Veranstaltung: Informatik 3 - Digitaltechnik

Nummer:
141300
Lehrform:
Vorlesung und Übungen
Medienform:
Folien, rechnerbasierte Präsentation, Tafelanschrieb
Verantwortlicher:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Oehm
Dozenten:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Oehm (ETIT), Dipl.-Ing. André Feiler (ETIT), M. Sc. Lukas Straczek (ETIT), M. Sc. Dominik Veit (ETIT)
Sprache:
Deutsch
SWS:
4
LP:
5
Angeboten im:
Wintersemester

Termine im Wintersemester

  • Beginn: Donnerstag den 11.10.2018
  • Vorlesung Donnerstags: ab 08:30 bis 10.00 Uhr im HZO 50
  • Übung Freitags: ab 08:30 bis 10.00 Uhr im HID

Prüfung

Prüfungsform:schriftlich
Prüfungsanmeldung:FlexNow
Datum:13.02.2019
Beginn:14:30
Dauer:120min
Räume: HIA ,  HIB ,  HIC ,  HID ,  HGA 10
Die Hörsaalaufteilung wird vom Lehrstuhl bekannt gegeben.

Ziele

Die Studenten erwerben umfassende Kenntnisse aus den Themenbereichen Boolesche Algebra, Aufbau und die Wirkungsweisen von digitalen Grundschaltungen, Kostenoptimierung digitaler Funktionsgruppen, Struktur und Funktionsweise von Grundfunktionalitäten, die insbesondere zentrale Komponenten von Mikroprozessorsystemen sind (wie z.B. Zählerstrukturen, Schieberegister, ALU, Bustreiber, Speicher). Ferner werden zentrale Kenntnisse über den inneren schaltungstechnischen Aufbau aktueller Logikfamilien vermittelt, insbesondere das Konzept und die Funktionsweise von CMOS-Logikschaltungen, die Skalierungseigenschaften von modernen CMOS-Technologien und die damit verbundenen Auswirkungen auf die Eigenschaften aktueller Geräte und Systeme. Mit diesem Wissen sind die Studierenden in der Lage, zukünftige Entwicklungen in den Integrationstechnologien, und damit in der Digitaltechnik selbst bezüglich ihrer Möglichkeiten und Grenzen einzuschätzen.

Inhalt

  • Historischer Rückblick,
  • Motivation für Digitaltechnik,
  • Boolesche Algebra,
  • Zahlendarstellungen, Rechenschaltungen, arithmetisch logische Einheit (ALU),
  • Flankendetektoren, bi-, mono- und astabile Schaltungen, Flip-Flops,
  • Frequenzteiler, Zähler, Schieberegister, Speicher,
  • Dioden-Logik, Dioden Transistor Logik, Transistor Transistor Logik, CMOS-Logik,
  • CMOS-Technologie, CMOS-Standard-Zellen Konzept,
  • Logikanalyse, Tools zur Logikanalyse,
  • Mooresches Gesetz (Moore’s law).

Die Vorlesung beginnt mit den theoretischen Grundlagen der booleschen Algebra. Danach werden verschiedene Verfahren zur Vereinfachung von logischen Netzwerken vorgestellt. Als nächstes gilt es dann die minimierten logische Netzwerke in kosten- bzw. Hardware-minimale Logikschaltungen umzuwandeln. Dies erfordert, dass die zuvor minimierten logischen Schaltungen in solche logisch äquivalenten Schaltungen transformiert werden müssen, die nur noch aus NAND-, NOR- und NICHT-Funktionen bestehen. In diesem Zusammenhang wird herausgearbeitet, dass der Begriff 'Kosten' sowohl für den 'Hardware-Aufwand' stehen kann, als auch für die 'Summe der Gatterlaufzeiten innerhalb der kritischen Signalpfade'.

Der zweite Teil der Vorlesungsreihe beschäftigt sich mit den höherwertigen digitalen Funktionsgruppen. Dazu gehören z.B. Flipflops, Zählerstrukturen, Schieberegister, Multiplexer/Demultiplexer, Rechenwerke/ALU und Speicher. Die Konzepte synchroner/asynchroner Taktsteuerungen und paralleler/sequentieller Datenverarbeitung werden in Verbindung mit den möglichen unterschiedlichen Architekturen der höherwertigen Funktionsgruppen diskutiert.

Der dritte Teil der Vorlesungsreihe beschäftigt sich mit den zentralen Eigenschaften der wichtigsten Logikfamilien. Vorgestellt werden zunächst die historischen Logikfamilien (Dioden-Logik, Dioden-Transistor-Logik, Transistor-Transistor-Logik) in Verbindung mit ihren typischen Merkmalen. Danach wird das Hauptaugenmerk auf die CMOS-Logik gelegt, die Logikfamilie, die fast ausschließlich in allen modernen Geräten zur Anwendung kommt. Vor dem Hintergrund fortlaufender technologischer Fortschritte und den Eigenschaften von CMOS-Technologien, werden die mit den Technologie-Skalierungen einhergehenden Auswirkungen auf die Schaltzeiten von CMOS-Logik-Gattern dargestellt.

In Verbindung mit der abschließenden Vorstellung des sogenannten Mooresches Gesetzes endet die Vorlesungsreihe mit einem Ausblick auf mögliche technologische Entwicklungen in der Zukunft.

Voraussetzungen

keine

Empfohlene Vorkenntnisse

  • elementare Kenntnisse der Elektrotechnik und der Mathematik.

Materialien

Übungen:

Literatur

  1. Katz, Randy H. "Contemporary Logic Design", Prentice Hall, 1993
  2. Borucki, Lorenz, Stockfisch, Georg "Digitaltechnik", Teubner Verlag, 1989
  3. Pernards, Peter "Digitaltechnik I. Grundlagen, Entwurf, Schaltungen", Hüthig, 2001
  4. Fricke, Klaus "Digitaltechnik. Lehr- und Übungsbuch für Elektrotechniker und Informatiker", Vieweg, 2005
  5. Becker, Jürgen, Lipp, Hans Martin "Grundlagen der Digitaltechnik", Oldenbourg, 2005
  6. Gamm, Eberhard, Schenk, Christoph, Tietze, Ulrich "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer Verlag, 2016
  7. "Handbuch der Elektronik. Digitaltechnik", Medien Institut Bremen, 1999
  8. Eshragian, Karman, Eshragian, Kamran, Weste, Neil H. E. "Principles of CMOS VLSI Design: A Systems Perspective", Addison Wesley Longman Publishing Co, 1993
  9. Siemers, Christian, Sikora, Axel "Taschenbuch Digitaltechnik", Hanser Fachbuchverlag, 2002

Sonstiges

Es wird eine vorlesungsbegleitende Zusatzübung (Tutorium) angeboten, die Termine werden später festgelegt.

Vorlesungsskript und Virtuelle Maschine zur Vorlesung

Die virtuelle Maschine zur Vorlesung kann ab sofort hier heruntergeladen werden: http://vms.ais.ruhr-uni-bochum.de/VM__Digital-Suite-WS_1819_1V0.zip

Das Vorlesungsskript ist in der virtuellen Maschine enthalten.

Kurz­an­lei­tung zur In­stal­la­ti­on der 'Di­gi­tal-Sui­te' auf dem ei­ge­nen PC: http://vms.ais.ruhr-uni-bochum.de/Install_Digital_Suite.pdf

Das Konzept eines interaktiven Vorlesungsskripts in der Umgebung einer virtuellen Maschine wird im folgendem Video kurz vorgestellt: https://ruhr-uni-bochum.sciebo.de/s/bJD5aASWeOl1cvP