Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

    Belépés
    címtáras azonosítással

    vissza a tantárgylistához   nyomtatható verzió    

    Digitális technika 1.

    A tantárgy angol neve: Digital Design 1.

    Adatlap utolsó módosítása: 2011. szeptember 19.

    Tantárgy lejárati dátuma: 2011. július 2.

    Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
    Villamosmérnöki és Informatikai Kar

    Villamosmérnöki Szak

    Szakmai törzsanyag tárgy

    A tárgy 2010/11 tanév tavaszi félében volt utoljára érvényben.

    2011/12 tanév őszi félévétől a VIIIA105 kódú, megváltozott tematikájú tárgy érvényes.

    BSc. képzés

     

    Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
    VIIIA104 1. 4/2/0/v 7 1/1
    3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Arató Péter,
    4. A tantárgy előadója

    Név:

    Beosztás:

    Tanszék, Int.:

    Dr. Arató Péter

    egyetemi tanár

    Irányítástechnika és Informatika

    Dr. Horváth István

    egyetemi adjunktus

    Irányítástechnika és Informatika

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít

    -------------

    6. Előtanulmányi rend
    Ajánlott:

    Tematikaütközés miatt a tárgyat csak azok vehetik fel, akik korábban nem hallgatták a következő tárgyakat:

    Neptun-kód Cím

    ------------------------------

    7. A tantárgy célkitűzése

    A tárgy rendeltetése, hogy megadja mindazokat a hardware rendszertechnikai alapismereteket, amelyek a digitális berendezések logikai tervezési szintjén szükségesek. A tervezői szemlélet kialakítása érdekében a hallgatók a gyakorlati foglalkozásokon logikai tervezési részfeladatok önálló megoldásával mélyítik el az elméleti tananyagot. Ennek keretében

    • megismerik a digitális integrált áramköri építőelemek főbb típusait felhasználói szinten,
    • elsajátítják és begyakorolják a kombinációs és sorrendi hálózatok tervezési lépéseit,
    • gyakorlatot szereznek a hazárdjelenségek felismerésében és kiküszöbölésében,
    • módszereket ismernek meg és gyakorlatot szereznek a mikroprocesszoros rendszerek analízisében és szintézisében,
    • egy mikroprocesszoros eszközbázis és egy assembly nyelv alapszintű megismerése révén olyan alapokat kapnak, amelyek birtokában további mikroprocesszor rendszerek megismerése és alkalmazása könnyen elsajátítható.

    A megszerzett ismeretekkel és készségekkel a hallgatóknak képesek lesznek a villamosmérnöki gyakorlatban felmerülő bármely logikai tervezési feladat megoldására, ennek során

    • a rendszertechnikai terv kidolgozására,
    • a megfelelő építőelem-készlet kiválasztására,
    • a logikai tervezési feladat megfogalmazására,
    • a logikai tervezési lépések számítógépes végrehajtására
    • adott számítógépes tervező rendszer (CAD) használatára.
    8. A tantárgy részletes tematikája

    1. hét

    Előadás

    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.

    Gyakorlat

    A számrendszerek, a számábrázolási módok, a Boole-algebra és a kombinatorika alapfogalmainak összefoglalása. Azonos átalakítások gyakorlása.

    Mintermek és maxtermek felírása az igazságtábla alapján, a normálalakok felírásának gyakorlása szöveges feladatból kiindulva

    2. hét

    Előadás

    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.

    Gyakorlat

    A leggyakoribb kapuk és építőelemek bemutatása, működésük leírása logikai függvényekkel.

    A grafikus minimalizálás gyakorlása példákon.

    3. hét

    Előadás

    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 kódoláselmélet alapfogalmai, hibajavító és hibadetektáló kódok

    Gyakorlat

    A lefedési eljárás gyakorlása példákon

    4. hét

    Előadás

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

    Többszintű kombinációs hálózatok tervezésének alapjai. (Egyszerű diszjunkt dekompozíció, szintenkénti változókiemelés, adott építőelem kiemelése). Nehézségek a megoldások gazdaságosságának megítélésében. A számjegyes minimalizálás (Quine-McCluskey eljárás) bemutatása.

