Digitale Schaltungen Prof. Dr. sc. techn. Manfred Seifart 4., bearbeitete Auflage Verlag Technik GmbH Berlin
Inhaltsverzeichnis Schreibweise und Formelzeichen der wichtigsten Größen 15 1. Einleitung 19 1.1. Analoge und digitale Signale 19 1.1.1. Analoge Signale 20 1.1.2. Digitale Signale 20 1.2. Aufgaben digitaler Schaltungen 22 1.3. Vorteile der digitalen Signalverarbeitung 23 1.4. Realisierung digitaler Systeme 25 1.4.1. Verdrahtungs- und speicherprogrammierte Signalverarbeitung 25 1.4.2. Verknüpfungs- und Arbeitsprinzipien 26 1.4.3. Kombinations- und Folgeschaltungen 28 1.4.4. Standard- und Kundenschaltungen 28 1.5. Entwicklung der digitalen Schaltungstechnik 29 2. Zahlendarstellung und Grundrechenarten 32 2.1. Zahlendarstellung in der Digitaltechnik 32 2.1.1. Zahlensysteme 32 2.1.1.1. Dualsystem (natürliches Binärsystem) 33 2.1.1.2. Oktalsystem 35 2.1.1.3. Hexadezimalsystem (Sedezimalsystem) 35 2.1.1.4. BCD-Zahlen 38 2.1.2. Bipolare Darstellung 38 2.1.2.1. Vorzeichen und Betrag 38 2.1.2.2. Offsetbinäre Darstellung 40 2.1.2.3. Einerkomplement-Darstellung 41 2.1.2.4. Zweierkomplement-Darstellung 41 2.2. Grundrechenarten im Dualsystem 42 2.2.1. Addition 42 2.2.2. Subtraktion 44 2.2.3. Multiplikation 45 2.2.4. Division 46 3. Logikgatter 47 3.1. Positive und negative Logik 47 3.2. Pegelbereiche 48 3.3. Elementare Grundgatter 48 3.4. Beispiele für erweiterte Grundgatter. Verdrahtete Logik 54 3.5. Kenngrößen von Logikgattern 56 3.5.1. Statische Kenngrößen 56 3.5.2. Dynamische Kenngrößen 57
8 Inhaltsverzeichnis 4. Schaltungsfamilien 59 4.1. Bauelemente in monolithischen integrierten Schaltungen 61 4.2. Bipolare integrierte Schaltungen 65 4.2.1. TTL-Schaltungen 68 4.2.1.1. Überblick 68 4.2.1.2. TTL-Grundgatter 69 4.2.1.3. Varianten 71 4.2.1.4. Eigenschaften 73 4.2.1.5. Low-power-Schottky-TTL-Familie (LS-TTL) 74 4.2.2. I 2 L-Schaltungen 77 4.2.3. ECL-Schaltungen 80 4.3. MOS-Schaltungen 81 4.3.1. Statische MOS-Schaltungen 82 4.3.1.1. Einkanal-MOS-Schaltungen 83 4.3.1.2. CMOS-Schaltungen (Komplementäre MOS-Technik) 89 4.3.1.2.1. Inverter 89 4.3.1.2.2. Verknüpfungsprinzipien. Grundschaltungen 92 4.3.1.2.3. Beispiele industrieller IS-Baureihen 95 4.3.1.2.4. Herstellungstechnologie 98 4.3.1.2.5. Trend 99 4.3.2. Dynamische MOS-Schaltungen 100 4.4. Vergleich der Schaltungsfamilien 101 4.5. Interfaceschaltungen. Störempfindlichkeit 102 4.6. Weitere Entwicklung der Technologie integrierter Schaltungen 108 5. Rückgekoppelte Kippschaltungen 112 5.1. Einführung 112 5.2. Schmitt-Trigger (Schwellwertschalter) 114 5.2.1. Schmitt-Trigger mit Operationsverstärker bzw. Analogkomparator 115 5.2.2. Schmitt-Trigger mit Einzeltransistoren 119 5.2.3. Integrierte Schaltungen 121 5.3. Flipflop-Stufen 123 5.3.1. Wirkprinzip. Grund-Flipflop 