Digitális technika alapjai

A tantárgy angol neve: Basics of Digital Design

Adatlap utolsó módosítása: 2012. július 2.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar
Energetikai Mérnöki Szak

Szabadon választható tantárgy

 

 

 

 

 

Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIIIA011   4/0/0/f 4  
3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Arató Péter, Irányítástechnika és Informatika Tanszék
4. A tantárgy előadója
Dr. Arató Péter

 

és a villamosmérnöki szak Digitális technika 1-2 tárgyak oktatói közül az aktuális terheléselosztástól függően. 

 

egyetemi tanár (em. prof.)

 

 

 

Irányítástechnika és Informatika

 

 

 

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít -
6. Előtanulmányi rend
Kötelező:
NEM ( Training.Code=("5N-A7") VAGY Training.Code=("5N-M7")
VAGY Training.Code=("5N-A8") VAGY Training.Code=("5N-M8"))

A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

Ajánlott:

 Tematikaütközés miatt a tárgyat nem vehetik fel a Villamosmérnöki alap- és mesterképzés, valamint a Mérnökinformatikus alap- és mesterképzés hallgatói.

 

 
7. A tantárgy célkitűzése A tárgy rendeltetése, hogy megadja mindazokat a hardware rendszertechnikai alapismereteket, amelyek a digitális berendezések logikai tervezési szintjén szükségesek.

 

A tantárgy tematikája:

 

1.     Kombinációs hálózatok

 

·         Igazságtábla-felvétel, Karnaugh-tábla felvétel szöveges feladat alapján

 

·         Boole algebrai alakok (kanonikus algebrai alak, számjegyes alakok)

 

·         Legegyszerűbb diszjunktív alakok, prímimplikánsok

 

·         Legegyszerűbb konjunktív normálalakok, prímimplikánsok

 

·         Hazárdok, hazárdmentes alakok előállítása

 

·         Hazárd keresése logikai rajzzal adott hálózatokban

 

·         Logikai függvény megvalósítása adott építőelemmel

 

 

2.     Sorrendi tervezés

 

·         Elemi sorrendi hálózatok (flip-flopok)

 

·         Aszinkron állapottábla felvétel (szöveges feladatból/idődiagramból)

 

·         Szinkron állapottábla felvétel (szöveges feladatból/idődiagramból)

 

·         Állapot összevonás

 

·         Állapot kódolás

 

·         Szinkron hálózat analízise rajz alapján

 

·         Sorrendi hálózatok analízise, hazárdok (kritikus versenyhelyzet, lényeges hazárd, órajel-elcsúszás)

 

 

3.     MSI-alkalmazástechnika

 

·         Aritmetikai egység (összeadás, kivonás), elemi műveletvégző tervezése

 

·         Számlálók (adott számsor előállítása, adott kapcsolás vizsgálata)

 

·         Léptető regiszterek

 

·         Nagy integráltságú kombinációs hálózatok (PAL, PLA, FPGA)

 

·         Főbb memóriatípusok

 

8. A tantárgy részletes tematikája  A logikai feladat és a logikai tervezés fogalma. Az analóg és digitális jelfeldolgozás lényege és összehasonlításuk. A logikai rendszer, mint a digitális eszközök elvi absztrakciója. A Boole-algebra alkalmazása a működés leírására. Számábrázolási módok és az aritmetikai műveletekre gyakorolt hatásuk.

 

 A kombinációs és a sorrendi logikai rendszerek ill. hálózatok lényege, a működés modellje és az alapvető leképezések tulajdonságai. A kombinációs rendszerek leírása igazságtáblával, logikai függvény fogalmának bevezetése, diszjunktív és konjunktív normálalakok felírása az igazságtábla alapján.

 

Elemi kombinációs hálózatok, kapuk, építőelemek működésének leírása logikai függvényekkel. Az elvi logikai rajz és a kapcsolási terv bemutatása. A legegyszerűbb kétszintű felépítés és a logikai függvények minimalizálásának kapcsolata. A diszjunktív és konjunktív, valamint az algebrai minimálalakok fogalma.

 

 Logikai függvények grafikus minimalizálása Karnaugh-tábla segítségével. A prímimplikáns fogalma. A diszjunktív és a konjunktív minimálalakok felírása a Karnaugh-táblából közvetlenül. Megkülönböztetett mintermek és lényeges prímimplikánsok bemutatása.

 

Az optimális lefedés szükségességének bemutatása. Az optimális lefedés algoritmusa logikai segédfüggvény felírása révén (Petrick-módszer). A közömbös (don’t care) értékek kezelése. Többkimenetű kombinációs hálózatok minimalizálásának alapgondolata.

 

 

A szimmetrikus logikai függvények tulajdonságainak bemutatása. A minimalizálás nehézségeinek és néhány gyakorlati megoldásnak a szemléltetése. Kanonikus szimmetrikus függvények.

 

 

A kombinációs rendszerek tranziens viselkedése. A jelkésleltetések okai és összetevői. Statikus, dinamikus és funkcionális hazárdjelenségek és kiküszöbölési módjaik. A legegyszerűbb kétszintű hazárdmentes felépítés tervezése.

