Inleiding Digitale Techniek

Transcriptie

1 Studiebelasting: 3 EC Semester: EP1.1, EQ1D.1 Verantwoordelijke docenten: J.E.J. op den Brouw (Brw) Opbouw module. OEdeel kwt sbu theo pract proj toetswijze bs -th Open vragen pr Opdrachten O/V Relevantie. Steeds meer systemen worden digitaal. Telefonie en televisie zijn voorbeelden van systemen die vroeger analoog werden uitgevoerd en die nu zijn gedigitaliseerd. Dit digitaliseren levert veel voordelen op ten opzichte van de analoge variant. Denk bijvoorbeeld aan interactiviteit en (beeld-)kwaliteit. In ons dagelijks leven gebruiken we veel apparaten met enige intelligentie zoals een thermostaat, pinpas, smartphone,... Al deze apparaten zijn in feite kleine computers. In het begin van de digitale revolutie lag bij het ontwerpen de nadruk op compacte schakelingen zodat componenten vrij weinig transistoren bevatten. Tegenwoordig kost een eenvoudige chip met miljoenen transistoren slechts een paar euro. De nadruk ligt veel meer op het optimaliseren van snelheid en energieverbruik. Toch is het belangrijk te weten hoe digitale schakelingen worden opgebouwd (gesynthetiseerd). Bij het ontwerpen van digitale systemen wordt steeds minder rekening gehouden met de kleine zaken, zoals waar en hoe een transistor op een chip komt te liggen en of de schakeling nóg kleiner kan. Bij het ontwerpen van een chip met miljoenen transistoren kijk je niet op eentje meer of minder. Daarnaast wordt de complexiteit van digitale systemen steeds groter. Het is daarom niet meer mogelijk om elke transistor zelf te plaatsen. Gelukkig zijn er hardware-beschrijvingstalen waarmee het gedrag van de schakeling beschreven wordt. Met één druk op de knop komt daar dan hardware uit. Elk digitaal systeem kan worden gebouwd met enkele basisschakelingen. Je moet deze basisschakelingen kennen om te begrijpen hoe een digitaal systeem functioneert. Een schakeling kan naast een grafische weergave (schema) ook wiskundig worden weergegeven. Dat laatste stelt je in staat op de schakeling te manipuleren. Deze module is een inleiding in de digitale techniek en legt de basis voor de modules DIGSE1 en DIGSE2, het project PRODIG en de minor Embedded Systems uit de leerlijn digitale technieken. versie 1.4 J.E.J. op den Brouw 1

2 Competenties en/of leerdoelen. De beginnende beroepsbeoefenaar demonstreert dat hij een complex digitale systeem kan analyseren en synthetiseren, en een gespecificeerde functie kan beschrijven en configureren. Dit is een competentie voor een beginnende beroepsbeoefenaar. Voor een student die net kennis maakt met digitale systemen wordt de competentie vereenvoudigd. Na deze onderwijseenheid kan de student: een eenvoudige combinatorische schakeling analyseren, een eenvoudige combinatorische schakeling ontwerpen en synthetiseren, een eenvoudige sequentiële schakeling analyseren, berekeningen maken in het 2 s complement-systeem, omzettingen maken tussen de binaire, decimale en hexadecimale talstelsels Zie voor de volledige lijst met leerdoelen blz. 5. Plaats in het curriculum. EP11 EP21 EP22 EQ11 DIGSE1 Digitale Systeem Engineering 1 T 2 P 2 EC 3 Inleiding digitale techniek T 3 P 2 EC 3 DIGSE2 Digitale Systeem Engineering 2 T 2 P 2 EC 3 PRODIG Project Digitale Systemen T 0 P 1 EC 3 Figuur 1: Plaats van in digitale techniek leerlijn Voorkennis: Voor het volgen van deze module is geen voorkennis vereist. Voorbereidend voor: Module DIGSE1 Digitale Systeem Engineering 1 In DIGSE1 is een basis gelegd van de timing van digitale systemen. Daarnaast wordt de beschrijvingstaal VHDL geintroduceerd waarmee digitale systemen kunnen worden gesimuleerd en gerealiseerd. versie 1.4 J.E.J. op den Brouw 2

