Πίνακας Περιεχομένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ I ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΡΙΘΜΩΝ

Transcript

1 Πίνακας Περιεχομένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ I ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΡΙΘΜΩΝ 1.1 Παράσταση ενός φυσικού αριθμού Δεκαδικό σύστημα Δυαδικό σύστημα Οκταδικό σύστηνα Δεκαεξαδικό σύστημα Μετατροπές από ένα σύστημα σε άλλο Μετατροπές από το δεκαδικό σε άλλο σύστημα Δυαδικός σε οκταδικό και το αντίστροφο Δυαδικός σε δεκαεξαδικό και το αντίστροφο Προσημασμένοι αριθμοί Το συμπλήρωμα "ως προς ένα" ενός δυαδικού αριθμού Το συμπλήρωμα "ως προς δύο" ενός δυαδικού αριθμού Πρόσθεση δυαδικών αριθμών Αφαίρεση δυαδικών αριθμών Χρησιμοποιώντας το συμπλήρωμα "ως προς 1" Χρησιμοποιώντας το συμπλήρωμα "ως προς 2" Πολλαπλασιασμός δυαδικών αριθμών Διαίρεση δυαδικών αριθμών Μη-προσημασμένη και προσημασμένη αριθμητική 1.15 Αριθμοί κινητής υποδιαστολής Έλεγχος σφάλματος ψηφίου ισοτιμίας Δυαδικοί κώδικες Κώδικας BCD Πρόσθεση αριθμών BCD Άλλες μορφές δεκαδικών κωδίκων Κώδικας Gray Κώδικας Hamming Κώδικας ASCII 25 Ερωτήσεις - ασκήσεις - προβλήματα Δ. Πογαρίδη

2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ II ΛΟΓΙΚΕΣ ΠΥΛΕΣ-ΑΛΓΕΒΡΑ BOOLE 2.1Λογικές πύλες OR, AND, EXOR, NOT Λογικές πύλες NOR, NAND, EXNOR Θετική και αρνητική λογική Ιδιότητες και νόμοι της άλγεβρας Boole Σχέσεις που ισχύουν στην άλγεβρα Boole Πίνακες αληθείας Κανονική μορφή λογικής συνάρτησης Μετασχηματισμός λογικής συνάρτησης σε κανονική μορφή Ελαχιστοποίηση λογικών συναρτήσεων με την μέθοδο των πινάκων Karnaugh Ελαχιστοποίηση λογικών συναρτήσεων με τη συμπληρωματική μέθοδο Αδιάφοροι όροι Ελαχιστοποίηση λογικών συναρτήσεων με τη μέθοδο Quine-McCluskey 55 Ερωτήσεις - ασκήσεις - προβλήματα 62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ III ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 3.1 Εισαγωγή 3.2 Το τρανζίστορ διπολικής επαφής σαν λογικός αναστροφέας Τo τρανζίστορ MOSFET Σύγκριση διπολικού τρανζίστορ και MOSFET Χαρακτηριστικές λογικών κυκλωμάτων Λογικές στάθμες Καθυστέρηση διάδοσης Το γινόμενο ταχύτητας και κατανάλωσης ενέργειας Ανοσία στο θόρυβο Περιθώριο θορύβου Ικανότητα οδήγησης Τεχνολογία λογικής τρανζίστορ-τρανζιστορ (TTL) TTL με έξοδο totem pole TTL με έξοδο ανοικτού συλλέκτη Υποκατηγορίες TTL TTL υψηλής και χαμηλής ισχύος Schottky TTL Οικογένεια Schottky TTL 74S00/54S Συνθήκες λειτουργίας και χαρακτηριστικά των TTL 79 ii Ψηφιακή Σχεδίαση