123 5.3.2. Getaktete Flipflops 125 5.3.3. Zähl-Flipflops (Zwischenspeicher-Flipflops) 125 5.3.4. Systematik der Flipflop-Stufen 126 5.3.4.1. Unterscheidung hinsichtlich der Wirkungsweise des Taktimpulses 126 5.3.4.2. Unterscheidung hinsichtlich des logischen Verhaltens 129 5.4. Univibratoren (Monoflops) 132 5.5. Multivibratoren (astabile Multivibratoren) 139 5.5.1. Aufbau mit diskreten Bauelementen 139 5.5.2. Aufbau mit Operationsverstärkern 140 5.5.3. Aufbau mit logischen Gattern; integrierte Multivibratoren 142 5.6. Frequenzverdoppler. Frequenzvervielfacher 146 5.7. Sperrschwinger 147 6. Kodewandler und Multiplexer 148 6.1. Kodewandler 148
Inhaltsverzeichnis 9 6.1.1. Dekodierer 150 6.1.2. Kodierer 157 Multiplexer und Demultiplexer 157 «6.2.1. Multiplexer 157 6.2.1.1. Grundstruktur 157 6.2.1.2. Zusammenschalten von Multiplexern 160 6.2.1.3. Anwendung 161 6.2.2. Demultiplexer 165 6.2.2.1. Grundstruktur 165 6.2.2.2. Zusammenschalten von Demultiplexern 166 6.2.2.3. Anwendung 166 Zähler und Frequenzteiler 168 Dualzähler 169 7.1.1. Asynchrone Dualzähler 169 7.1.1.1. Reiner Binärzähler 169 7.1.1.2. Rückwärtszähler 172 7.1.1.3. Vorwärts-Rückwärts-Zähler 172 7.1.2. 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 195 8.1.1. Projektionseinheiten 195 8.1.2. Gasentladungsanzeigeröhren 195 8.1.3. Lumineszenzdiodenanzeigen (LED) 198 8.1.4. Flüssigkristallanzeigen (LCD) 200 8.1.5. Vakuumfluoreszenzanzeigen (Fluoreszenzanzeigeröhren; Digitrons) 201 8.1.6. Elektrolumineszenzanzeigen (ELD) 201 8.1.7. Ferroelektrische Displays 202 Ansteuerung digitaler Anzeigeelemente 202 8.2.1. Grundprinzip 202 8.2.2. Multiplexbetrieb von Anzeigeeinheiten 205 8.2.3. Ansteuerung von LCD 208 Quasianaloganzeigen 209 8.3.1. LED-Ansteuerschaltkreis A 277 D 210 8.3.2. Plasma-Leuchtbalkenanzeige 211 Halhleiterspeicher 212 Gruppen von Halbleiterspeichern 213 Parallelregister 215 Schieberegister 220 9.3.1. Wirkungsweise 220
10 Inhaltsverzeichnis 9.3.2. Varianten 222 9.3.3. Umlaufspeicher 225 9.3.4. Dekadische Ringzähler 226 9.3.5. Takt-, Wort- und Zufallsgeneratoren 226 9.3.6. Anwendungen 226 9.4. Ladungsgekoppelte Anordnungen (CCD-Speicher) 229 9.4.1. Wirkungsweise 229 9.4.2. Technische Realisierung 230 9.5. Matrixspeicher 231 9.5.1. Festwertspeicher (ROM) 233 9.5.1.1. Struktur 233 9.5.1.2. Programmierbare Festwertspeicher (PROM, EPROM, EEPROM) 238 9.5.2. Schreib/Lese-Speicher (RAM) 244 9.5.2.1. Statische RAMs 248 9.5.2.2. Dynamische RAMs 252 9.5.3. Assoziativspeicher (CAM) 256 9.5.4. Ladungsgekoppelte Schaltungen und Magnetblasenspeicher 257 9.6. Weitere Speicherprinzipien 262 10. Anwendungen von Festwertspeichern 264 10.1. Kombinatorische ROM-Anwendungen (Schaltnetze) 264 10.1.1. Tabellenspeicher (Look-up-Tafeln) 