Schaltungen Der Datenverarbeitung

ISBN-13: 9783519061083 / Niemiecki / Miękka / 1980 / 264 str.

Klaus Kran; Klaus Waldschmidt; Christoph Steigner

Opis

Dieses Buch ist aus einigen Kurseinheiten eines Fernstudienkurses zur Technischen Informatik an der Fernuniversitiit Hagen sowie aus mehreren Vorlesungen an der Technischen UniversWit Berlin und der Universitiit Dortmund hervorgegangen. Es behandelt die wichtigsten integrierten Schaltkreisfamilien, ihren Einsatz und ihre Anwendungen in dem Bereich der Schaltungen der Datenverarbeitung. Weiterhin werden die Organisation eines Mikroprozessors exemplarisch besprochen und die zur Mikroprogrammierung erforderlichen Halbleiterbausteine und ihre Schaltungsprinzipien dargestellt. Die Schaltungstechnik im Bereich der Datenverarbeitung hat durch die EinfUhrung der groBinte grierten Schaltungen und Speicherbausteine in den letzten Jahren wesentliche Impulse erhalten. Hierzu haben die heute verfligbaren Mikroprozessoren ebenso beigetragehwie die Halbleiterspeicher hoher SpeicherkapazWit und die programmierbaren logischen Anordnungen.'(PLA's). -.'J .. Die Entwicklung zu immer universeller einsetzbaren Schaltungen wurde erst durch dj(;'GroBin- gration ermoglicht. Die Moglichkeiten der GroBintegration haben daher in starkem MaBe auch die Hardwaretechnik beeinfluBt. Das Spektrum der Schaltungstechnik im Bereich der Datenverarbei tung reicht heute von den integrierten Schaltkreisfamilien, den Arithrnetisch-Logischen Einheiten, tiber die Halbleiterspeicher bis hin zu den programmgesteuerten Schaltwerken. Die Zukunft wird jedoch den programmgesteuerten Konzepten gehoren. Mikroprogrammierbare Steuerungen auf der Basis von Mikroprozessoren oder als mikroprogram mierbare Schaltwerke auf der Basis von Halbleiterspeichern haben den Vorteil, daB Xnderungen in der Aufgabenstellung durch Anderung der Anwenderprogramme relativ einfach berticksichtigt werden konnen. Das mikroprograrurnierbare Steuerwerk wurde bereits 1951 von Wilkes angegeben. Jedoch erst mittels der heute zur Verfugung stehenden Halbleiterspeicher mit ihrer hohen Speicherkapazitiit und der Moglichkeit des Umprogrammierens wurde diese Form einer Steuerwerksrealisierung allgemeinen Anwendungsfallen zuganglich.