3 3.9 Σημεία που πρέπει να παίρνονται υπόψη στις εργασίες με πύλες TTL Τεχνολογία λογικής συζευγμένου εκπομπού (Emitter Coupled Logic) Τεχνολογία (I 2 L) Τεχνολογία MOS Οδηγίες χειρισμού των υλικών MOS Σημεία που πρέπει να παίρνονται υπόψη στις εργασίες με CMOS Διασύνδεση μεταξύ λογικών οικογενειών Διασύνδεση των TTL μεταξύ τους TTL σε CMOS και CMOS σε TTL TTL σε PMOS και PMOS σε TTL TTL σε NMOS και NMOS σε TTL TTL σε ECL και ECL σε TTL TTL σε I 2 L και I 2 L σε TTL Λογική τριών καταστάσεων Ανάπτυξη νέων τεχνολογιών Ψηφιακά σήματα Απαιτήσεις για τα σήματα εισόδου 3.18 Ολοκληρωμένα κυκλώματα Ερωτήσεις - ασκήσεις - προβλήματα 102 ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΑ ΛΟΓΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ 4.1 Ανάλυση και σύνθεση συνδυαστικών λογικών κυκλωμάτων Λογική AND-OR και AND-NOR Ισοδυναμίες πυλών Ελαχιστοποίηση λογικών κυκλωμάτων με την τεχνική απαγόρευσης βρόχων Σχεδίαση συνδυαστικών λογικών Κυκλωμάτων Κωδικοποιητές Αποκωδικοποιητές Ο αποκωδικοποιητής ως γεννήτρια συναρτήσεων Αποκωδικοποιητής BCD σε επτά τμήματα Πολυπλέκτες Ο πολυπλέκτης ως γεννήτρια συναρτήσεων Επέκταση πολυπλεκτών Αποπλέκτης Συγκριτές μεγέθους Γεννήτρια και ελεγκτής ισοτιμίας Αριθμητικά κυκλώματα Ημιαθροιστής-Πλήρης αθροιστής Ημιαφαιρέτης-Πλήρης αφαιρέτης 220 Δ. Πογαρίδη iii

4 4.9.3 Αφαίρεση με τη χρήση αθροιστών Αθροιστής αριθμών BCD με τη χρήση παράλληλων αθροιστών Μετατροπή αριθμών BCD σε δυαδικούς με τη χρήση παράλληλων αθροιστών Πολλαπλασιαστής Αριθμητική Λογική Μονάδα 251 Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα 258 ΚΕΦΑΛΑΙΟ V FLIP-FLOP ΚΑΙ ΣΥΝΑΦΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ 5.1 Εισαγωγή Καθυστέρηση διάδοσης Δισταθή κυκλώματα (Μανταλωτές, flip-flop) Set-Reset (S-R) flip-flop Χρονιζόμενα flip-flop S-R-CK flip-flop D flip-flop J-K flip-flop Master-Slave (αφέντης-σκλάβος) flip-flop T flip-flop Πυροδότηση των flip-flop Χρονισμός των flip-flop Προβλήματα με τα flip-flop Απλά λογικά ρολόγια ή γεννήτριες παλμών Πολυδονητές Μονοσταθείς πολυδονητές Ο χρονιστής Κρυσταλλικοί ταλαντωτές Πυροδοτητές Schmitt 321 Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα 323 ΚΕΦΑΛΑΙΟ VI ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ 6.1 Εισαγωγή Σύγχρονα ακολουθιακά Κυκλώματα Ανάλυση σύγχρονων ακολουθιακών κυκλωμάτων Σχεδίαση σύγχρονων ακολουθιακών κυκλωμάτων Εκχώρηση καταστάσεων Ελαχιστοποίηση καταστάσεων 377 iv Ψηφιακή Σχεδίαση

