Lehrbuch Digitaltechnik

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1 Lehrbuch Digitaltechnik Eine Einführung mit VHDL von Prof. Dr. Jürgen Reichardt, Oldenbourg Verlag München

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort V 1 Einleitung Die Hardwarebeschreibungssprache VHDL Digitale und Analoge Signale Digitale Systeme Gliederung des Buches.> Vertiefende Aufgaben 9 2 Modellierung digitaler Schaltungen Lernziele Entwurfssichten und Abstraktionsebenen Modellierung mit Hardwarebeschreibungssprachen Datenflussmodelle ' Strukturmodelle Verhaltensmodelle Kombinatorische und getaktete Logik Eigenschaften kombinatorischer Logik Eigenschaften getakteter Logik Modellierung auf Register-Transfer-Ebene Entwurfsmethodik für programmierbare digitale Schaltungen Vertiefende Aufgaben 20 3 Boole'sche Algebra Lernziele Schaltvariable und Schaltfunktionen, Signale ' ' Elementare Schaltfunktionen Die NICHT-Schaltfunktion (Inversion) Die UND-Schaltfunktion (Konjunktion) ' Die ODER-Schaltfunktion (Disjunktion) 24

3 VIII Inhaltsverzeichnis Boole'sche Funktionen mit mehreren Eingängen Rechenregeln der Schaltalgebra Theoreme Kommutativgesetze Assoziativgesetze Distributivgesetze De Morgan'sche Gesetze Vereinfachungsregeln Vollständige Systeme Das Dualitätsprinzip NAND-und NOR-Gatter Normalformen Disjunktive Normalform (DNF) Konjunktive Normalform (KNF) Realisierung von Schaltfunktionen mit Wahrheitstabellen SOP- und POS-Darstellungen von Wahrheitstabellen in programmierbaren Bausteinen mit UND/ODER-Logik Look-Up-Tabellen XOR-und XNOR-Logik SOP-und POS-Darstellungen XOR- und XNOR-Regeln und Gesetze XOR- und XNOR-Logik mit mehr als zwei Eingängen Vorrangregeln Schaltsymbole Implementierung von Schaltfunktionen mit Multiplexern Analyse von Schaltnetzen Vertiefende Aufgaben 47 4 VHDL-Einführung I Lernziele Syntaxnotation Der Aufbau eines VHDL-Modells Beschreibung einer entity Aufbau einer architecture Nebenläufige Signalzuweisungen Logikoperatoren in VHDL VHDL-Testbenches Vertiefende Aufgaben 67

4 Inhaltsverzeichnis IX 5 Zahlensysteme in der Digitaltechnik Lernziele Polyadische Zahlensysteme Umwandlung zwischen Zahlensystemen Addition und Subtraktion vorzeichenloser Dualzahlen Darstellung negativer Zahlen i Eigenschaften des 2er-Komplementzahlensystems Addition und Subtraktion im 2er-Komplementzahlensystem Darstellung rationaler Zahlen Festkommadarstellung im Q-Format Gleitkommadarstellung ' Vertiefende Aufgaben 86 6 Logikminimierung Lernziele Minimierung mit KV-Tafeln Disjunktive Minimalform (DMF) Konjunktive Minimalform (KMF) Output-Don't-Care-Terme Grenzen der zweistufigen Minimierung ' Softwarealgorithmen zur zweistufigen Minimierung Quine-McCluskey-Algorithmus Espresso-Algorithmus , Minimierungskonzepte für FPGAs Vertiefende Aufgaben VHDL-Einführung II Lernziele Das VHDL-Prozesskonzept Ereignisgesteuerte Simulatoren Verzögerungsmodelle Sequenzielle Anweisungen in Prozessen case-anweisung if-anweisung Prozesse ohne Sensitivityliste Verwendung von Variablen in Prozessen 124 V7.8 Modellierungsbeispiel 125