3 Onderwerpen. Het onderstaande programma is een leidraad voor de theorielessen en practica. Door voorziene of onvoorziene omstandigheden kan van dit programma worden afgeweken. Bij elk college behoren slides, die zijn op BlackBoard 1 te vinden. Daarnaast is er ook leesmateriaal in vorm van een dictaat (zie studiemateriaal). Programma Theorie Week Omschrijving Dictaat 1 Inleiding, poorten, eenvoudige H1 schakelingen 2 Talstelsels, BCD, Gray, codes H2 3 Schakelalgebra, minimalisatie, H3, H4 combinatorische schakelingen 4 Elementair binair rekenen H5 5 2 s complement getallen H5 6 Geheugenelementen: latch, flipflop H6 7 Schuifregisters / Bespreken proeftoets Het practicum wordt gedaan met behulp van het software-pakket Quartus. Zie BlackBoard voor meer informatie. Programma Practicum Week Omschrijving 1 Tutorial 2 Poortschakelingen 3 Zeven segment decoder 4 Binair naar BCD-omzetter 5 4-bit Full Adder 6 4-bit Two s complement comparator 7 Uitloop 1 Of op de website versie 1.4 J.E.J. op den Brouw 3

4 Toetsing. Theorie Aan het einde van het blok wordt in week 8 een open vragen tentamen afgenomen. Tentamens kunnen in principe éénmaal per cursusjaar worden herkanst. Deze herkansing vindt plaats in week 10 van het blok waarin ook het gewone tentamen plaatsvindt. Het cijfer van het theoriedeel is gelijk aan het maximum van het behaalde tentamencijfer en het eventueel behaalde hertentamencijfer. Practicum Iedere practicumopdracht wordt beoordeeld tijdens de ingeroosterde practicum-uren met een O (onvoldoende) of een V voldoende. Een opdracht die met een O beoordeeld is, kan door de student worden verbeterd en opnieuw worden ingeleverd ter beoordeling. Als er minstens 1 opdracht is (of blijft) die beoordeeld is met een onvoldoende, dan wordt het gehele practicumonderwijsdeel beoordeeld met een onvoldoende. Het practicum wordt in principe éénmaal per cursusjaar herkanst. Deze herkansing vindt plaats in week 10 van het blok waarin ook het practicum plaatsvindt. Studiepunten De studiepunten voor deze module worden toegekend als het theoriedeel beoordeeld is met een cijfer hoger dan of gelijk aan 5.5 én als het practicumdeel beoordeeld is met een voldoende. Studiemateriaal. Readers (via BlackBoard): Kopieën slides Practicumhandleiding Installatiehandleiding Quartus (Windows en Linux) Tutorial Quartus Dictaat NOOT: het dictaat is nog in ontwikkeling en wordt in delen beschikbaar gesteld. Internet sites: Benodigde hardware/software. Quartus Web Edition 13.0sp1 (inclusief ModelSim), via Deze software is gratis te gebruiken. versie 1.4 J.E.J. op den Brouw 4

5 Wat moeten de studenten kunnen. Van de volgende onderwerpen wordt verwacht dat de student het begrip kent en kan toepassen in het ontwerpen, doorrekenen en uitwerken van digitale schakelingen. Begrip elementaire poorten: kennis en gebruik van NOT, AND, OR, EXOR, buffer, NAND, NOR, EXNOR Vereenvoudigen van deze poorten als een ingang is aangesloten op een 0, 1, een variabele of inverse. De Morgan, universele bouwsteen NAND en NOR. Begrip binair talstelsel; omrekenen decimaal naar binair en omgekeerd, inclusief binaire breuken. Begrip hexadecimaal talstelsel; omrekenen decimaal naar hexadecimaal en omgekeerd. De rekenregels voor constanten (de zogenaamde axioma s). De regels voor commutatieve, associatieve en distributieve wetten. De stellingen van De Morgan. Uitwerken van Karnaughdiagrammen voor 2, 3 en 4 variabelen. Opstellen van een waarheidstabel voor een eenvoudig, duidelijk beschreven probleem, het vinden van de eenvoudigste schakelfunctie en het tekenen van het bijbehorend schema met poorten. Begrip 2 s complement; omrekenen decimaal naar binair en omgekeerd. Optellen van twee 2 s complement getallen, overflowdetectie. Begrip BCD-optellen; BCD-opteller. Begrip geheugen; (direct werkend) SR-latch, alternatieve constructie (NAND-NAND, NOR-NOR), gated SR-latch, gated D-latch, timing gated D-latch, D-flipflop, JKflipflop, timing edge-triggered flipflop, flipflop met enable. Begrip triggering; edge- en pulse-triggering. Schuifregisters; verschillende modi zoals linksom schuiven, rechtsom schuiven, parallel load, hold. Vermenigvuldigen met machten van 2, delen door machten van 2. De student kan een eenvoudig, duidelijk beschreven probleem omzetten in een digitale schakeling volgens de ontwerpprocedure: 1. opstellen van een waarheidstabel die het probleem beschrijft. 2. het vinden van de eenvoudigste schakelfunctie m.b.v. Karnaugh-diagrammen. 3. het omzetten van de gevonden functie naar alternatieve beschrijvingen zoals NAND-NAND-vorm of NOR-NOR-vorm. 4. het tekenen van het bijbehorend schema met poorten. versie 1.4 J.E.J. op den Brouw 5