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E-Book

Lehrbuch Digitaltechnik

Eine Einführung mit VHDL

Autor	Jürgen Reichardt
Verlag	De Gruyter Oldenbourg
Erscheinungsjahr	2013
Reihe	De Gruyter Studium
Seitenanzahl	412 Seiten
ISBN	9783486753875
Format	PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	39,80 EUR

This textbook provides a step-by-step introduction to the important elements of the VHDL hardware descriptive language in tandem with the fundamental principles of digital circuit design, ensuring that the reader has the knowledge required to understand and design simple digital systems.

Jürgen Reichardt, Hamburg

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur 3. Auflage V	5
1 Einleitung	15
1.1 Die Hardwarebeschreibungssprache VHDL	17
1.2 Digitale und Analoge Signale	18
1.3 Digitale Systeme	19
1.4 Gliederung des Buches	22
1.5 Vertiefende Aufgaben	23
2 Modellierung digitaler Schaltungen	25
2.1 Lernziele	25
2.2 Entwurfssichten und Abstraktionsebenen	25
2.3 Modellierung mit Hardwarebeschreibungssprachen	28
2.3.1 Datenflussmodelle	29
2.3.2 Strukturmodelle	29
2.3.3 Verhaltensmodelle	30
2.4 Kombinatorische und getaktete Logik	30
2.4.1 Eigenschaften kombinatorischer Logik	31
2.4.2 Eigenschaften getakteter Logik	31
2.4.3 Modellierung auf Register-Transfer-Ebene	32
2.5 Entwurfsmethodik für programmierbare digitale Schaltungen	33
2.6 Vertiefende Aufgaben	34
3 Boole’sche Algebra	35
3.1 Lernziele	35
3.2 Schaltvariable und Schaltfunktionen, Signale	35
3.3 Elementare Schaltfunktionen	36
3.3.1 Die NICHT-Schaltfunktion (Inversion)	37
3.3.2 Die UND-Schaltfunktion (Konjunktion)	37
3.3.3 Die ODER-Schaltfunktion (Disjunktion)	38
3.3.4 Boole’sche Funktionen mit mehreren Eingängen	38
3.4 Rechenregeln der Schaltalgebra	39
3.4.1 Theoreme	39
3.4.2 Kommutativgesetze	40
3.4.3 Assoziativgesetze	40
3.4.4 Distributivgesetze	41
3.4.5 De Morgan’sche Gesetze	42
3.4.6 Vereinfachungsregeln	42
3.5 Vollständige Systeme	43
3.5.1 Das Dualitätsprinzip	43
3.5.2 NAND- und NOR-Gatter	44
3.6 Normalformen	46
3.6.1 Disjunktive Normalform (DNF)	47
3.6.2 Konjunktive Normalform (KNF)	47
3.7 Realisierung von Schaltfunktionen mit Wahrheitstabellen	48
3.7.1 SOP- und POS-Darstellungen von Wahrheitstabellen in programmierbaren Bausteinen mit UND/ODER-Logik	50
3.7.2 Look-Up-Tabellen	50
3.8 XOR- und XNOR-Logik	51
3.8.1 SOP- und POS-Darstellungen	51
3.8.2 XOR- und XNOR-Regeln und Gesetze	51
3.8.3 XOR- und XNOR-Logik mit mehr als zwei Eingängen	52
3.9 Vorrangregeln	53
3.10 Schaltsymbole	54
3.11 Implementierung von Schaltfunktionen mit Multiplexern	57
3.12 Analyse von Schaltnetzen	59
3.13 Vertiefende Aufgaben	61
4 VHDL-Einführung I	65
4.1 Lernziele	65
4.2 Syntaxnotation	65
4.3 Der Aufbau eines VHDL-Modells	66
4.3.1 Beschreibung einer entity	67
4.3.2 Aufbau einer architecture	69
4.3.3 Nebenläufige Signalzuweisungen	70
4.3.4 Logikoperatoren in VHDL	71
4.4 VHDL-Testbenches	78
4.5 Vertiefende Aufgaben	81
5 Zahlensysteme in der Digitaltechnik	83
5.1 Lernziele	84
5.2 Polyadische Zahlensysteme	84
