkt des Buches liegt in der ausführlichen Darstellung der Grundlagen der Digitaltechnik. Besonders die Synthese von Schaltnetzen wird detailliert erläutert. Häufig verwendete Standard-Schaltnetze wie Multiplexer und Code-Umsetzer werden mit Beispielen behandelt. Da die arithmetischen Schaltnetze für das Verständnis von Prozessoren wichtig sind, werden die Grundlagen der Festkomma-Arithmetik und die Hardware von arithmetisch-logischen Einheiten genauer besprochen. Im Bereich der Schaltungsentwicklung stehen heute ausgereifte Entwurfswerkzeuge zur Verfügung, die es dem Anwender ermöglichen komplexe digitale Schaltungen zu entwerfen, in Silizium zu implementieren, den Entwurf zu testen und zu verifizieren. Diese Möglichkeit hat dazu geführt, dass in vermehrtem Umfang anwenderspezifische Schaltungen (ASIC) angeboten werden, die der Kunde selbst entwerfen kann. Zwei Kapitel sind daher dem Aufbau und dem Design von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen gewidmet. In der neuen Auflage wurden die als Beispiel verwendeten Bauelemente aktualisiert. Im nächsten Kapitel folgt eine Einführung in VHDL, eine Programmiersprache zur Beschreibung, Synthese und Simulation integrierter digitaler Schaltungen, die sich als Standard herausgebildet hat. Der Schaltungsentwurf mit derartigen Hardware Description Languages (HDL) setzt sich immer mehr durch, da er insbesondere bei komplexen Entwürfen erhebliche Vorteile gegenüber den bisherigen grafisch orientierten Entwurfsmethoden bietet.

6 VI Vorwort Aufbauend auf den Schaltnetzen werden synchrone und asynchrone Schaltwerke besprochen. Es wird eine Vorgehensweise für die Entwicklung von synchronen und asynchronen Schaltwerken dargestellt. Als Beispiele für asynchrone Schaltungen werden die gängigen Flipflop- Typen behandelt. Daneben werden Beispiele für die Konstruktion von Zählern und Schieberegistern besprochen, sowie einige kommerzielle Typen vorgestellt. In einem besonderen Kapitel werden die verschiedenen Technologien und Eigenschaften der Speicherbausteine gegenübergestellt, die die Eigenschaften moderner Rechnersysteme wesentlich mitbestimmen. Es werden typische Zeitdiagramme für verschiedene Speicherbausteine dargestellt, die die Funktion der Bausteine verdeutlichen. Das letzte Kapitel bietet einen einfachen Einstieg in die Mikroprozessortechnik. Als Einführung in den Aufbau von Rechnern wird das Prinzip des von Neumann-Rechners erklärt. Darauf aufbauend werden die Vorgänge bei der Ausführung von Befehlen beschrieben. Als praktisches Beispiel wird der weit verbreitete Mikrocontroller MC68HC11 von Motorola in einem Kapitel vorgestellt. Es beschreibt die Arbeitsweise und den Aufbau des Prozessors. Ausführlich wird auch auf die Programmierung in Assembler eingegangen. Damit werden Kenntnisse vermittelt, die auch bei der Verwendung anderer Prozessortypen nützlich sind. Fulda im Januar 2007, Klaus Fricke

7 VII Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Codierung und Zahlensysteme Codes Dualcode Festkomma-Arithmetik im Dualsystem Ganzzahlige Addition im Dualsystem Addition von Festkommazahlen Einerkomplementdarstellung Zweierkomplementdarstellung Subtraktion in Zweierkomplementdarstellung Bereichsüberschreitung Multiplikation Division Hexadezimalcode Oktalcode Graycode BCD-Code Alphanumerische Codes Übungen Schaltalgebra Schaltvariable und Schaltfunktion Zweistellige Schaltfunktionen 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 Abhängigkeitsnotation Die UND-Abhängigkeit (G) Die ODER-Abhängigkeit (V) Die EXOR-Abhängigkeit (N) Die Verbindungs-Abhängigkeit (Z) Die Übertragungs-Abhängigkeit (X) Übungen Verhalten logischer Gatter Positive und negative Logik Definition der Schaltzeiten...33