264 10.1.2. Funktionsgeneratoren 267 10.1.3. Kodewandler 269 10.1.4. Zeichengeneratoren 269 10.1.5. Sequenzgeneratoren 270 10.1.6. ROM-Schaltnetze (Kombinatorische Schaltungen) allgemein 270 10.2. Sequentielle ROM-Anwendungen (Schaltwerke) 271 10.2.1. Prinzip 271 10.2.2. Beispiele 271 11. Anwendungsspezifische Schaltkreise (ASICs) 276 11.1. Überblick 276 11.2. Programmierbare Logikanordnungen 277 11.2.1. Prinzipielle Struktur einer PLA 278 11.2.2. Wirkungsweise einer PLA 280 11.2.3. Entwurfsmethodik für die PLA-Programmierung 285 11.2.4. Sequentielle Schaltungen mit PLAs 287 11.3. Programmier- und löschbare Logikanordnungen 287 11.3.1. EPLDs 288 11.3.1.1. Makrozellenstruktur 288 11.3.1.2. Zustandsmaschinen mit EPLDs 289 11.3.1.3. Programmentwicklungswerkzeuge 291 11.3.1.4. Mikrosequenzer 293 11.3.1.5. GAL-Schaltkreise 293 11.3.2. Programmierbare Gate Arrays (LCAs) 293 11.3.2.1. Architektur 294 11.3.2.1.1. Konfigurierbare Logikblöcke 295 11.3.2.1.2. E/A-Block 296
Inhaltsverzeichnis 11 11.3.2.1.3. Die programmierbaren Verbindungen 297 11.3.2.2. Entwicklungssystem 297 11.4. Gate Arrays 298 11.4.1. Aufbau von Gate Arrays 298 11.4.2. Entwurf von Gate Arrays 300 11.4.3. Industrielle Beispiele 303 11.4.4. Analogschaltungen 304 11.5. Standardzellen 305 12. Arithmetische Grundschaltungen 306 12.1. Binäre Komparatoren 306 12.2. Addierer und Subtrahierer für Dualzahlen 308 12.2.1. 1-bit-Addierer 308 12.2.2. Mehrstellige Addierer und Subtrahierer 310 12.3. Arithmetik-Logik-Einheit 312 12.4. Fehlererkennung (Parität) 318 13. Mikroprozessoren und Mikrorechner (Hardware) 320 13.1. Struktur und Funktion eines Mikrorechners 320 13.1.1. Idealer Mikrorechner 321 13.1.2. Struktur des Mikrorechners 323 13.1.3. Bussystem 326 13.1.4. Arbeitsweise eines Mikrorechnerminimalsystems 327 13.2. Mikroprozessor 330 13.2.1. Architektur 331 13.2.2. Funktion 335 13.2.2.1. Arbeitszyklen des Prozessors 335 13.2.2.2. Abarbeitung eines Befehls 335 13.3. Anschluß von Speichern 340 13.3.1. Allgemeines 340 13.3.2. Anschluß von ROMs 344 13.3.3. Anschluß von RAMs 344 13.4. Eingabe/Ausgabe-Verfahren 346 13.4.1. Adressierung des Peripheriegerätes 349 13.4.1.1. Getrennte (isolierte) Adressierung und Speicheradressierung ( memory mapped" E/A) 349 13.4.1.2. Dual kodierte und lineare Adressenauswahl 350 13.4.2. Datenaustausch 353 13.4.2.1. Programmierter Datenaustausch 353 13.4.2.1.1. Synchroner (unbedingter) Datenaustausch 353 13.4.2.1.2. Asynchroner (bedingter) Datenaustausch (Handshake-Methode)... 354 13.4.2.2. Interruptbetrieb (Programmunterbrechung) 356 13.4.2.2.1. Interrupt-Realisierungsmöglichkeiten 357 13.4.2.2.2. Mehrfachinterrupt 358 13.4.2.2.3. Interruptarbeitsweise 360 13.4.2.3. Direkter Speicherzugriff (DMA) 362 13.4.3. Serielle Datenübertragung 363 13.4.4. Beispiele industrieller E/A- und Zusatzschaltungen 372
