Digitális technika 1.

A tantárgy angol neve: Digital Design 1.

Adatlap utolsó módosítása: 2014. február 5.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar
Villamosmérnöki Szak

A tárgy 2011/12. tanév őszi félévétől él, a VIIIA104 kódú tárgyat váltja. 

Szakmai törzsanyag tárgy

 

BSc. képzés

 

Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIIIA105 1 3/1/1/v 6  
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. Vajda Ferenc

egyetemi docens

Irányítástechnika és Informatika

 

Dr. Vajda Ferenc

 

docens

 

Irányítástechnika és Informatika

 

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

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

A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

Ajánlott:
-
7. A tantárgy célkitűzése A tárgy rendeltetése, hogy egyszerű példákon keresztül megadja mindazokat az alapfogalmi és rendszertechnikai alapismereteket, amelyek a digitális berendezések logikai tervezési szintjén szükségesek. A tervezői szemlélet kialakítása érdekében a hallgatók házi feladatok révén logikai tervezési részfeladatok önálló megoldásával mélyítik el a tananyagot. Ennek keretében

 

 

  • megismerik a digitális integrált áramköri építőelemek főbb típusait felhasználói szinten, 

     

  • elsajátítják a kombinációs és sorrendi hálózatok tervezési lépéseit,  

     

  • készséget szereznek a hazárdjelenségek felismerésében és kiküszöbölésében,

     

  • A megszerzett ismeretekkel és készségekkel a hallgatók képesek lesznek a villamosmérnöki gyakorlatban felmerülő bármely logikai tervezési alapfeladat megoldására feladat megfogalmazásából kiindulva.

     

 

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.

 

A Verilog hardver leíró nyelv alapfogalmainak és használatának összefoglalása.

 

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.

 

Többszintű kombinációs hálózatok esetén a tervezés nehézségeinek bemutatása. Adott funkciójú építőelem alkalmazástechnikája.

 

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 állapotkódolásának hatása a kombináció rész bonyolultságára, a szomszédos kódolási eljárás.

 

Az aszinkron sorrendi hálózatok tervezési lépéseinek és hazárdjelenségeinek (metastabil állapot, gerjedés, kritikus versenyhelyzet, lényeges hazárd) bemutatása a D flip-flopot megvalósító aszinkron hálózat példáján.

 

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.

 

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.

 

Multiplexerek, demultiplexerek, kódolók átkódolók, komparátorok, funkcionális leírása és alkalmazásuk kombinációs hálózatok megvalósítására.

 

Számlálók, léptető regiszterek főbb típusai és funkciói.

A laboratóriumi mérések tematikája:

 

 

1. mérés. - Kombinációs hálózatok vizsgálata.

 

Egy megvalósított kombinációs hálózat igazságtáblázatának meghatározása.

 

Kombinációs hálózat tervezése és megépítése szöveges specifikáció alapján.

 

Kombinációs hálózatok hazárdjelenségeinek demonstrálása.

 

  

 

2. mérés. - Sorrendi hálózatok vizsgálata 1.

 

Mealy és Moore modell szerint megvalósított sorrendi hálózat működésének vizsgálata.

 

Flip-flop megvalósítása másik flip-flop mint építőelem felhasználásával.

 

 

3. mérés. - Sorrendi hálózatok vizsgálata 2.

 

Kritikus versenyhelyzet és lényeges hazárd vizsgálata megvalósított aszinkron sorrendi hálózaton.

 

Órajel elcsúszás vizsgálata megvalósított szinkron sorrendi hálózaton.

 

Egyszerű szinkron sorrendi hálózat tervezése és megvalósítása

 

 

 

 

 
9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium)  Heti 3 óra előadás, kéthetenként 2 óra gyakorlat tanulókörönkénti szervezésben és 1 óra laboratórium (3x4 óra + pótmérés)

 

10. Követelmények Az előadások látogatása kötelező. Az előadásokon a jelenlétet azok kezdetén és végén is a félév folyamán minden alkalommal ellenőrizzük, aláírást nem kaphat az a hallgató, aki ezek alapján az alkalmak több, mint 30%-áról hiányzott (a viszonyítási alap a ténylegesen megtartott előadások száma).

 

a. A szorgalmi időszakban:

 

A szorgalmi időszakban hat házi feladatot ad ki a tanszék, amelyek mindegyikére legfeljebb 5 pont adható. A félévvégi aláírás feltétele legalább 18 pont elérése a házi feladatok alapján és a laborok sikeres teljesítése és az előadások és gyakorlatok legalább 70 %-án való részvétel.