5.3 Umwandlung zwischen Zahlensystemen	86
5.4 Addition und Subtraktion vorzeichenloser Dualzahlen	88
5.5 Darstellung negativer Zahlen	90
5.5.1 Eigenschaften des 2er-Komplementzahlensystems	91
5.5.2 Addition und Subtraktion im 2er-Komplementzahlensystem	94
5.6 Darstellung rationaler Zahlen	96
5.6.1 Festkommadarstellung im Q-Format	96
5.6.2 Gleitkommadarstellung	99
5.7 Vertiefende Aufgaben	100
6 Logikminimierung	103
6.1 Lernziele	103
6.2 Minimierung mit KV-Tafeln	103
6.2.1 Disjunktive Minimalform (DMF)	104
6.2.2 Konjunktive Minimalform (KMF)	112
6.2.3 Output-Don’t-Care-Terme	113
6.2.4 Grenzen der zweistufigen Minimierung	116
6.3 Softwarealgorithmen zur zweistufigen Minimierung	122
6.3.1 Quine-McCluskey-Algorithmus	122
6.3.2 Espresso-Algorithmus	123
6.4 Minimierungskonzepte für FPGAs	123
6.5 Vertiefende Aufgaben	125
7 VHDL-Einführung II	129
7.1 Lernziele	129
7.2 Das VHDL-Prozesskonzept	129
7.3 Ereignisgesteuerte Simulatoren	131
7.4 Verzögerungsmodelle	134
7.5 Sequenzielle Anweisungen in Prozessen	136
7.5.1 case-Anweisung	136
7.5.2 if-Anweisung	138
7.6 Prozesse ohne Sensitivityliste	142
7.7 Verwendung von Variablen in Prozessen	142
7.8 Modellierungsbeispiel	143
7.9 Vertiefende Aufgaben	147
8 Codes	149
8.1 Lernziele	149
8.2 Charakterisierung und Klassifizierung	149
8.3 Zahlencodes	150
8.4 Code für die Längen- und Winkelmesstechnik	154
8.5 Methoden der Fehlererkennung und -korrektur	156
8.6 Vertiefende Aufgaben	159
9 Physikalische Implementierung und Beschaltung von Logikgattern	161
9.1 Lernziele	161
9.2 Logikgatter in CMOS-Technologie	161
9.2.1 CMOS-Technologie und Kennlinien der MOS-Transistoren	161
9.2.2 Aufbau und Kennlinien eines CMOS-Inverters	163
9.2.3 Pegelbereiche digitaler Logikfamilien	166
9.3 Logikzustände und elektrische Pegel	167
9.4 Statische CMOS-Logikgatter	169
9.5 Beschaltung von Gatterausgängen	171
9.5.1 Standardausgang	171
9.5.2 Open-Drain- / Open-Collector-Ausgang	172
9.5.3 Three-State-Ausgang	175
9.6 VHDL-Modellierung mit den Datentypen std_ulogic und std_logic	177
9.6.1 Mehrwertige Datentypen	177
9.6.2 Datentypen mit Auflösungsfunktion	178
9.6.3 VHDL-Modellierungsbeispiele	180
9.7 Vertiefende Aufgaben	183
10 Datenpfadkomponenten	185
10.1 Lernziele	186
10.2 Multiplexer	186
10.3 Binärzahlendecoder und Demultiplexer	188
10.4 Prioritätsencoder	191
10.5 Code-Umsetzer	193
10.6 Komparator	195
10.7 Hierarchische Strukturmodellierung in VHDL	196
10.8 Addierer	199
10.8.1 Halb- und Volladdierer	199
10.8.2 Ripple-Carry-Addierer	203
10.8.3 Carry-Lookahead-Addierer	206
10.8.4 Kombinierter Addierer/Subtrahierer	209
10.8.5 Addition von Festkommazahlen im Q-Format	209
10.9 Hardware-Multiplizierer	211
10.10 Arithmetik in VHDL	213
10.11 Vertiefende Aufgaben	218
11 Latches und Flipflops in synchronen Schaltungen	221
11.1 Lernziele	222
11.2 Das RS-Latch	222
11.2.1 Basis-RS-Latch	223
11.2.2 Taktzustandsgesteuertes RS-Latch	228
11.3 Das D-Latch (Data-Latch)	230
11.4 D-Flipflops	232
11.4.1 Varianten von D-Flipflops	237
11.5 JK-Flipflop	242
11.6 T-Flipflop	243
11.7 Zweispeicher-Flipflops	244