    Gyakorlat

    A hazárdvizsgálat és a hazárdmentes kombinációs hálózatok tervezésének gyakorlása példákon Az adott építőelem kiemelésével történő tervezés gyakorlása.

    5. hét

    Előadás

    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.

    Gyakorlat

    A szimmetrikus logikai függvények tulajdonságainak bemutatása. A minimalizálás nehézségeinek és néhány gyakorlati megoldásnak a szemléltetése. Kanonikus szimmetrikus függvények. Shannon-szabályok. Módszer bemutatása a szimmetria vizsgálatra.

    6. hét

    Előadás

    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 állapot tábla).

    Gyakorlat

    Szinkron sorrendi hálózatok tervezésének gyakorlása szöveges feladatokból kiindulva.

    7. hét

    Előadás

    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.

    Gyakorlat

    Aszinkron sorrendi hálózatok tervezési lépéseinek gyakorlása szöveges feladatokból kiindulva.

    8. hét

    Előadás

    Állapotösszevonási eljárás teljesen határozott állapot tábla esetén. Az állapotekvivalencia tulajdonságai, az ekvivalencia tábla (lépcsős tábla) kitöltése és kifejtési algoritmusa. A maximális ekvivalencia osztályok alapján a minimális számú állapottal rendelkező összevont állapot tábla képzése. Állapotösszevonási eljárás nem teljesen határozott állapot tábla esetén. Az állapotkompatibilitás tulajdonságai. A maximális kompatibilitási osztályok alapján az optimális zárt lefedés keresése. A minimális számú állapottal rendelkező összevont állapot tábla szisztematikus meghatározhatóságának elvi akadályai. A sorrendi hallózatok analízisének lépései, a szinkron flip-flopként való értelmezhetőség vizsgálata.

    Gyakorlat

    Aszinkron sorrendi hálózatok állapotkódolási módszereinek bemutatása és gyakorlása (instabil állapotok módosítása, átvezető állapotok beiktatása, a Tracey-Unger módszer alapgondolata). Az állapotösszevonás gyakorlása.

    9. hét

    Előadás

    Flip-flopok gyakorlati megvalósítása. Flip-flopok metastabil állapota. 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.

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

    Gyakorlat

    Flip-flopok alkalmazása, aszinkron flip-flopok órajel szerinti működésének kihasználásával. Kapcsoló pergésmentesítés, impulzus/frekvenciaosztás, soros/párhuzamos átalakító.

    10. hét

    Előadás

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

    Léptetőregiszterek és latch áramkörök.

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

    Gyakorlat

    Számlálási feladatok ellátására alkalmas integrált áramkörök alkalmazása.

    11. hét

    Előadás

    ALU megvalósítása összegző felhasználásával. BCD számok összeadása. Lebegőpontos számábrázolás és a lebegőpontos aritmetikai egység.

    Komparátorok. A paritás fogalma, egyszerű és összetett paritás generálása. CRC generálása.

    Gyakorlat

    Aritmetikai műveletvégző egységek tervezése.

    12. hét

    Előadás

    Multiplexerek, demultiplexerek, kódoló és átkódoló áramkörök.

    Memória-áramkörök: írható és olvasható memóriák. Statikus RAM felépítése.

    Gyakorlat

    Komplex tervezési feladatok megoldása aritmetikai, komparátor, multiplexer stb. integrált áramkörök felhasználásával.

    13. hét

    Előadás

    Statikus és dinamikus RAM memóriák. ROM jellegű memóriák.

    ROM jellegű memória felhasználása kombinációs és sorrendi feladatok megvalósítására. Mikroprogramozott vezérlőegység.

