Fachhochschule Regensburg Fachbereich Elektrotechnik

1. Übung aus Digitaltechnik 2

1. Aufgabe

Die folgende CMOS-Anordnung weist einen Fehler auf:

a) Worin besteht der Fehler ?b) Bei welcher Eingangskombination von A,B,C tritt der Fehler auf ?c) Was passiert bei den anderen Kombinationen ?d) Welches Gatter ergibt sich, wenn der Fehler behoben wird ?

Lösungen DT2 1 Kohlert

p

p

p

A

B

C

VDD

nn

Y

VSS

2. Aufgabe

Gegeben sei die folgende Anordnung aus Invertern und Transmission-Gates:

a) Welche logische Funktion wird durch die Anordnung realisiert ?b) Wie müßte eine Realisierung ohne Transmission-Gates (mit

üblichen Gattern) aussehen ?c) Wieviele Transistoren würde diese Realisierung benötigen ?

Lösungen DT2 2 Kohlert

1 1

A B

Y

3. Aufgabe

Realisieren Sie die dargestellte logische Funktion als Complex-Gate, also ohne hintereinandergeschalteteGatter:

Lösungen DT2 3 Kohlert

Lösungen DT2 4 Kohlert

Lösungen DT2 5 Kohlert

Lösungen DT2 6 Kohlert

Lösungen DT2 7 Kohlert

Lösungen DT2 8 Kohlert

Lösungen DT2 9 Kohlert

Lösungen DT2 10 Kohlert

Lösungen DT2 11 Kohlert

2. Aufgabe

Welche logische Funktion wird durch die nebenstehendeECL-Schaltung realisiert ?

Y ,A2�B0C�

Lösungen DT2 12 Kohlert

Vref2

Vcc = 0V

A

B

Iq

C

Vref1

Vee = -5.2V

3. Aufgabe

Welche Funktion wird durch die folgende ECL- Schaltung realisiert?

C,1 C,0 :

Stromfluss nur über T1,T2 oder T3möglich, T4, T5 ohne Einfluss =>

Q,A0B Q,A0B

C,0 C,1:

Rückgekoppelter Inverter(Latch):Alter Zustand wird gespeichert=> Ersatzschaltung:

C=1: Latch ist transparentC=0: Latch speichert

4. Aufgabe

Die nebenstehende D-Latch-Schaltung soll mit Hilfe von I2L-Gatternrealisiert werden.

a) Zeichnen Sie die Schaltung um, indem Sie die I2 L-typischen NAND-Gatter mit mehreren Ausgängen verwenden !

b) Zeichnen Sie die Schaltung auf Transistor-Ebene !

Lösungen DT2 13 Kohlert

CK

D

Q

Q

G1

G2G3

G4G5

G6

G7

A

VEE

C

C Iq

BT1

Vcc

VrefT2 T3 T4

Q

T5Q

1

CK 1

D 1

&&

&&

Q

Q

DLatch

CK Q

Q1

A

BC

Ucc

Gnd

CK

D

Q Q

G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7

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6. Übung aus Digitaltechnik 2 /Lösung Blatt 1

1. Aufgabe

Die obige Schaltung zeigt einen seriellen 4Bit-Addierer.Die Register X und Y stellen parallel ladbare Schieberegister dar. Für LD/SH = 1 wird der parallelanstehende Wert in das Register übernommen, für LD/SH =0 wird der Inhalt jeweils um eine Stelle nachrechts verscho-ben. Beide Aktionen finden nur statt, wenn gleichzeitig das Steuersignal ansteht und eineansteigende CK-Flanke auftritt.

a) Zeichnen Sie den inneren Aufbau dieser Register (Gatterebene) !

Das Summenregister ist ein reines Schieberegister. Wie bei jedem Schieberegister können dieeingeschobenen Daten parallel entnommen werden.

Die beiden Summanden X und Y werden zunächst parallel in das X- bzw. Y-Register eingeschrieben (Steu-ersignal LDX,LDY). Durch entsprechendes Weiterschieben der Summanden können die Bits derSummanden im Volladdierer der Reihe nach aufaddiert werden, wobei der Übertrag in einem D-Flipflopzwischengespeichert wird. Mit Hilfe des Steuersignals RES_C wird das Übertragsflipflop zurückgesetzt.

Lösungen DT2 14 Kohlert

Volladdierer

Res_C

CK

CK Q

QY3 QY0

Q Q

QY2 QY1

Q

Q

LD_SH_Y Par_In

Y3

LD/SH

QX3

LD_SH_X

X3

CK

Par_InLD/SH

Q Q Q

QX0

Par_InPar_In Par_In

Y2 Y1

QX2 QX1

Cin

Y-Register

Y0

A

B VA

Par_In

X2 X1

Par_In Par_In

X0

X-Register

CK QRes

Co

D QDFF

S

S3

C4

Q

Ser_In

CK Q

S2 S1

Q Q

Summenregister

S0

D

CK

Q

QDFF1

0Mux

Sel

D3LD/SH

"0"

CK

D

CK

Q

QDFF 1

0Mux

Sel

Q3

D2

1

0Mux

Sel

Q1

D0

1

0Mux

Sel

Q2

D1

D

CK

Q

QDFF

D

CK

Q

QDFF

Q0

6. Übung aus Digitaltechnik 2 /Lösung Blatt 2

b) Zeichnen Sie ein komplettes Timing der Anordnung. Der Zeitpunkt des Anlegens der Daten X und Y ist frei wählbar. Die Steuersignale und die Daten sollen so angelegt werden, daß eine 4-Bit-Addition durchgeführt wird. Alle Steuersignale sollen ebenfalls taktsynchron sein, d.h. sie können sich nur als Reaktion auf eine ansteigende Taktflanke ändern (vollsynchrones Design).

c) Wie viele Taktperioden werden für eine 4-Bit-Addition benötigt ?