8 VIII Inhaltsverzeichnis 4.3 Übertragungskennlinie, Störabstand Ausgänge Offener Kollektor (Open Collector) Tri-State-Ausgang Übungen Schaltungstechnik CMOS Fan-Out Grundschaltungen NAND und NOR Transmission-Gate Tri-State-Ausgang CMOS-Eigenschaften TTL Belastung der Ausgänge Emitter-Coupled Logic (ECL) Integrierte Injektions-Logik (I 2 L) Verlustleistung und Schaltverhalten von Transistorschaltern Übungen Schaltnetze Minimierung mit Karnaugh-Veitch-Diagrammen Minimierung der KDNF Minimierung der KKNF Karnaugh-Veitch-Diagramme für 2 bis 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 Strukturhazards Funktionshazards Klassifizierung von Hazards Übungen 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...88

9 Inhaltsverzeichnis IX T-Flipflop Beispiel Zusammenfassung Flipflops Übungen 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 Ampel mit One-Hot -Kodierung 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 Mod-8-Binärzähler Mod-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...130

10 X Inhaltsverzeichnis 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 Statisches RAM (SRAM) Aufbau eines SRAM Beispiel SRAM Dynamisches RAM (DRAM) Aufbau eines DRAM Beispiel DRAM SDRAM (Synchrones DRAM) DDR-RAM (Double Data Rate DRAM) Eimerkettenspeicher Beispiel eines FIFOs Kaskadierung von Speichern Erweiterung der Wortlänge Erweiterung der Speicherkapazität Volldekodierung Teildekodierung Lineare Dekodierung Übungen...187

11 Inhaltsverzeichnis XI 14 Programmierbare Logikbausteine ASIC-Familien Programmierbare Logik-IC (PLD) PLD-Typen ROM, EPROM, EEPROM PLA PAL GAL Programmierung von PLD-Bausteinen Test Field Programmable Gate Arrays (FPGA) Aufbau eines FPGA Konfigurierbare Logik-Blöcke (CLB) IO-Block Verbindungsleitungen Programmierung eines FPGA CPLD Aufbau einer CPLD Logik-Array Blöcke (LAB) IO-Steuerung Größe der CPLD Gate-Arrays Aufbau von Channelled Gate-Arrays Standardzellen-ASIC Vollkundendesign-ASICs Übungen VHDL Entwurfsverfahren für digitale Schaltungen Die Struktur von VHDL Typen Operatoren Entity Architecture Prozesse Struktureller Entwurf Busse Übungen Mikroprozessoren Prinzip kooperierender Schaltwerke Der Von-Neumann-Rechner Operationswerk Leitwerk Speicher Ein- und Ausgabe Betrieb...237

12 XII Inhaltsverzeichnis 16.3 Architektur des 68HC Anschlüsse des 68HC Funktionsabläufe bei der Befehlsausführung CPU-Register Speicher Assembler-Programmierung Adressierungsarten Befehlssatz Konventionen Transfer-Befehle Speicher-Befehle Lade-Befehle Arithmetische Befehle: Negation Arithmetische Befehle: Addition Arithmetische Befehle: Subtraktion Arithmetische Befehle: Inkrement und Dekrement Arithmetische Befehle: Vergleich Logische Operationen Schiebe- und Rotations-Befehle Bitmanipulations-Befehle Absolut adressierter Sprung Relativ adressierter Sprung Bedingte Sprünge Befehle für Unterprogramme Assembleranweisungen Interrupt-Bearbeitung Übungen A Anhang A.1 Die Abhängigkeitsnotation A.2 Befehlssatz des 68HC Lösungen der Aufgaben Literatur Sachwortregister...313