1. Digitaltechnik

1.1. Einteilungen in der Digitaltechnik

1.2. Begriffe Analog und Digital

1.3. Zahlendarstellung und Pegelzuordnung

*1.4. Schaltalgebra

*1.5. Verknüpfungsbausteine der Kombinatorischen Logik

*1.6. Darstellung/ Übertragung von binären Signalen

2. Digitale Schaltungen

2.1. Aufgaben digitaler Schaltungen

2.2. Vor- und Nachteile digitaler Schaltungen

2.3 Verdrahtungs- oder Speicherprogrammierte Logik

2.4. Arbeitsprinzipien von digitalen Schaltungen, Kombinations- und Folgeschaltungen

2.5. Störungen bei digitalen Schaltungen

2.6. Digitaler Schaltungsentwurf-Kombinatorik

2.7. Formen der mathematischen Darstellung von Schaltfunktionen

2.8. sequentielle Logik:

*2.9. Zahlensystem

3. Mikrocontroller

3.1. Hardware

3.2. Software

3.3. Funktionsmodule des PIC-Microcontrollers

3.4. RISC und CISC-Computer

3.5. Interne Architekturen von Mikrocontrollern

3.6. I/O-Ports

3.7. GPIO, I/O-Ports des MicrocontrolIers (general purpose input/output)

3.8. Bitweises oder Byteweiser Portzugriff (Maskierung):

3.9. Interrupts oder Polling:

3.10. TIMERO als Zeitgeber

1.1. Einteilungen in der Digitaltechnik

*Digitale Logik: (sơ đồ nhánh)

-Festverdrahtete Verknüpfungen in positive und negative Logik (mit Kapielen)

+Zustandsschaltglieder

+Kippglieder (Flip-Flop)

-Programmierbare Verknüpfungen in positive und negative Logik

+einmalig programmierbare Logik

+programmierbare Digitalrechner

1.2. Begriffe Analog und Digital

-Eine analoge Größe kann jeden beliebigen Wert innerhalb des Wertebereiches annehmen.

-Eine digitale Größe kann nur die Werte "wahr" oder „unwahr" annehmen.

-Dabei wird per Definition dem Wert „wahr" bzw. „unwahr" jeweils ein bestimmter, diskreter Wert zugewiesen.

1.3. Zahlendarstellung und Pegelzuordnung

In digitalen Schaltungen treten nur die Werte „wahr" oder „unwahr" auf

=>binäres System ist Grundlage der digitalen Schaltungen

-Zustand wahr: logisch 1 oder H (high)

-Zustand unwahr: logisch 0 oder L (low)

-positive Logik: logisch 1 : z.B. 10V, logisch 0 = 0 V

-negative Logik: logisch 1 = 0V, logisch 0 = Z.B. 10 V

2.1. Aufgaben digitaler Schaltungen

-Aufgaben in Informationsverarbeitung, -gewinnung, -übertragung und -speicherung

-Aufbau industrieller Steuerungen, digitaler Messwerterfassungssysteme oder Digitalrechnern

2.2. Vor- und Nachteile digitaler Schaltungen

-Vorteile:

+stetige Weiterentwicklung der Technologie und rasant zunehmende Integration;

+weitgehende Unempfindlichkeit digitaler Schaltungen gegenüber Bauelementetoleranzen und Störsignalen;

+hohe Zuverlässigkeit;

+beliebige Genauigkeit und Auflösung Informationsverarbeitung erreichbar;

+störunempfindliche Signalübertragung über größere Entfernungen, Einsparung von Kabel- und Verkabelungskosten durch Verwendung prozessnaher digitaler Bussysteme in der Automatisierungstechnik (Zeitmultiplex);

+gute Weiterverarbeitbarkeit der digitalen Signale;

+Speicherbarkeit ohne Genauigkeitseinbuße über beliebig lange Zeit;

+gute Realisierbarkeit digitaler Schaltkreise in LSI- und VLSI-Technik; +sehr gute Eignung für Steueraufgaben, Digitalrechner und automatisierte Systeme.

-Nachteile:

+höherer Schaltungs- und Geräteaufwand;

+diskontinuierliche Signalverarbeitung;

+die meisten Signale aus Prozessen sind analog, d. h. AD- und DA-Umsetzung erforderlich (Aufwand, Genauigkeit, Geschwindigkeit); +wesentlich größerer Bandbreitebedarf bei der Signalübertragung, d.h. wesentlich niedrigere Grenzfrequenzen der Eingangssignale verarbeitbar.