    Gyakorlat

    Komplex tervezési feladatok megoldása aritmetikai, komparátor, multiplexer stb. integrált áramkörök felhasználásával.

    14. hét

    Előadás

    Alkalmazás-specifikus (ASIC) áramkörök, fontosabb csoportok. Memória, PLA és FPGA építőelemek felépítése és alkalmazásuk módszerei kombinációs és sorrendi feladatok megoldására. FPGA áramkörök. RAM bázisú FPGA áramkör felépítése, erőforrásai, konfigurálása.

    A hardware leíró nyelvek főbb típusai (VHDL, Verilog), tulajdonságaik, összehasonlításuk.

    Gyakorlat

    Memóriablokk tervezése statikus RAM memória áramkörök felhasználásával.

    9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium)

    (előadás, gyakorlat,):

    Heti 4 óra előadás és 2 óra tantermi gyakorlat.

    10. Követelmények

    Az előadások és a gyakorlatok látogatása kötelező. Az előadásokon a jelenlétet a félév folyamán több, előre nem jelzett alkalommal ellenőrizzük, aláírást nem kaphat az, aki ezek alapján az alkalmak több, mint 30%-áról (pl. 14 előadás esetén 5 vagy több, 21 előadás esetén 7 vagy több, 28 előadás esetén 9 vagy több alkalommal) hiányzott. A gyakorlatokon a jelenlétet minden alkalommal ellenőrizzük, 30%-ot meghaladó hiányzás esetén a tantárgyból sem aláírás sem kreditpont nem szerezhető. 

    a. A szorgalmi időszakban: két házi feladatot ad ki a tanszék. A félévvégi aláírás feltétele a házi feladatok beadása határidőre és "megfelelt" minősítése, valamint részvétel legalább a gyakorlatok 70 %-án.

    b. A vizsgaidőszakban:

    A vizsga írásbeli.

    A kreditpont megszerzésének feltétele legalább elégséges vizsgaosztályzat elérése.

    c. Elővizsga: nincs

    Minden egyéb kérdésében a TVSZ rendelkezései irányadók.

    11. Pótlási lehetőségek

    Házi feladatok pót-beadása a pótlási hét vége előtt két nappal, a feladatlapon megjelölt helyen és időpontban, a pótbeadáshoz kapcsolódó díj megfizetésével.

    12. Konzultációs lehetőségek

    Igény szerint előzetes egyeztetés alapján

    13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

    IRODALOM:

    Kötelező:

    Dr. Arató Péter: Logikai rendszerek tervezése - Egyetemi tankönyv, Tankönyvkiadó, 1984.
    dr. Gál Tibor: Digitális rendszerek I-II. Egyetemi jegyzet (J5-1429)
    Grantner - Horváth - László: Mikroprocesszor alkalmazási segédlet (J5-1428)
    Dr. Selényi Endre - Benesóczky Zoltán: Digitális technika - Példatár, BME, Budapest, 1991

    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

    (a tantárgyhoz tartozó tanulmányi idő körülbelüli felosztása a tanórák, továbbá a házi feladatok és a zárthelyik között (a felkészülésre, ill. a kidolgozásra átlagosan fordítandó/elvárható idők félévi munkaórában, kredit x 30 óra, pl. 5 kredit esetén 150 óra)):

    Kontakt óra

    84

    Félévközi készülés órákra

    42

    Tervezési feladat

    28

    Laboratóriumi feladatok megoldása

    -

    Kijelölt írásos tananyag elsajátítása

    -

    Vizsgafelkészülés

    56

    Összesen

    210

    15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

    Név:

    Beosztás:

    Tanszék, Int.:

    Dr. Arató Péter

    Egyetemi tanár

    Irányítástechnika és Informatika

    Dr. Kalmár Péter

    Egyetemi docens

    Irányítástechnika és Informatika

    Dr. Horváth István

    Egyetemi adjunktus

    Irányítástechnika és Informatika