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Rechnergestützter Entwurf digitaler Schaltungen

Schaltungssynthese mit VHDL

AutorGünter Jorke
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2004
Seitenanzahl288 Seiten
ISBN9783446400917
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis23,99 EUR
Das Lehrbuch stellt die Grundlagen des Entwurfs digitaler Schaltungen in kompakter Form zusammen. Die Darstellung wird mit der schrittweisen Einführung in die Hardware-Beschreibungssprache VHDL verbunden.

Der Einsatz von VHDL ist für Anfänger auf Grund der Mächtigkeit der Sprache problematisch. Deshalb wird bewusst ein reduzierter Sprachumfang benutzt. Zwischen anschaulichem Schaltbild- und abstrakter hardwarenaher VHDL-Beschreibung der digitalen Schaltungen wird dabei Transparenz hergestellt, was für den Studenten besonders hilfreich ist. Alle Entwürfe dieses Buches sind praktisch erprobt.

Der Autor

Prof. Dr.-Ing. habil. Günter Jorke lehrt digitale Schaltungen und Mikroprozessortechnik an der Fachhochschule Stralsund. 

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Kapitelübersicht
  1. Inhaltsverzeichnis
  2. 1. Schaltungsentwurf mit Hardwarebeschreibungssprachen
  3. 2. VHDL-Beschreibung kombinatorischer Schaltungen
  4. 3. VHDL-Beschreibung sequenzieller Schaltungen
  5. 4. Zähler-Entwurf
  6. 5. Schieberegister
  7. 6. Schaltungen mit Speicherblöcken
  8. 7. Arithmetik-Schaltungen
  9. 8. Peripherieschaltungen für Mikroprozessoren
  10. Literaturverzeichnis
  11. Sachwortverzeichnis
Leseprobe
1 Schaltungsentwurf mit Hardwarebeschreibungssprachen (S. 11-12)

1.1 Vom Schaltplan zur Schaltungssynthese

Digitaltechnik ist zum Schlagwort geworden. Wir leben im digitalen Zeitalter. Die Natur ist kontinuierlich. Wir digitalisieren ihre Erscheinungen. Für vieles besitzen wir Rechenmodelle mit Zahlen aus den binären Werten ,0‘ und ,1‘. Nicht nur der PC führt digitale Operationen aus. Digital-Chips sind in Maschinen, Fahrzeugen, Haushaltsgeräten, im Handy, in der Chipkarte, .... Die Anfänge der Digitaltechnik sind viel älter als die Elektronik. Als erste digitale Maschinen können wir die kleinen und großen mechanischen Apparate mit komplizierten Getrieben für die Abarbeitung der dezimalen Rechenoperationen aus den zurückliegenden Jahrhunderten ansehen.

Bereits im 17. Jahrhundert baute Wilhelm Schickard eine mechanische Rechenmaschine für die vier Grundrechenarten. Nach der Einführung der elektromechanischen Relais in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts konnten bereits anspruchsvolle Steuerungen entwickelt werden. Bild 1.1 zeigt an einem Beispiel, dass mit zwei Typen von Relais logische Verknüpfungen von binären Signalen ausgeführt werden können.

(Bild 1.1 Schaltplan einer Relais-Schaltung - Nicht in der Leseprobe enthalten)

Dabei entspricht eine Reihenschaltung von Kontakten einer UND-Verknüpfung.
Parallele Kontakte bilden eine ODER-Schaltung. Die erste programmgesteuerte Rechenmaschine von Konrad Zuse aus dem Jahr 1941 enthielt ca. 2000 elektromechanische Relais. Aus dieser Zeit stammen Theorien und Terminologien, die wir noch heute benutzen, wie Schaltplan, Schaltalgebra und Automatentheorie. Auch die Elektronenröhre ist für eine kurze Zeit in digitalen Systemen eingesetzt worden. Das spektakulärste Beispiel ist der Computer ENIAC mit 20 000 Elektronenröhren aus dem Jahr 1946. Aus heutiger Sicht hat erst die Entwicklung der Transistortechnik die Digitaltechnik eingeleitet. Die integrierten mikroelektronischen TTL-Schaltungen waren ab Anfang der 60er Jahre mit einem wachsenden Bausteinsortiment für digitale Grundoperationen verfügbar.

10 Jahre später brachte die MOS-Technik eine wesentliche Steigerung des Integrationsgrades. Eine der ersten Anwendungen der neuen Technik waren Taschenrechnerschaltkreise, die als Low-cost-Geräte die Dezimaloperationen ihrer mechanischen Vorfahren ausführen konnten. Es folgten hoch- und höchstintegrierte Schaltungen für Mikroprozessoren, Speicher, Schnittstellen-Controller und applikationsspezifische Schaltungen. Heute werden Mikroprozessoren in Milliardenstückzahlen produziert. Davon geht nur ein kleiner Anteil in die PCs. Die Hauptanwendungen liegen in den kaum sichtbaren „Embedded Systemen".

Für eine lange Zeit konnten spezielle Hardwarelösungen in großem Maße durch die Softwareentwicklung für universelle Mikroprozessorsteuerungen ersetzt werden. Damit beschränkte sich der Chip- und Hardware-Entwurf auf relativ wenige Spezialisten. Auch in der Hochschulausbildung wurde der Schwerpunkt auf die Software gelegt. Inzwischen ist der Stellenwert der Hardware-Entwicklung wieder gewachsen. Durch die Verfügbarkeit programmierbarer Bauelemente werden Applikationsschaltungen verstärkt beim Anwender entwickelt. Die Anfänge der programmierbaren Bausteine (programmable logic device, PLD) gehen auf die 80er Jahre zurück.