Siehe Timing: 5 Taktperioden: 1* Laden, 4* Addieren

d) Werden wirklich für jedes Register getrennte Steuersignale benötigt, oder können Steuersignale zusammengelegt werden ?

LD_SH_X, LD_SH_Y, Res_C haben den gleichen Zeitverlauf, daher reicht ein Steuersignal zur Einleitung einer neuen Addition.

e) Was müßte verändert werden, um den Addierer zum 8-Bit-Addierer zu erweitern ?

Die Register müssten jeweils 8 Bit lang werden; das Ergebnis würde dann 8 Schiebetakte nach dem Laden der Summanden im Summenregister stehen.

Lösungen DT2 15 Kohlert

LD_SH_YDY3 .. 0

XXX

XXX

XXX

XXX

XXX

XXX

Res_C

N=C4

S2

S1

S0

CI

S3

Y3..Y0

QY3

QY2

QY1

QY0

S

CO

XXX

XXX

XXX

XXX

C1

S0

DY3

DY2

DY1

DY0

XXX

DY2

DY1

S0 S1

C1 C2

DY3

0

XXX

DX3 .. 0

XXX

XXX

XXX

LD_SH_X

X3..X0

QX3

QX2

QX1

QX0

CK

XX

DX2

DX1

DX0

DX3

DX3

DX2

DX1

0

C4

S3

S0

S2

S1

C2

S1

S0

S0

C3

S2

S1

DY3

DY2

C3

S2

0

0

DY3

S3

C4

0

DX3

DX2

0

DX3

0

0

Lösungen DT2 16 Kohlert

Lösungen DT2 17 Kohlert

Lösungen DT2 18 Kohlert

Lösungen DT2 19 Kohlert

Lösungen DT2 20 Kohlert

Lösungen DT2 21 Kohlert

Lösungen DT2 22 Kohlert

Lösungen DT2 23 Kohlert

Lösungen DT2 24 Kohlert

Lösungen DT2 25 Kohlert

Lösungen DT2 26 Kohlert

Lösungen DT2 27 Kohlert

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9. Übung aus Digitaltechnik 2 / Lösung

1. Aufgabe

Der Befehl „AND“ des in der Vorlesung behandelten Mikroprozessors soll in allen möglichenAdressierungsarten realisiert werden.

a) Schreiben die zu jedem Befehl gehörigen Mikroprogramme in Registertransfersprache !

AND,short,direct,adr

Bedeutung:Bilde die UND-Verknüpfung des Akku-Inhaltes mit demjenigen Datenwort, das unter der Adresse adr imSpeicher steht. „adr“ ist eine Adresse zwischen 0 und 1023.

Der Befehl benötigt nur 1 16-Bit-Wort.

RTL-Programm:

AC ← PC ;Befehl holenIR ← [ AR] PC ← PC+1 ;-----------------------------------------------------------------------------------------DECODE ;Dekodieren-----------------------------------------------------------------------------------------ARH ← 0 ARL ← IR(9..0) ;Daten aus effektiver AdresseDR ← M[AR] ;holen-----------------------------------------------------------------------------------------AC ← DR & AC ;UND-Verknüpfung ausführen

AND,long ,direct,adr

Bedeutung:Bilde die UND-Verknüpfung des Akku-Inhaltes mit demjenigen Datenwort, das unter der Adresse adr imSpeicher steht. „adr“ ist eine beliebige 26-bit-Adresse.

Der Befehl benötigt 2 16-Bit-Worte.

RTL-Programm:

AC ← PC ;Befehl holenIR ← [ AR] PC ← PC+1 ;-----------------------------------------------------------------------------------------DECODE ;Dekodieren-----------------------------------------------------------------------------------------AR ← PC ;2. Teil der AdresseDR ← M[AR] PC ← PC+1 ;holen-----------------------------------------------------------------------------------------ARH ← DR ;ARL ← IR(9..0) ;Daten aus effektiver AdresseDR ← M[AR] ;holen-----------------------------------------------------------------------------------------AC ← DR & AC ;UND-Verknüpfung ausführen-------------------------------------------------------------------------

Lösungen DT2 28 Kohlert

AND,long,indirect,adr

Bedeutung:Bilde die UND-Verknüpfung des Akku-Inhaltes mit demjenigen Datenwort, dessen Adresse unter derAdresse adr bzw adr+1 im Speicher steht. „adr“ ist eine beliebige 26-bit-Adresse.