 

A be nem adott házi feladat 0 pontot ér. A házi feladatokkal szerzett pontszámok összege a vizsgaeredményben plusz pontokkal lesz figyelembe véve.

 

A gyakorlatokon a házi feladatok kiadása, beadása, értékelése és konzultáció történik.

 

b. A vizsgaidőszakban:

 

A vizsga írásbeli. A vizsgán elérhető maximális pontszám 60, ebből 20 a belépő rész és 40 pont a nagyfeladatok megoldásával szerezhető meg. Az elégséges osztályzathoz a belépő kérdésekből legalább 12 pontot, a vizsgán összesen legalább 24 pontot kell elérni. A legalább elégséges eredményt elért hallgatóknál a vizsgán elért eredményhez hozzáadjuk a házi feladatokra kapott plusz pontokat. A vizsgajegy az így kapott összpontszám alapján a következő táblázat szerint kerül megállapításra:

 

 

Összpontszám                        Osztályzat

 

0-23                                                            1

 

24-32                                      2

 

33-41                                      3

 

42-50                                      4

 

51 felett                                  5

 

 

A házi feladatokra kapott pontszámok az alábbi módon befolyásolják az osztályzat alapját képező összpontszámot:

 

 

A házi feladatokra kapott pontszámok összege                                                     Az osztályzatot meghatározó összpontszámban figyelembe vett pluszpont

 

20                                                                                                                                         0

 

21-22                                                                                                                                    1

 

23-24                                                                                                                                    2

 

25-26                                                                                                                                    3

 

27-28                                                                                                                                    4

 

29-30                                                                                                                                    5

 



A kreditpont megszerzésének feltétele legalább elégséges vizsgaosztályzat elérése.

 

c. Elővizsga: nincs

 

Minden egyéb kérdésében a TVSZ rendelkezései irányadók.

 

11. Pótlási lehetőségek Házi feladat pót-beadására nincs lehetőség.

 

A laborok közül egy a pótlási héten pótolható.

12. Konzultációs lehetőségek A gyakorlatokon, vagy egyéni jelentkezés alapján az előadóknál, vagy a gyakorlatvezetőknél.

 

 

 


 

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom Kötelező:

 

 

 

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

 

 Horváth Tamás – Pilászy György: Digitális technikai alapmérések, BME Viking Zrt, 2011, VI205010

 

Ajánlott:

 

dr. Gál Tibor: Digitális rendszerek I-II. Egyetemi jegyzet (J5-1429)
 Dr. Selényi Endre - Benesóczky Zoltán: Digitális technika - Példatár, BME, Budapest, 1991

 

D. M. Harris, S.L. Harris

 

Digital Design and Computer Architecture

 

Morgan Kaufmann, 2013, ISBN 9978-0-12-394424-5

 

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 órákra28
Házi feladatok megoldása18
Laboratóriumi feladatok megoldása16
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása14
Vizsgafelkészülés48
Összesen180
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

 

Dr. Horváth Tamás

 

Tudományos munkatárs

 

Irányítástechnika és Informatika

 

Dr. Móczár Géza

 

Egyetemi adjunktus

 

Irányítástechnika és Informatika

 

Pilászy György

 

Tudományos segédmunkatárs

 

Irányítástechnika és Informatika

 

Egyéb megjegyzések Egyéb megjegyzések

 

 

Függelék

 


 

A 2013/14-es tanév őszi szemeszterének labor lebonyolítása

 

 

 

 

1. Labor időbeosztás

 

Hét

 

 

 

Labor

 

 

 

1.alkalom     2.alkalom

 

 

 

1

 

 

2

 

 

3

 

 

4

 

 

5

 

LF1 / Qpa

 

6

 

LF1 / LF1

 

7

 

LF1 / LF1

 

8

 

LF2 / LF1

 

9

 

LF2 / LF2

 

10

 

Szünet / LF2

 

11

 

LF2 / LF2

 

12

 

LF3 / LF3

 

13

 

LF3 / LF3

 

14

 

LF3 / LF3

 

P

 

Pótlabor

 

 

Sorsz.

 

 

 

Időtartam

 

 

 

Téma

 

 

 

LF1

 

4óra

 

Balesetvédelem. Kombinációs hálózatok vizsgálata

 

LF2

 

4óra

 

Sorrendi hálózat vizsgálata 1

 

LF3

 

4óra

 

Sorrendi hálózat vizsgálata 2

 

Alkalmanként legfeljebb 5 db 20 fős labor (10 mérőcsoport/labor), ebből 4 labor a központi alaplaborban, 1 labor a tanszéki laborban kerül lebonyolításra.