5 6.5 Ελλειπώς καθοριζόμενα ακολουθιακά κυκλώματα Αλγοριθμική μηχανή καταστάσεων Ασύγχρονα ακολουθιακά κυκλώματα Προβλήματα στα ασύγχρονα ακολουθιακά κυκλώματα Κυνηγητά (Races) Σπινθήρες (Hazards) Ανάλυση ασύγχρονων ακολουθιακών κυκλωμάτων Σχεδίαση ασύγχρονων ακολουθιακών κυκλωμάτων Ακολουθιακά κυκλώματα βασικής μορφής Ακολουθιακά κυκλώματα μορφής παλμού 434 Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα 440 ΚΕΦΑΛΑΙΟ VII ΜΕΤΡΗΤΕΣ-ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣ 7.1 Μετρητές Ασύγχρονοι μετρητές ή μετρητές κυμάτωσης (Ripple Counters) Προβλήματα των ασύγχρονων δυαδικών μετρητών Ασύγχρονοι δυαδικοί μετρητές διαφόρων χωρητικοτήτων Σύγχρονοι δυαδικοί μετρητές Αποκωδικοποίηση μετρητών Καταχωρητές Καταχωρητές ολίσθησης Καταχωρητές ολίσθησης διπλής κατεύθυνσης Καταχωρητές παράλληλης εισόδου Καταχωρητές ολίσθησης μετρητές Κυκλικοί μετρητές (Ring Counters) Μετρητής Johnson Γεννήτρια Ψευδοτυχαίων παλμών με τη χρήση καταχωρητή Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα 540 ΚΕΦΑΛΑΙΟ VIII ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΒΑΣΙΣΜΕΝΑ ΣΕ ΔΙΑΔΡΟΜΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ 8.1 Εισαγωγή Βασική δομή του υπολογιστή Μονάδα κεντρικής επεξεργασίας Μονάδα ελέγχου Αριθμητική μονάδα Γλώσσα μεταφοράς καταχωρητή 558 Δ. Πογαρίδη v

6 8.4 Ένας απλός μικροεπεξεργαστής Κυκλώματα Μνήμης Διαδικασία λειτουργίας της μνήμης Η μνήμη RAM Η αρχιτεκτονική δομή της μνήμης RAM Δυναμική μνήμη RAM Μνήμη ROM Λειτουργικά χαρακτηριστικά της μνήμης ROM Εφαρμογές της ROM Σπόνδυλοι μνήμης Επέκταση μήκους λέξης και χωρητικότητας Χαρτογράφηση μνήμης Αποκωδικοποίηση διευθύνσεων μνήμης 589 Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα 602 ΚΕΦΑΛΑΙΟ IX ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ 9.1 Εισαγωγή Ιεραρχική σχεδίαση 605 Εφαρμογή 1 η : Σύστημα ψηφοφορίας 606 Εφαρμογή 2 η : Έλεγχος πληρότητας χώρος παρκαρίσματος αυτοκινήτων 611 Εφαρμογή 3 η : Ψηφιακό ρολόι 614 Εφαρμογή 4 η : Αποκωδικοποιητής πληκτρολογίου 622 Εφαρμογή 5 η : Σύστημα αμφίπλευρης σειριακής επικοινωνίας Εφαρμογή 6 η : Σύστημα αμφίπλευρης σειριακής επικοινωνίας Εφαρμογή 7 η : Σύγχρονος αθροιστής 644 Εφαρμογή 8 η : Σύστημα λήψης 2 ψηφίων BCD από δεκαδικό πληκτρολόγιο και αποθήκευσης σε 2 καταχωρητές 647 Εφαρμογή 9 η : Γεννήτρια συχνοτήτων 649 Εφαρμογή 10η: Ηλεκτρονικό ζάρι 651 Εφαρμογή 11 η : Έλεγχος φωτεινών σηματοδοτών 656 Εφαρμογή 12 η : Φανάρια αυτοκινήτου 662 Εφαρμογή 13 η : Μηχάνημα αυτόματης πώλησης κουτιών χυμού (vending machine) 672 Εφαρμογή 14 η : Σύστημα αυτόματης εμφιάλωσης χαπιών 677 Εφαρμογή 15 η : Σχεδίαση μικροεπεξεργαστή 689 Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα 703 vi Ψηφιακή Σχεδίαση