Spis treści

1 Technische Realisierung der logischen Funktionen.- 1.1 Positive und Negative Logik.- 1.2 Logische Grundschaltungen.- 1.2.1 Passive Grundschaltungen.- 1.2.2 Aktive Grundschaltungen.- 2 Integrierte digitale Schaltkreisfamilien.- 2.1 Integrierte Schaltungen.- 2.1.1 Die Dioden-Transistor-Logik (DTL).- 2.1.1.1 Grundschaltungen der DTL-Logik.- 2.1.1.2 High-Noise-Immunity-Logik.- 2.1.2 Die Transistor-Transistor-Logik (TTL).- 2.1.2.1 Die Eingangsstufe.- 2.1.2.2 Die TTL-Grundschaltung.- 2.1.2.3 Übergangsverhalten.- 2.1.2.4 Realisierung des UND-Gatters.- 2.1.2.5 Realisierung des NOR-Gatters.- 2.1.2.6 Realisierung des ODER-Gatters.- 2.1.2.7 Der Expander.- 2.1.2.8 Weiterentwicklungen des TTL-Grundgatters.- 2.1.3 Die Schottky-TTL (STTL).- 2.1.4 Das TTL-Gatter mit offenem Kollektor.- 2.1.5 Die Tri-State-Logik.- 2.1.6 Die Low-Power-TTL.- 2.1.7 Die Emittergekoppelte Logik (ECL).- 2.1.7.1 Schaltung und logische Funktion des Grundgatters.- 2.1.7.2 Elektrische Eigenschaften der ECL-Technik.- 2.1.7.3 Weiterentwicklung der ECL Logik.- 2.1.7.4 Expander.- 2.1.7.5 Pegel-Wandler ECL/TTL und TTL/ECL.- 2.1.7.6 Zusammenfassung.- 3 Großintegration.- 3.1 Die Integrierte Injektions-Logik (I2L).- 3.1.1 Das I2L-Grundgatter.- 3.1.2 Logische Funktion des I2L-Gatters.- 3.1.3 Eigenschaften der I2L-Technik.- 3.1.3.1 Schaltzeit-Leistungsprodukt.- 3.1.3.2 Komplexität.- 3.1.3.3 Versorgungsspannung.- 3.1.3.4 Geschwindigkeit.- 3.2 Die MOS-Technik.- 3.2.1 Der MOS-Transistor.- 3.2.2 MOS-Technologien zur Herstellung integrierter Schaltungen.- 3.2.3 Der Inverter als Grundbaustein der MOS-Logik.- 3.2.3.1 Der statische Inverter.- 3.2.3.2 Der dynamische Inverter.- 3.2.3.3 Der CMOS-Inverter.- 3.2.4 MOS-Logik.- 3.2.4.1 Das MOS-Gatter.- 3.2.4.2 CMOS-Schalter.- 3.2.4.3 Kreuzgekoppelte Gatter.- 3.3 Zusammenfassung.- 4 Flipflops und Zähler.- 4.1 Einleitung.- 4.2 Flipflops.- 4.2.1 Asynchrones RS-Flipflop.- 4.2.2 Taktzustandsgesteuerte Flipflops.- 4.2.2.1 Getaktetes RS-Flipflop.- 4.2.2.2 Getaktetes D-Flipflop.- 4.2.3 Master-Slave-Flipflop (Taktflankengesteuerte Flipflops).- 4.2.3.1 Master-Slave RS-Flipflop.- 4.2.3.2 Master-Slave JK-Flipflop.- 4.2.3.3 Master-Slave D-Flipflop.- 4.2.3.4 Master-Slave T-Flipflop.- 4.2.3.5 Master-Slave Flipflop mit asynchronem Setz- und Rücksetzeingang.- 4.3 Zähler.- 4.3.1 Asynchrone Untersetzer.- 4.3.2 Synchrone Untersetzer.- 4.3.3 Asynchrone Zähler.- 4.3.4 Synchrone Zähler.- 4.4 Zusammenfassung.- 5 Arithmetisch-Logische Einheiten.- 5.1 Addition und Subtraktion von Dualzahlen.- 5.1.1 Halb- und Volladdierer.- 5.1.2 Serien- und Paralleladdierer.- 5.1.2.1 Serienaddierer.- 5.1.2.2 Serienaddierer mit Akkumulatorregister.- 5.1.2.3 Paralleladdierer.- 5.1.2.4 Volladdierer mit Übertrags-Vorausberechnung (carry look ahead).- 5.1.3 Subtrahierer.- 5.2 Multiplikation von Dualzahlen.- 5.2.1 Seriell-Paralleler Multiplizierer.- 5.2.2 Paralleler Multiplizierer.- 5.2.3 Multiplizierer für Zweikomplementzahlen.- 5.3 Division von Dualzahlen.- 5.3.1 Serieller Dividierer.- 5.3.2 Paralleler Dividierer.