Veranstaltung: Informatik 3 - Digitaltechnik

Nummer:
141300
Lehrform:
Vorlesung und Übungen
Medienform:
Folien, rechnerbasierte Präsentation, Tafelanschrieb
Verantwortlicher:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Oehm
Dozent:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Oehm (ETIT)
Sprache:
Deutsch
SWS:
4
LP:
5
Angeboten im:
Wintersemester

Termine im Wintersemester

  • Beginn: Donnerstag den 12.10.2017
  • Vorlesung Donnerstags: ab 08:30 bis 10.00 Uhr im HZO 50
  • Übung Freitags: ab 08:15 bis 09.45 Uhr im HID
  • Zusatzübung: im ID

Prüfung

Schriftliche Prüfung am 14.02.2018

Dauer: 120min
Prüfungsanmeldung: FlexNow
Beginn: 16:30

Räume:

HMA 10: Die Hörsaalaufteilung wird vom Lehrstuhl bekannt gegeben

HNA : Die Hörsaalaufteilung wird vom Lehrstuhl bekannt gegeben

HNB : Die Hörsaalaufteilung wird vom Lehrstuhl bekannt gegeben

HNC 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

Folien:

Übungen:

Sonstige:

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. Henke, Karsten, Wuttke, Heinz-Dieter "Schaltsysteme. Eine automatenorientierte Einführung", Pearson Studium, 2002
  10. Siemers, Christian, Sikora, Axel "Taschenbuch Digitaltechnik", Hanser Fachbuchverlag, 2002
  11. Schiffmann, Wolfram, Schmitz, Robert "Technische Informatik 1. Grundlagen der digitalen Elektronik", Springer, 2003

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_17_18_1V1.zip

Das Vorlesungsskript ist in der virtuellen Maschine enthalten.