Sie enthalten programmierbare Macrozellen, die zu anwenderspezifischen Schaltungen zusammengefügt werden. Mit einem ein- fachen PLD-Baustein können die Funktionen von mehreren Standardbausteinen zusammengefasst werden. Heute sind hochintegrierte komplexe PLDs (CPLDs) mit Hunderten von Macrozellen verfügbar. Ein weiteres Architekturprinzip verwendet Felder programmierbarer Macrozellen und programmierbare Leitungssegmente in Form von beim Anwender programmierbaren Gatearrays (field programmable gate arrays, FPGAs). Damit stehen programmierbare Bausteine mit Hardware-Ressourcen im Bereich von Millionen Gatterfunktionen zur Verfügung.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort5
Inhaltsverzeichnis7
Notation10
1 Schaltungsentwurf mit Hardwarebeschreibungssprachen11
1.1 Vom Schaltplan zur Schaltungssynthese11
1.2 Logische Operationen in digitalen Schaltungen16
1.3 Dualarithmetik20
1.4 Strukturbeschreibung digitaler Systeme24
1.5 Hardwarebeschreibungssprache VERILOG25
1.6 Hardwarebeschreibungssprache VHDL28
1.7 Registrierung und Download für System ISE WebPACK34
2 VHDL-Beschreibung kombinatorischer Schaltungen35
2.1 Logik-Operatoren in VHDL35
2.2 Verhaltensbeschreibung in VHDL36
2.3 Alternative VHDL-Beschreibungen kombinatorischer Schaltungen42
2.4 Vektor-Operationen45
2.5 VHDL-Modelle für kombinatorische Grundschaltungen48
2.5.1 Multiplexer48
2.5.2 Codierer, Decoder und Code-Wandler50
2.5.3 Komparatoren51
2.5.4 Addierschaltungen53
2.5.5 Barrelshifter55
2.5.6 Tristate-Treiber59
2.6 Logik-Elemente in programmierbaren Bauelementen61
2.7 Zusammengesetzte kombinatorische Schaltungen63
2.8 VHDL-Testbench66
2.9 Einführung in das VHDL-Entwurfssystem XILINX ISE69
3 VHDL-Beschreibung sequenzieller Schaltungen79
3.1 Speicherelemente-Typen79
3.1.1 Latch-Speicherelemente79
3.1.2 Taktflankengesteuerte D-Flipflops81
3.1.3 Funktions-Flipflops85
3.2 Speicherelemente in programmierbaren Logikbausteinen88
3.3 Synchrone sequenzielle Schaltungen89
3.4 Funktionaler Entwurf sequenzieller Schaltungen94
3.5 Automatenbeschreibung sequenzieller Schaltungen99
3.5.1 Automatentypen99
3.5.2 Automaten-Entwurf102
3.5.3 VHDL-Beschreibung von Zustandsautomaten103
3.6 Asynchrone sequenzielle Schaltungen105
3.7 Synthese sequenzieller Schaltungen mit dem Entwurfssystem ISE107
4 Zähler-Entwurf111
4.1 Schaltungssynthese für Dualzähler111
4.2 Zusammengesetzte Zähler121
4.3 Dezimalzähler122
4.4 Entwurf schneller Zähler126
4.5 Grundschaltungen mit Zählerelementen130
4.6 Frequenz-Vervielfachung mit PLL-Schaltungen134
4.7 Takt-Management mit DLL-Schaltungen137
4.8 Schaltungsentwurf mit Schaltbild im System ISE139
5 Schieberegister143
5.1 VHDL-Modelle für Schieberegister143
5.2 Ringzähler146
5.3 Automaten-Entwurf mit Schieberegistern147
5.4 LFSR-Zähler151
5.5 Scrambler154
5.6 CRC-Berechnung158
5.7 Implementierung von CPLD-Bausteinen im System ISE161
6 Schaltungen mit Speicherblöcken165
6.1 VHDL-Modelle für Speicherblöcke165
6.2 Verteilte Speicherblöcke in FPGAs168
6.3 Blockspeicherelemente in FPGAs172
6.4 ROM-Speicher176
6.5 Registerschaltungen179
6.6 Schieberegister mit Speicherblöcken187
6.7 FIFO-Speicher191
6.8 CAM-Speicher197
6.9 Implementierung von FPGA-Bausteinen im System ISE202
7 Arithmetik-Schaltungen205
7.1 Schnelle Addierschaltungen205
7.2 Multiplikations-Algorithmen207
7.3 Sequenzielle Multiplikations-Schaltungen210
7.4 Divisions-Algorithmen217
7.5 Sequenzielle Divisions-Schaltungen219
7.6 Konstanten-Multiplizierer223
7.7 Gleitpunktarithmetik-Baugruppen226
7.7.1 Gleitpunktdatenformate226
7.7.2 Gleitpunkt-Multiplikation227
7.7.3 Gleitpunkt-Division231
7.7.4 Gleitpunkt-Addition233
7.8 Konvertierung der Datenformate238
7.8.1 Konvertierung zwischen Integer- und Gleitpunkt-Darstellungen238
7.8.2 Konvertierung zwischen Gleitpunkt- und Integer-Darstellungen241
7.9 Core-Generator im System ISE242
8 Peripherieschaltungen für Mikroprozessoren247
8.1 Prozessorschnittstellen247
8.2 BUS-Systeme252
8.3 Register-Interface258
8.4 FIFO-Interface263
8.5 Timer265
8.6 Echtzeituhr271
8.6.1 Dezimalzählermodule271
8.6.2 Strukturbeschreibung274
8.7 100-Jahres-Kalender277
8.8 Konfigurationsverfahren für FPGAs281
Literaturverzeichnis283
Sachwortverzeichnis286

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