Rechnergestützter Entwurf digitaler Schaltungen (eBook)

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 7
Notation 10
1 Schaltungsentwurf mit Hardwarebeschreibungssprachen 11
1.1 Vom Schaltplan zur Schaltungssynthese 11
1.2 Logische Operationen in digitalen Schaltungen 16
1.3 Dualarithmetik 20
1.4 Strukturbeschreibung digitaler Systeme 24
1.5 Hardwarebeschreibungssprache VERILOG 25
1.6 Hardwarebeschreibungssprache VHDL 28
1.7 Registrierung und Download für System ISE WebPACK 34
2 VHDL-Beschreibung kombinatorischer Schaltungen 35
2.1 Logik-Operatoren in VHDL 35
2.2 Verhaltensbeschreibung in VHDL 36
2.3 Alternative VHDL-Beschreibungen kombinatorischer Schaltungen 42
2.4 Vektor-Operationen 45
2.5 VHDL-Modelle für kombinatorische Grundschaltungen 48
2.5.1 Multiplexer 48
2.5.2 Codierer, Decoder und Code-Wandler 50
2.5.3 Komparatoren 51
2.5.4 Addierschaltungen 53
2.5.5 Barrelshifter 55
2.5.6 Tristate-Treiber 59
2.6 Logik-Elemente in programmierbaren Bauelementen 61
2.7 Zusammengesetzte kombinatorische Schaltungen 63
2.8 VHDL-Testbench 66
2.9 Einführung in das VHDL-Entwurfssystem XILINX ISE 69
3 VHDL-Beschreibung sequenzieller Schaltungen 79
3.1 Speicherelemente-Typen 79
3.1.1 Latch-Speicherelemente 79
3.1.2 Taktflankengesteuerte D-Flipflops 81
3.1.3 Funktions-Flipflops 85
3.2 Speicherelemente in programmierbaren Logikbausteinen 88
3.3 Synchrone sequenzielle Schaltungen 89
3.4 Funktionaler Entwurf sequenzieller Schaltungen 94
3.5 Automatenbeschreibung sequenzieller Schaltungen 99
3.5.1 Automatentypen 99
3.5.2 Automaten-Entwurf 102
3.5.3 VHDL-Beschreibung von Zustandsautomaten 103
3.6 Asynchrone sequenzielle Schaltungen 105
3.7 Synthese sequenzieller Schaltungen mit dem Entwurfssystem ISE 107
4 Zähler-Entwurf 111
4.1 Schaltungssynthese für Dualzähler 111
4.2 Zusammengesetzte Zähler 121
4.3 Dezimalzähler 122
4.4 Entwurf schneller Zähler 126
4.5 Grundschaltungen mit Zählerelementen 130
4.6 Frequenz-Vervielfachung mit PLL-Schaltungen 134
4.7 Takt-Management mit DLL-Schaltungen 137
4.8 Schaltungsentwurf mit Schaltbild im System ISE 139
5 Schieberegister 143
5.1 VHDL-Modelle für Schieberegister 143
5.2 Ringzähler 146
5.3 Automaten-Entwurf mit Schieberegistern 147
5.4 LFSR-Zähler 151
5.5 Scrambler 154
5.6 CRC-Berechnung 158
5.7 Implementierung von CPLD-Bausteinen im System ISE 161
6 Schaltungen mit Speicherblöcken 165
6.1 VHDL-Modelle für Speicherblöcke 165
6.2 Verteilte Speicherblöcke in FPGAs 168
6.3 Blockspeicherelemente in FPGAs 172
6.4 ROM-Speicher 176
6.5 Registerschaltungen 179
6.6 Schieberegister mit Speicherblöcken 187
6.7 FIFO-Speicher 191
6.8 CAM-Speicher 197
6.9 Implementierung von FPGA-Bausteinen im System ISE 202
7 Arithmetik-Schaltungen 205
7.1 Schnelle Addierschaltungen 205
7.2 Multiplikations-Algorithmen 207
7.3 Sequenzielle Multiplikations-Schaltungen 210
7.4 Divisions-Algorithmen 217
7.5 Sequenzielle Divisions-Schaltungen 219
7.6 Konstanten-Multiplizierer 223
7.7 Gleitpunktarithmetik-Baugruppen 226
7.7.1 Gleitpunktdatenformate 226
7.7.2 Gleitpunkt-Multiplikation 227
7.7.3 Gleitpunkt-Division 231
7.7.4 Gleitpunkt-Addition 233
7.8 Konvertierung der Datenformate 238
7.8.1 Konvertierung zwischen Integer- und Gleitpunkt-Darstellungen 238
7.8.2 Konvertierung zwischen Gleitpunkt- und Integer-Darstellungen 241
7.9 Core-Generator im System ISE 242
8 Peripherieschaltungen für Mikroprozessoren 247
8.1 Prozessorschnittstellen 247
8.2 BUS-Systeme 252
8.3 Register-Interface 258
8.4 FIFO-Interface 263
8.5 Timer 265
8.6 Echtzeituhr 271
8.6.1 Dezimalzählermodule 271
8.6.2 Strukturbeschreibung 274
8.7 100-Jahres-Kalender 277
8.8 Konfigurationsverfahren für FPGAs 281
Literaturverzeichnis 283
Sachwortverzeichnis 286

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.