12 Inhaltsverzeichnis 13.4.4.1. Überblick 372 13.4.4.2. Einfache Interfaceschaltungen 373 13.4.4.3. Schaltkreis für parallele Ein- und Ausgabe 373 13.4.4.4. Schaltkreis für serielle Ein- und Ausgabe 379 13.4.4.5. Zähler/Zeitgeber 381 13.5. Beispiele industrieller Mikroprozessoren/Mikrorechner 384 13.5.1. Übersicht und Trend 384 13.5.2. 8-bit-Mikroprozessoren 392 13.5.2.1. Intel 8080 392 13.5.2.1.1. Architektur 392 13.5.2.1.2. Arbeitszyklen des Prozessors 394 13.5.2.1.3. Typischer Mikrorechner mit dem Mikroprozessor 8080 394 13.5.2.2. U 880 (Z 80) 395 13.5.2.2.1. Architektur 396 13.5.2.2.2. Adressierungsarten, Befehle 399 13.5.2.2.3. Interface zum 8080-System 401 13.5.2.2.4. Mikrorechner mit der CPU U 880 (Z 80) 401 13.5.2.3. Intel 8085 A 403 13.5.3. 16-bit-Mikroprozessoren 405 13.5.3.1. Intel 8086 (K 1810 WM 86) 405 13.5.3.2. System 80286 416 13.5.3.3. Z 8000 422 13.5.4. 32-bit-Mikroprozessoren 427 13.5.5. Einchipmikrorechner 430 13.5.5.1. 8048/8051/8096 430 13.5.5.2. U 881 bis U 886 (Z 8) 434 13.5.5.3. Anwendungsspezifische Einchipmikrorechner 447 13.5.5.4. Betriebsarten mit reduziertem Leistungsverbrauch 449 13.6. Multiprozessor- und Mehrrechnersysteme 450 13.7. Signalprozessoren 453 13.8. RISC-Architekturen 455 13.9. Transputer 456 14. Mikroprozessoren und Mikrorechner (Software) 458 14.1. Einführung 458 14.2. Initialisierungsroutinen 460 14.3. Schritte bei der Programmerstellung 462 14.4. Flußdiagramme 465 14.5. Programmiersprachen 468 14.5.1. Maschinensprache (maschinenorientiert) 469 14.5.2. Assemblersprache 469 14.5.3. Höhere Programmiersprachen (anwendungs- oder problemorientiert)... 470 14.5.4. Schreibweise von Assemblerprogrammen 472 14.6. Adressierungsarten 473 14.7. Befehle 475 14.8. Programmstrukturen 481 14.8.1. Offene Strukturen 481 14.8.2. Geschlossene Strukturen 482
Inhaltsverzeichnis 13 14.9. Programmierungstechniken 483 14.9.1. Geradeausprogrammierung 484 14.9.2. Verteiler 484 14.9.3. Schleifentechnik 485 14.9.4. Unterprogrammtechnik 487 14.9.5. Makros 487 14.9.6. Bitmanipulation 488 14.10. Programmierbeispiel 488 14.11. Systementwurf mit Mikroprozessoren 491 14.12. Entwicklungshilfsmittel 493 14.12.1. Hardware-Entwicklungshilfsmittel 493 14.12.2. Software-Entwicklungshilfsmittel 494 14.12.2.1. Cross-Software 495 14.12.2.2. Residente Software 495 15. Hilfsschaltungen für digitale Systeme 499 15.1. Kontaktentprellung 499 15.2. Erzeugung von Nadelimpulsen 500 15.3. Synchronisation asynchroner Signale 500 15.4. Ausblenden einer Impulsgruppe 501 15.5. Takterzeugung 501 15.6. Hilfsspannungserzeugung 504 16. Datenübertragung und Störeinflüsse 506 16.1. Bussysteme 506 16.1.1. Allgemeines 506 16.1.2. Einheitliche