- 5.4 Organisatorische Operationen.- 5.4.1 Verschiebungen von Registerinhalten.- 5.4.2 Vergleiche von Datenworten.- 5.4.2.1 Prüfung auf Gleichheit.- 5.4.2.2 Größer-Kleiner-Vergleicher.- 5.5 Zusammenfassung.- 6 Codierer und Datenwegschaltungen.- 6.1 Binäre Codierschaltnetze.- 6.1.1 Der Decoder.- 6.1.2 Der Encoder.- 6.2 Datenwegschaltungen.- 6.2.1 Multiplexer.- 6.2.2 Demultiplexer.- 6.2.3 Datenbus.- 6.2.3.1 Bustreiber.- 6.2.3.2 CMOS-Transmissiongate.- 7 Realisierungskonzepte für digitale Steuerwerke.- 7.1 Das festverdrahtete Steuerwerk.- 7.2 Das Steuerwerk auf der Basis von programmierbaren logischen Einheiten (PLA).- 7.3 Das Steuerwerk auf der Basis von Halbleiterspeichern.- 7.4 Das Steuerwerk auf der Basis von Mikroprozessoren.- 7.5 Zusammenfassung.- 8 Halbleiterspeicher.- 8.1 Ortsadressierbare Speicher.- 8.1.1 Adressierverfahren ortsadressierbarer Halbleiterspeicher.- 8.1.1.1 Wortweise Adressierung.- 8.1.1.2 Bitweise Adressierung.- 8.1.2 Schreib-/Lesespeicher.- 8.1.2.1 TTL-Speicherzelle.- 8.1.2.2 Statische MOS-Speicherzelle.- 8.1.2.3 Dynamische MOS-Speicherzelle.- 8.1.2.4 Speicherorganisation von Schreib-/Lesespeichern.- 8.1.3 Festwertspeicher.- 8.1.3.1 Irreversible Festwertspeicher.- 8.1.3.2 Reversible Festwertspeicher.- 8.2 Inhaltsadressierbare Speicher.- 8.3 Zusammenfassung.- 9 Mikroprogrammierte Schaltwerke.- 9.1 Synchrone Schaltwerke.- 9.2 Zusammenhang zwischen festverdrahteten Steuerwerken aus Logikgattern und mikroprogrammierten Steuerwerken.- 9.2.1 Das allgemeine Modell des synchronen Steuerwerks.- 9.2.2 Das Modell des mikroprogrammierten Steuerwerks.- 9.3 Methoden der Folgeadreßerzeugung.- 9.3.1 Folgeadreßerzeugung durch einen Binärzähler.- 9.3.2 Erzeugung der Folgeadresse durch das Mikroprogramm.- 9.3.3 Folgeadreßerzeugung durch interne Verknüpfung von Eingangsvektor und Zustandsvektor.- 9.3.4 Folgeadreßerzeugung bei reagierenden Mikroprogrammsteuerwerken mit Hilfe externer Funktionseinheiten.- 9.3.4.1 Folgeadreßerzeugung mit einem Binärzähler.- 9.3.4.2 Auswahl des Eingangsvektors mit einem Multiplexer.- 9.3.4.3 Folgeadreßerzeugung durch Addition von Zweikomplementzahlen.- 9.3.4.4 Kombinationen der verschiedenen Folgeadreßerzeugungsverfahren.- 9.4 Methoden der Steuerwortauswertung.- 9.4.1 Horizontale und vertikale Auswertung des Steuerwortes.- 9.4.2 Aufteilung eines Steuerwortes in Wortfelder.- 9.4.3 Der Nanoprogrammspeicher.- 9.5 Der Zeitablauf im synchronen Mikroprogrammsteuerwerk.- 9.6 Mikroprogrammierbarer Rechner.- 9.7 Zusammenfassung.- 10 Struktur und Organisation eines Mikroprozessors.- 10.1 Einleitung.- 10.2 Die Struktur eines Mikroprozessors.- 10.3 Das Konzept eines Mikroprozessors.- 10.3.1 Die Register-ALU (RALU).- 10.3.2 Erweiterung der RALU mit einem Testmultiplexer.- 10.3.2.1 Beispiel einer Betragsmultiplikation.- 10.3.3 Ergänzung der RALU durch eine Zwischenspeicherung der Übertragungsund Shift-Register-Bits.- 10.3.3.1 Beispiel einer 16 Bit-Multiplikation.- 10.3.4 Ein-Ausgabe-Register zur Übergabe von Daten an periphere Geräte (Speicher, Datenstationen usw.).