 

 

A sorrendi rendszerek csoportosítása működési elv (aszinkron, szinkron) és modell (Mealy és Moore) szerint. A sorrendi leképezések leírása állapot tábla és állapotgráf segítségével. A működés kiolvasása az állapot táblából adott bemeneti kombináció sorozat esetén. Az elemi sorrendi hálózatok (flip-flopok) jellemzése alapot táblával és állapot gráffal. A karakterisztikus egyenletek képzése SR, JK, T, DG és D flip-flop esetén. Adott flip-flop felépítése más típusú flip-flop felhasználásával. A vezérlési tábla kitöltésének módszere. A szinkronizációs feltételek biztosításához szükséges követelmények.

 

 

A szinkron sorrendi hálózatok tervezési lépéseinek bemutatása a soros összeadó példáján (állapotok definíciója előzetes, összevont és kódolt állapot tábla, vezérlési tábla). A vezérlő kombinációs hálózat egyenleteinek felírása. Moore-modell tervezése. Szinkron sorrendi hálózatok állapotkódolási módszerei (szomszédos kódolás, önfüggő szekunderváltozó-csoportok keresése).

 

 

Az aszinkron sorrendi hálózatok tervezési lépéseinek bemutatása a D flip-flopot megvalósító aszinkron hálózat példáján (stabil és instabil állapotok felvétele, az előzetes állapot tábla felvételekor betartandó szabályok, összevont állapottábla).

 

 

Az állapotkódok által létrehozható hazárdjelenség (kritikus versenyhelyzet) és kiküszöbölésének lehetősége szomszédos kódolással. A lényeges hazárd fogalma, vizsgálata és kiküszöbölése. Unger-tétel. Az órajel-elcsúszás (rendszer hazárd) jelenségének bemutatása szinkron hálózatokban egyszerű elvezérelt D flip-flipok alkalmazása esetén. A master-slave működésű flip-flop bemutatása. Az órajel-elcsúszás hatásának kiküszöbölése céljából szükséges data-lock-out működésű flip-flop bemutatása és felépítése két egyszerű élvezérelt flip-flop felhasználásával.

 

  Aszinkron sorrendi hálózatok állapotkódolási módszereinek bemutatása és gyakorlása (instabil állapotok módosítása, átvezető állapotok beiktatása).

 

Szinkron flip-flopok osztályozása az órajelhez viszonyított működés alapján (élre billenő, master-slave, data-lock-out flipflopok). JK master-slave flip-flop megvalósítása aszinkron SR flip-flopokból. A master-slave működés feltételeinek indoklása.

 

Léptetőregiszterek és latch áramkörök.

 

Funkcionális áramkörök tervezése MSI áramkörök felhasználásával. Számlálók megvalósítása sorrendi hálózattal, illetve a szinkron és aszinkron működési elvű számlálók.

 

 

BCD számláló, mint a számlálási ciklus rövidítése. Kimeneti tranziensek bináris számlálók kimenetén. Hazárdmentes számlálók.

 

 

Bináris aritmetikai alapműveletek. Egyes és kettes komplemens számábrázolás. Teljes összeadókból felépülő összeadó/kivonó. Az átvitelképzés gyorsítása: carry-look-ahead típusú összegző

 

 

ALU megvalósítása összegző felhasználásával. BCD számok összeadása.

 

 

Komparátorok. A paritás fogalma, egyszerű és összetett paritás generálása. Multiplexerek, demultiplexerek, kódoló és átkódoló áramkörök.

 

 

PAL, PLA, FPGA elemek funkcionális felépítése.

 

 

Főbb memóriatípusok (RAM, ROM, EPROM)

 

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Heti 4 óra előadás
10. Követelmények

Az előadások legalább 70 %-ának látogatása.

a. A szorgalmi időszakban:

 

Rendszeres készülés az órákra. A hallgatók 7 kisszárthelyit írnak, amelyekből legalább 4-nek az átlaga képezi a félévközi jegyet.

 

            A kreditpont megszerzésének feltétele legalább elégséges félévközi osztályzat elérése.

 

b. A vizsgaidőszakban: -

 

c. Elővizsga: -

 

11. Pótlási lehetőségek

nincs.

 

12. Konzultációs lehetőségek Igény szerint előzetes egyeztetés alapján.

 

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom  Kötelező:

 

               Dr. Arató Péter: Logikai rendszerek tervezése - Egyetemi tankönyv,  Tankönyvkiadó, 1984.
               

 

dr. Gál Tibor: Digitális rendszerek I-II. Egyetemi jegyzet (J5-1429)
               

 

Dr. Selényi Endre - Benesóczky Zoltán: Digitális technika - Példatár, BME, Budapest, 1991

 

                A tárgy honlapján közzétett segédanyagok, feladatok

 

 Ajánlott:

 

                 M. Morris Mano, Charles R. Kime: Logic and Computer Design Fundamentals, Prentice Hall, 2001,         ISBN 0-13-031486-2

 

                 John F. Wakerly: Digital Design, Prentice Hall, 2001, ISBN 0-13-089896-1

 

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
Kontakt óra56
Félévközi készülés órákra64
Felkészülés zárthelyire-
Házi feladat elkészítése-
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása-
Vizsgafelkészülés-
Összesen120
15. A tantárgy tematikáját kidolgozta
Név:

 

 

 

Beosztás:

 

 

 

Tanszék, Int.:

 

 

 

Dr. Arató Péter

 

 

 

Egyetemi tanár (em. prof.)

 

 

 

Irányítástechnika és Informatika

 

 

 

Dr. Horváth Tamás

 

 

 

Tudományos munkatárs

 

 

 

Irányítástechnika és Informatika

 

 

 

Dr. Móczár Géza

 

 

 

Egyetemi docens

 

 

 

Irányítástechnika és Informatika