Busschnittstellen 508 16.1.2.1. Parallele Bussysteme 511 16.1.2.1.1. Multibus I 511 16.1.2.1.2. Multibus II 513 16.1.2.1.3. IEC-Bus (IMS-2) 515 16.1.2.2. Serielle Bussysteme 518 16.2. Datenübertragung 527 16.2.1. Allgemeines 527 16.2.2. Einheitliche serielle Schnittstellen 533 16.3. Störungen 538 16.3.1. Interne Störsignale 538 16.3.2. Externe Störsignale 541 17. Entwurf digitaler Systeme 544 17.1. Entwurf von Kombinationsschaltungen (Schaltnetze) 544 17.1.1. Beschreibungsmöglichkeiten von Kombinationsschaltungen 544 17.1.1.1. Schaltfunktion 545 17.1.1.2. Schaltbelegungstabelle (SBT) 547 17.1.1.3. Schaltbelegungstabelle und kanonische Normalformen 548 17.1.1.4. Karnaugh-Tafel 549 17.1.2. Vereinfachung (Minimierung) von Schaltfunktionen 552
14 Inhaltsverzeichnis 17.1.2.1. Vereinfachung von Schaltfunktionen mit Regeln der Schaltalgebra 552 17.1.2.2. Vereinfachung von Schaltfunktionen mit Karnaugh-Tafeln 553 17.1.3. Praktische Realisierung von Kombinationsschaltungen 555 17.1.3.1. Realisierung mit logischen Gattern 555 17.1.3.2. Realisierung mit programmierbaren Logikfeldern 557 17.1.3.3. Realisierung mit Multiplexern (Demuitiplexern) 557 17.1.3.4. Realisierung mit Festwertspeichern 559 17.2. Entwurf sequentieller Schaltungen (Folgeschaltungen, Schaltwerke) 561 17.2.1. Allgemeines 561 17.2.2. Beschreibungsmöglichkeiten sequentieller Schaltungen 563 17.2.2.1. Zustandsgraph 564 17.2.2.2. Automatentabelle (Zustandstabelie) 565 17.2.2.3. Karnaugh-Tafel 565 17.2.2.4. Überführungsfunktion (Zustandsgieichung) 567 17.2.2.5. Register-Transfer-Methode 567 17.2.3. Systementwurf. Allgemeiner Ablauf 569 17.2.3.1. Realisierung mit Gattern und Flipflops (verdrahtungsprogrammiert)... 569 17.2.3.1.1. Hauptschritte 569 17.2.3.1.2. Allgemeingültige Ansteuergleichungen für Flipflops 572 17.2.3.1.3. Entwurf des Schaltnetzes zur Ansteuerung der Flipflops (Schaltnetz 1).. 573 17.2.3.1.4. Ableitung der Überführungsfunktionen aus dem Zustandsgraphen 573 17.2.3.1.5. Herleitung des Schaltnetzes zur Erzeugung der Ausgangsvariablen (Schaltnetz 2) 575 17.2.3.2. Realisierung mit MSI-Schaltungen 575 17.2.3.3. Realisierung mit programmierbaren LSI-Schaltungen (speicherprogrammiert) 577 17.2.3.3.1. Mikroprozessorsystem 577 17.2.3.3.2. Mikroprogrammsteuerung 577 17.2.4. Realisierungsbeispiel 578 17.2.4.1. Verdrahtungsprogrammierte Realisierung 579 17.2.4.2. Realisierung mit PROM 586 17.2.4.3. Mikroprozessorvariante 589 Anhang 1 Befehlssatz des Mikroprozessors U 880 (Assemblersprache) 593 Anhang 2 Überblick über die Grundbefehle des Einchipmikrorechners U 881/882.. 605 Anhang 3 Befehlssatz des 16-bit-Mikroprozessors 8086/8088 (K 1810) 607 Anhang 4 Befehlssatz des MikroControllers 8051 618 Literaturverzeichnis 621 Register 629