- 10.4 Der mikroprogrammierbare und der nicht-mikroprogrammierbare Mikroprozessor.- 10.4.1 Die Holphase.- 10.4.2 Die Ausfuhrungsphase.- 10.5 Bidirektionale Datenbussysteme.- 10.6 Register für besondere Funktionen.- 10.6.1 Der Stapelspeicher.- 10.6.2 Das Indexregister.- 10.7 Befehlstabelle für einen Mikroprozessor.- 10.7.1 Eigenschaften der Mikroprozessorbefehle.- 10.7.1.1 Arithmetisch-Logische Befehle.- 10.7.1.2 Transfer-Befehle.- 10.7.1.3 Sprungbefehle.- 10.7.1.4 Unterprogramm-Programmierungstechnik.- 10.7.1.5 Ein/Ausgabe-Programmierung.- 10.8 Zusammenfassung.- 11 Analog/Digital- und Digital/Analog-Umsetzung.- 11.1 Einleitung.- 11.2 Umsetzer-Codes.- 11.2.1 Vorzeichenzahl.- 11.2.2 Offset-Binary-Code.- 11.2.3 Zwei-Komplement-Zahl.- 11.3 Auflösung und Umsetzgeschwindigkeit.- 11.4 Theorie zur Digital/Analog-und Analog/Digital-Umsetzung.- 11.4.1 Digital/Analog-Umsetzung.- 11.4.2 Analog/Digital-Umsetzung.- 11.5 Parameter der Analog/Digital- und Digital/Analog-Umsetzer.- 11.5.1 Auflösung.- 11.5.2 Genauigkeit.- 11.5.3 Nichtlinearität.- 11.5.4 Differentielle Nichtlinearität.- 11.5.5 Nicht-Monotonizität.- 11.5.6 Nullpunktfehler.- 11.5.7 Steilheitsfehler.- 11.5.8 Vorwärtskopplung.- 11.5.9 Umsetzzeit.- 11.5.10 Umsetzgeschwindigkeit.- 11.5.11 Verzögerungszeit.- 11.5.12 Anstiegszeit.- 11.5.13 Schaltzeit.- 11.5.14 Einschwingzeit.- 11.6 Konzepte zur Digital/Analog-Umsetzung.- 11.6.1 Allgemeine Eigenschaften der Digital/Analog-Umsetzer.- 11.6.2 Parallele Digital/Analog-Umsetzung.- 11.6.2.1 Digital/Analog-Umsetzer mit binär gewichteten Widerständen.- 11.6.2.2 Digital/Analog-Umsetzer mit Kettenleiter.- 11.6.2.3 Digital/Analog-Umsetzer mit eingespeisten Strömen.- 11.6.3 Serielle Digital/Analog-Umsetzung.- 11.6.4 Indirekte Digital/Analog-Umsetzung.- 11.7 Konzepte zur Analog/Digital-Umsetzung.- 11.7.1 Der Komparator.- 11.7.2 Paralleler Analog/Digital-Umsetzer.- 11.7.2.1 Parallel-Serieller Analog/Digital-Umsetzer.- 11.7.3 Serieller Analog/Digital-Umsetzer.- 11.7.4 Analog/Digital-Umsetzer mit Digital/Analog-Umsetzer in der Rückführung.- 11.7.4.1 Analog/Digital-Umsetzer nach dem Zählverfahren.- 11.7.4.2 Analog/Digital-Umsetzer mit sukzessiver Approximation.- 11.7.5 Indirekte Analog/Digital-Umsetzer.- 11.7.5.1 Analog/Digital-Umsetzer nach dem Sägezahnverfahren.- 11.7.5.2 Analog/Digital-Umsetzer nach dem Zwei-Rampen-Verfahren.- 11.8 Aufbau eines analogen Meßsystems.- 11.8.1 Abtast-und Haltekreis.- 11.8.2 Einfluß der Amplituden- und Zeitquantisierung durch die Analog/Digital-Umsetzung.- 11.8.2.1 Beschreibung des Übergangsverhaltens eines Abtast- und Haltekreises.- 11.8.2.2 Übertragungsfehler im Zeitbereich.- 11.8.2.3 Übertragungsfehler im Frequenzbereich.- 11.8.2.4 Umsetzfehler durch Amplitudenquantisierung.- 11.9 Zusammenfassung.- 12 Beispiel zur Regelung eines chemischen Prozesses.- Übungsaufgaben.- Lösungen der Übungsaufgaben.

O autorze

Prof. Dr. Klaus Waldschmidt
Universität Frankfurt/Main
Unter Mitwirkung von
Christoph Steigner
Konstanz
U. Post
Berlin