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Χ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΕΣ ΛΟΓΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ 10.1 Εισαγωγή Τρόποι παράστασης των προγραμματιζόμενων λογικών συσκευών Μεθοδολογία σχεδίασης με τη χρήση προγραμματιζόμενων λογικών συσκευών Προγράμματα σχεδίασης Η μνήμη ROM ως προγραμματιζόμενη λογική συσκευή Υλοποίηση συναρτήσεων Boole με τη χρήση PROM Επέκταση της PROM Λογική προγραμματιζόμενων παρατάξεων (Programmable Array Logic ή PAL) Προγραμματιζόμενες στο χώρο εργασίας λογικές παρατάξεις (Field Programmable Logic Array ή FPLA) Πολύπλοκες προγραμματιζόμενες λογικές συσκευές (Complex Programmable Logic Devices ή CPLD) Προγραμματιζόμενες στο χώρο εργασίας παρατάξεις πυλών ( Field Programmable Gate Arrays ή FPGA) 742 Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα 745 ΚΕΦΑΛΑΙΟ XΙ ΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΤΟΝ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΚΟΣΜΟ 11.1 Εισαγωγή Ψηφιακή κωδικοποίηση αναλογικών σημάτων Ποσοτοποίηση σε πλάτος και χρόνο Ακρίβεια Ψηφιακός σε αναλογικό μετατροπέας (Digital to Analog Converter ή DAC) Εισαγωγή Τελεστικός ενισχυτής Κυκλώματα μετατροπής ψηφιακού σε αναλογικό Αναλογικός σε ψηφιακό μετατροπέας (Analog to Digital Converter ή ADC) Εισαγωγή Συγκριτές Παράλληλος μετατροπέας ή μετατροπέας flash Μετατροπέας Παραθύρου χρόνου Μετατροπέας απλής αναρρίχησης 769 Δ. Πογαρίδη vii

8 Μετατροπέας διπλής αναρρίχησης Μετατροπέας ισορροπίας φορτίου Μετατροπέας απλού μετρητή Μετατροπέας ανίχνευσης Μετατροπέας διαδοχικών προσεγγίσεων Κυκλώματα κρατήματος δείγματος (Sample and Hold) Μηχανικά ρελαί και ρελαί ημιαγωγού 781 Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα 782 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ Π1.1 Εισαγωγή 783 Π1.2 Προδιαγραφές κυκλώματος 783 Π1.3 Εισαγωγή σχεδίασης 785 Π1.3.1 Εισαγωγή Σχεδίασης διαμέσου Σχηματικού Διαγράμματος 786 Π1.3.2 Εισαγωγή Σχεδίασης σε Μορφή Κώδικα Γλώσσας VHDL 792 Π1.3.3 Εισαγωγή Σχεδίασης σε Μορφή Πίνακα Αληθείας 796 Π1.3.4 Εισαγωγή Σχεδίασης σε Μορφή Διαγραμμάτων Χρονισμού. 799 Π1.4 Λειτουργική Μεταγλώττιση 799 Π1.5 Λειτουργική Προσομοίωση 801 Π1.6 Αντιστοίχηση Ακίδων με τον Επεξεργαστή Κατόψεων 806 Π1.7 Ολική Μεταγλώττιση Σχεδίασης 812 Π1.8 Φόρτωση και Έλεγχος 813 ΓΛΩΣΣΑΡΙ Γ.1 Γενικό γλωσσάρι 815 Γ.2 Γλωσσάρι για τη γλώσσα VHDL 828 ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ Απαντήσεις κεφαλαίου Ι Απαντήσεις κεφαλαίου ΙΙ Απαντήσεις κεφαλαίου ΙΙΙ 831 Απαντήσεις κεφαλαίου ΙV 831 Απαντήσεις κεφαλαίου V 846 Απαντήσεις κεφαλαίου VΙ 851 Απαντήσεις κεφαλαίου VIΙ 870 viii Ψηφιακή Σχεδίαση

9 Απαντήσεις κεφαλαίου VIIΙ 877 Απαντήσεις κεφαλαίου ΙX 878 Απαντήσεις κεφαλαίου X 878 Απαντήσεις κεφαλαίου XI 879 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΑΛΦΑΒΗΤΙΚΟ ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ Δ. Πογαρίδη ix