5 X Inhaltsverzeichnis 7.9 Vertiefende Aufgaben : Codes Lernziele Charakterisierung und Klassifizierung Zahlencodes Code für die Längen- und Winkelmesstechnik Methoden der Fehlererkennung und -korrektur Vertiefende Aufgaben Physikalische Implementierung und Beschaltung von Logikgattern Lernziele Logikgatter in CMOS-Technologie CMOS-Technologie und Kennlinien der MOS-Transistoren Aufbau und Kennlinien eines CMOS-Inverters Pegelbereiche digitaler Logikfamilien Logikzustände und elektrische Pegel Statische CMOS-Logikgatter Beschaltung von Gatterausgängen Standardausgang Open-Drain- / Open-Collector-Ausgang Three-State-Ausgang ' VHDL-Modellierung mit den Datentypen std_ulogic und stdlogic Mehrwertige Datentypen : Datentypen mit Auflösungsfunktion VHDL-Modellierungsbeispiele Vertiefende Aufgaben Datenpfadkomponenten Lernziele Multiplexer Binärzahlendecoder und Demultiplexer Prioritätsencoder Code-Umsetzer Komparator Hierarchische Strukturmodellierung in VHDL Addierer 180

6 Inhaltsverzeichnis XI Halb- und Volladdierer Ripple-Carry-Addierer Carry-Lookahead-Addierer Kombinierter Addierer/Subtrahierer Addition von Festkommazahlen im Q-Format Hardware-Multiplizierer " Arithmetik in VHDL Vertiefende Aufgaben Latches und Flipflops in synchronen Schaltungen Lernziele DasRS-Latch Basis-RS-Latch Taktzustandsgesteuertes RS-Latch Das D-Latch (Data-Latch) D-Flipflops ' Varianten von D-Flipflops ' JK-Flipflop :6 '. T-Flipflop Zweispeicher-Flipflops , RTL-Modellierung synchroner Schaltungen Zusammenfassung Vertiefende Aufgaben Entwurf synchroner Zustandsautomaten Lernziele Formale Beschreibung von Zustandsautomaten Entwurf eines Geldwechselautomaten Realisierung als Mealy-Automat :3.2 Realisierung als Moore-Automat Medwedew-Automatenstruktur Impulsfolgeerkennung mit Zustandsautomaten Implementierung als Moore-Automat Implementierung als Mealy-Automat Vertiefende Aufgaben 261

7 XII Inhaltsverzeichnis : 13 Entwurf von Synchronzählern 263 f 13.1 Lernziele Manuelle Implementierung von Zählern mod-5-zähler : mod-4-vorwärts-/rückwärtszähler Standardzähler Abhängigkeitsnotation Systematischer VHDL-Entwurf von Zählern Kaskadierung von Standardzählern Vertiefende Aufgaben Schieberegister Lernziele Arbeitsweise von Schieberegistern Serien-Parallel-Umsetzer ' Parallel-Serien-Umsetzer Zähler mit Schieberegistern Ringzähler Johnson-Zähler Linear rückgekoppelte Schieberegister, Vertiefende Aufgaben Digitale Halbleiterspeicher Lernziele Übersicht Klassifizierung Speicherstrukturen Kenngrößen Nichtflüchtige Speicher Maskenprogrammierbares ROM PROM EPROM EEPROM und Flash-EEPROM Instanziierung von ROM-Strukturen durch VHDL-Code Flüchtige Speicher SRAMs DRAMs SDRAM und DDR-RAM Modellierung von SRAM-Speicher in VHDL 321

8 Inhaltsverzeichnis XIII 15.5 FIFO-Speicher VHDL-Modellierung eines Dual-Port-Block-RAMs Speichererweiterung Vertiefende Aufgaben Programmierbare Logik Lernziele ' PLD-Architekturen SPLDs PROM-Speicher PLAs PALs CPLDs.. ; FPGAs Die Spartan-3-FPGA-Familie der Fa. Xilinx : Technologische Entwicklungstrends bei FPGAs Vertiefende Aufgaben Anhang Hinweise zur Verwendung des Simulators ModelSimXE Starter ISE WebPACK und ModelSim XE-Starter Hilfesystem Entwicklungsablauf VHDL-Codierungsempfehlungen Literaturverzeichnis Sachregister 387