2.3 Verdrahtungs- oder Speicherprogrammierte Logik

-grundsätzliche Realisierungsmöglichkeiten für digitale Systeme:

+verdrahtungsprogrammierte Realisierung

+speicherprogrammierte Realisierung

Verdrahtungsprogrammierte Logik

-Funktion eines digitalen Systems durch feste Verdrahtung einzelner Schaltkreise gegeben

-jedes Gerät wird für bestimmte Aufgaben entwickelt und produziert.

Speicherprogrammierte Logik

-Systeme enthalten meist einen Prozessor. In einem Programmspeicher enthaltenes Programm wird zeitlich nacheinander abgearbeitet. Durch Auswechseln oder Umprogrammieren des Programmspeichers ohne Hardware- oder Verdrahtungsänderung können völlig andere Aufgaben der Signalverarbeitung gelöst werden.

2.4. Arbeitsprinzipien von digitalen Schaltungen, Kombinations- und Folgeschaltungen

(Trình bày bảng 3 dòng 4 cột)

Signaldarstellung/Informationsdarstellung/Verknüpfungsprinzip/Zeitsteuerung des Systems

Statisch/parallel/kombinatorisch/synchron

Dynamisch/seriell/sequentiell/asynchron

(Asynchrone Datenübertragung. Die asynchrone Datenübertragung ist ein Übertragungsverfahren der Nachrichtentechnik, bei dem Zeichen asynchron, das heißt zu beliebigen Zeiten, übertragen werden. Die Übertragung ist also, im Gegensatz zur synchronen Datenübertragung, nicht an einem Taktsignal ausgerichtet.)

Man unterscheidet Kombinations- und Folgeschaltungen hinsichtlich der logischen Verknüpfungen der elementaren Gatterschaltungen.

Digitale Systeme enthalten in der Regel beide Schaltungsgruppen.

Zeitliche Steuerung eines Systems kann synchron (getaktet) und asynchron (ungetaktet) erfolgen.

Digitale Systeme werden mit 3 Gruppen von Schaltungen und deren Kombination realisiert:

-mit Kombinationsschaltungen (kombinatorisch, Speicherfrei)

=>statischer Zustand der logischen Ausgangsvariablen hängt nur vom statischen Zustand der logischen Eingangsvariablen ab.

-mit Folgeschaltungen (sequentiell, Speicherung, Zeitverzögerung, Impulserzeugung)

=>statischer Zustand der logischen Ausgangsvariablen hängt zusätzlich vom inneren Zustand der Schaltung ab.

-mit Sonderschaltungen

2.5. Störungen bei digitalen Schaltungen

bei asynchronen Schaltungen durch unterschiedliche Laufzeiten von

Schaltgliedern

-> Hazards (kurze, falsche Signalzustände)

-in Entwurfsphase kaum oder nicht vorhersehbar.

2.6. Digitaler Schaltungsentwurf-Kombinatorik

-Schaltnett (kombinatorische Logik):

+Anordnung von Digitalschaltungen ohne variablen Speicher.

+Ausgangsvariable y hängt nur von Eingangsvariable × ab

Realisierung durch Gatter (Tor mit bestimmter Durchlässigkeit)

-Schaltwerk (sequentielle Logik):

+besitzen Zustandsspeicher

+Ausgangsvariable y hängt von Eingangsvariable × und dem Speicherzustand ab

+Rückkopplung der Ergebnisse auf Eingang Realisierung durch Flip-Flops (auch mit Mikroprozessor)

2.7. Formen der mathematischen Darstellung von Schaltfunktionen

-disjunktive Normalform (DNF)

=> Verknüpfung von UND-Termen durch ODER

-konjunktive Normalform

=>Verknüpfung von ODER-Termen durch UND

-Schaltbelegungstabelle mit Gattern aufbauen! (NAND-Gatter)

->Karnaugh-Veitch-Pläne zur Vereinfachung

2.8. sequentielle Logik:

grundelemente der Zustandsspeicherung: bistabile Kippschaltungen (Flip-Flops)

=>sind Grundbausteine von Speichern, Zählern, Schieberegistern,...

=> Flip-Flops lassen sich aus 2 NAND oder NOR Gattern oder aus Transistoren aufbauen.

+RS-FlipFlop

+JK-FlipFlop

+D-FlipFlop

Flip-Flop-Schaltungen wie im Praktikum aufbauen.

3. Mikrocontroller

3.1. Hardware

Unterschied Microcontroller - Microprozessor:

Damit Microprozessor verwendet werden kann, bedarf es zusätzlicher Komponenten (z.B. Speicher)

Er kann nicht allein mit Umgebung kommunizieren.

Mikrocontroller hat erweiterten Umfang. Microprozessor ist somit das Herz des Mikrocontrollers.

Verbindung zum Computer über RS232- Schnittstelle.