11.8 RTL-Modellierung synchroner Schaltungen	246
11.9 Zusammenfassung	248
11.10 Vertiefende Aufgaben	249
12 Entwurf synchroner Zustandsautomaten	255
12.1 Lernziele	256
12.2 Formale Beschreibung von Zustandsautomaten	256
12.3 Entwurf eines Geldwechselautomaten	259
12.3.1 Realisierung als Mealy-Automat	259
12.3.2 Realisierung als Moore-Automat	270
12.3.3 Medwedew-Automatenstruktur	275
12.4 Impulsfolgeerkennung mit Zustandsautomaten	275
12.4.1 Implementierung als Moore-Automat	276
12.4.2 Implementierung als Mealy-Automat	278
12.5 Kopplung von Zustandsautomaten	282
12.6 Vertiefende Aufgaben	284
13 Entwurf von Synchronzählern	287
13.1 Lernziele	288
13.2 Manuelle Implementierung von Zählern	288
13.2.1 mod-5-Zähler	288
13.2.2 mod-4-Vorwärts-/Rückwärtszähler	293
13.3 Standardzähler	297
13.3.1 Abhängigkeitsnotation	297
13.3.2 Systematischer VHDL-Entwurf von Zählern	300
13.3.3 Kaskadierung von Standardzählern	304
13.4 Vertiefende Aufgaben	306
14 Schieberegister	311
14.1 Lernziele	311
14.2 Arbeitsweise von Schieberegistern	311
14.3 Serien-Parallel-Umsetzer	313
14.4 Parallel-Serien-Umsetzer	316
14.5 Zähler mit Schieberegistern	319
14.5.1 Ringzähler	319
14.5.2 Johnson-Zähler	321
14.6 Linear rückgekoppelte Schieberegister	324
14.7 Vertiefende Aufgaben	327
15 Synchronisation digitaler Systeme	329
15.1 Lernziele	329
15.2 Kopplung von Signalen in zueinander synchronen Taktdomänen	330
15.2.1 Impulsverkürzung	330
15.2.2 Impulsverlängerung	331
15.3 Synchronisation asynchroner Eingangssignale	335
15.3.1 Synchronisation langer Eingangsimpulse	335
15.3.2 Synchronisation kurzer Eingangsimpulse	339
15.3.3 Asynchrone Resets	340
15.4 Datenaustausch zwischen Teilsystemen	343
15.4.1 Synchrone Datenübertragung	344
15.4.2 Asynchrone Datenübertragung	346
15.5 Vertiefende Aufgaben	355
16 Digitale Halbleiterspeicher	357
16.1 Lernziele	357
16.2 Übersicht	357
16.2.1 Klassifizierung	358
16.2.2 Speicherstrukturen	359
16.2.3 Kenngrößen	360
16.3 Nichtflüchtige Speicher	361
16.3.1 Maskenprogrammierbares ROM	362
16.3.2 PROM	363
16.3.3 EPROM	364
16.3.4 EEPROM und Flash-EEPROM	365
16.3.5 Instanziierung von ROM-Strukturen durch VHDL-Code	366
16.4 Flüchtige Speicher	367
16.4.1 SRAMs	367
16.4.2 DRAMs	370
16.4.3 SDRAM und DDR-RAM	373
16.4.4 Modellierung von SRAM-Speicher in VHDL	375
16.5 FIFO-Speicher	379
16.5.1 VHDL-Modellierung eines Dual-Port-Block-RAMs	382
16.6 Speichererweiterung	386
16.7 Vertiefende Aufgaben	390
17 Programmierbare Logik	393
17.1 Lernziele	393
17.2 PLD-Architekturen	393
17.3 SPLDs	395
17.3.1 PROM-Speicher	396
17.3.2 PLAs	399
17.3.3 PALs	400
17.4 CPLDs	406
17.5 FPGAs	410
17.5.1 Die Spartan-3-FPGA-Familie der Fa. Xilinx	411
17.5.2 Technologische Entwicklungstrends bei FPGAs	419
17.6 Vertiefende Aufgaben	420
18 Anhang	421
18.1 Hinweise zur Verwendung von ModelSim und ISE WebPACK	421
18.1.1 ModelSim Hilfesystem	422
18.1.2 Entwicklungsablauf mit ModelSim	422
18.2 VHDL-Codierungsempfehlungen	434
Literaturverzeichnis	439
Sachregister	443

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