Der Befehl benötigt 2 16-Bit-Worte.

RTL-Programm:

AC ← PC ;Befehl holenIR ← [ AR] PC ← PC+1 ;-----------------------------------------------------------------------------------------DECODE ;Dekodieren-----------------------------------------------------------------------------------------AR ← PC ;2. Teil der Adresse adrDR ← M[AR] PC ← PC+1 ;holen-----------------------------------------------------------------------------------------ARH ← DR ;Effektive AdresseARL ← IR(9..0) ; (Adresse des Operanden) DR ← M[AR] ;holen (untere 16 Bit, nur 10 davon relevant)-----------------------------------------------------------------------------------------AR ← AR+1 ;obere 16 Bit der effektiven AdresseTR ← M[AR] ;holen-----------------------------------------------------------------------------------------ARH ← TR ;Daten ausARL ← DR(9..0) ;effektiver AdresseDR ← M[AR] ;holen-----------------------------------------------------------------------------------------AC ← DR & AC ;UND-Verknüpfung ausführen-------------------------------------------------------------------------

AND,short,indirect,adr

Bedeutung:Bilde die UND-Verknüpfung des Akku-Inhaltes mit demjenigen Datenwort, dessen Adresse unter derAdresse adr bzw adr+1 im Speicher steht. „adr“ ist eine Adresse zwischen 0 und 1023.

Der Befehl benötigt 1 16-Bit-Wort.

RTL-Programm:

AC ← PC ;Befehl holenIR ← [ AR] PC ← PC+1 ;-----------------------------------------------------------------------------------------DECODE ;Dekodieren-----------------------------------------------------------------------------------------ARH ← 0 ARL ← IR(9..0) ;untere 16 Bit der effektiven AdresseDR ← M[AR] PC ← PC+1 ;holenDR ← M[AR] ;-----------------------------------------------------------------------------------------AR ← AR+1 ;obere 16 Bit der effektiven AdresseTR ← M[AR] ;holen-----------------------------------------------------------------------------------------ARH ← TR ;Daten ausARL ← DR(9..0) ;effektiver Adresse

Lösungen DT2 29 Kohlert

DR ← M[AR] ;holen-----------------------------------------------------------------------------------------AC ← DR & AC ;UND-Verknüpfung ausführen-------------------------------------------------------------------------b) Listen Sie die zu jedem Mikrobefehl gehörenden Steuersignalkombinationen auf !Mikrobefehl Steuersignale

AC ← PC LDARPCIR ← [ AR] PC ← PC+1 CS;DBIN;LDIR;PCINCRDECODE KeinesDR ← M[AR] PC ← PC+1 CS;DBIN;LDDR;PCINCRARH ← DR DROUT;LDARHARL ← IR(9..0) IROUT;LDARLDR ← M[AR] CS;DBIN;LDDRAR ← AR+1 ARINCTR ← M[AR] CS;DBIN;LDTRARH ← TR LDARH;TROUTARL ← DR(9..0) LDARL;DROUTAC ← DR & AC LDAC;ANDARH ← 0 ARL ← IR(9..0) IROUT;CLRAH;LDARL

2. Aufgabe

Der Befehl „INC“ des in der Vorlesung behandelten Mikroprozessors soll realisiert werden.

a) Schreiben das zu dem Befehl gehörige Mikroprogramm in Registertransfersprache !

AC ← PC ;Befehl holenIR ← [ AR] PC ← PC+1 ;-----------------------------------------------------------------------------------------DECODE ;Dekodieren-----------------------------------------------------------------------------------------AC ← AC+1 ;Akku um 1 erhöhen-----------------------------------------------------------------------------------------

b) Listen Sie die zu jedem Mikrobefehl gehörenden Steuersignalkombinationen auf !

Nur 1 neuer Mikrobefehl:

AC ← AC+1 Steuersigale: INC,LDAC

3. Aufgabe

Zeichnen Sie ein Zustandsdiagramm für eine Ablaufsteuerung des Prozessors, in der nur die obenbehandelten Befehle realisiert werden !

Mikrobefehl Steuersignale Zustand

AC ← PC LDARPC Z1IR ← [ AR] PC ← PC+1 CS;DBIN;LDIR;PCINCR Z2DECODE Keines Z3DR ← M[AR] PC ← PC+1 CS;DBIN;LDDR;PCINCR Z4ARH ← DR DROUT;LDARH Z5ARL ← IR(9..0) IROUT;LDARL Z6DR ← M[AR] CS;DBIN;LDDR Z7AR ← AR+1 ARINC Z8TR ← M[AR] CS;DBIN;LDTR Z9ARH ← TR LDARH;TROUT Z10

Lösungen DT2 30 Kohlert

ARL ← DR(9..0) LDARL;DROUT Z11AC ← DR & AC LDAC;AND Z12ARH ← 0 ARL ← IR(9..0) IROUT;CLRAH;LDARL Z13AC ← AC+1 INC,LDAC Z14

Lösungen DT2 31 Kohlert

Lösungen DT2 32 Kohlert

Lösungen DT2 33 Kohlert