3.2. Software

-Editor: Texteditor zum Schreiben des Quellprogramms

-Assemblieren: wandelt den ASCII-Code (Buchstaben und Zeichen im Texteditor) in die Maschienensprache des Zielsystems um.

-Kompilieren: übernimmt bei höheren Programmiersprachen das Assemblieren.

-Linker: verknüpft verschiedene Programmteile, die im Editor getrennt aufgeschrieben sind

aber inhaltlich zusammengehören, nahtlos miteinander.

-Debugger: Prüfprogramm, welches logische Fehler in syntaktisch korrekten Programmen sucht.

-Emulator: Funktionseinheit des Entwicklersystems, mit der das Zusammenspiel aus der

entwickelten Software mit der Hardware getestet werden kann.

3.3. Funktionsmodule des PIC-Microcontrollers

-CPU-central processing unit:

+Kern des Mikrocontrollers

+steuert Arbeitsablauf und übernimmt Rechenvorgänge

+besteht aus dem Steuerưerk (CU-controll unit) und dem Rechenwerk (ALU- arithmetric logic unit)

+ist durch Verdrahtung (BUS) mit Ein- und Ausgabeeinheit und dem Speicher verbunden

=>Adressbus, Datenbus, Steuerbus

-Speicher:

+ROM (Read only memory) -nur lesen von Speicher mit fest gespeichertem Inhalt.

+RAM (Random Access

memory): Schreib-lese-speicher zur kurzzeitigen Zwischenspeicherung von Daten

+EEPROM: Speicherinhalt geht auch bei Stromausfall nicht verloren.

3.4. RISC und CISC-Computer

RISC (reduced instruction set computer): relativ wenige Transistoren, hohe Rechenleistung

CISC (complexinstruction set computer): immer mehr Transistoren werden auf einem Chip integriert.

3.5. Interne Architekturen von Mikrocontrollern

verschiedene Arten des Datenaustauschs zwischen CPU und Speicher

-Von-Neumann-Architektur: Ein Speicherblock und ein 8-Bit Datenbus

Kommunikation sehr langsam und ineffizient entweder lesen oder schreiben, nicht beides gleichzeitig

-Harvard-Architektur: 2 verschiedene Datenbusse, gleichzeitiglesen und schreiben

3.6. I/O-Ports

I/O-Port ist Schnittstelle zwischen dem Mikroprozessor und der außen angeschlossenen zu steuernden Peripherie („Tor"/"Durchlass")

-Memory Mapped I/0 (MMIO):

+Verfahren zur Kommunikation einer Zentraleinheit mit Peripheriegeräten =>I/0-Register, mit denen angeschlossene Hardware gesteuert wird, werden in den Hauptspeicher- Adressraum der Zentraleinheit abgebildet.

+sind Bauelemente in den Microcontroller integriert, ist MMIO der Regelfall

-Port Mapped I/0 (PMIO): benutzt spezielle Befehle für die Ein-/Ausgabe mittels I/0-Ports am Prozessor=>die Register der Bauelemente werden über eigene Portadressen in einem separaten Adressraum angesprochen.

3.7. GPIO, I/O-Ports des MicrocontrolIers (general purpose input/output)

-input/output - Ports sind Schnittstelle zwischen Mikroprozessor und Peripherie

-Ports sind über Pins nach Außen geführt=>Funktion von Pins kann über das Setzen von Bits in Registern gewählt werden.

-jeder Port umfasst 8 Bits, die als Ein- und Ausgänge fungieren.

3.8. Bitweises oder Byteweiser Portzugriff (Maskierung):

-der PlC hat die Möglichkeit, direkt auf einzelne Bits eines Ports zugreifen zu können.

Wenn diese Möglichkeit nicht besteht, müssen Grundlagen der Schaltalgebra angewendet werden,

um das interessante Bit in einem Byte zu manipulieren, ohne die restlichen Bits zu verändern =>Maskierung

I/0-Ports Prellen: Taster schalten beim Drücken mehrmals schnell aus und ein=> wird durch mechanische Vibration des Schaltkontaktes verursacht.

3.9. Interrupts oder Polling:

-beim Polling fragt man Signale regelmäßig innerhalb der while-Schleife ab und wertet diese aus =>Nachteil: auf Signale wird nicht sofort reagiert, sondern mit Verzögerung.

-bei Interrupts wird sofort reagiert =>tritt Interrupt-Signal auf, wird aktueller Befehl des

Hauptprogramms beendet und es wird auf das Signal reagiert.

3.10. TIMERO als Zeitgeber

Anwendungsmöglichkeiten:

-zum Erzeugen von Impulsen beliebiger Dauer

-Zeitmessung

-zählen externer Impulse.