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

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.

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.

(előadás, gyakorlat,):

Heti 4 óra előadás és 2 óra tantermi gyakorlat.

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.

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

Igény szerint előzetes egyeztetés alapján

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

(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)):