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Digitale Logikschaltungen

Von digitalen Signalen und AND-, OR-, XOR-Gattern zu kombinatorischen Schaltungen, Latches, Flipflops, Zählern und Zustandsautomaten. Verknüpfen Sie Wahrheitstabellen, Gleichungen, Schaltungen und Zeitdiagramme und prüfen Sie sie in RTL-Übungen. Optionale Vertiefungen behandeln Datenpfade und Schnittstellen.

Kombinatorische und sequenzielle LogikSystemVerilogZeitdiagrammanalyse
Mein Lernbereich

Das wirst du lernen

  • Logikwerte und Spannungen unterscheiden und Wahrheitstabellen, Symbole und Ersatzschaltungen von acht Gatterarten erklären.
  • Kombinatorische Schaltungen aus Spezifikationen mit SOP, POS und Karnaugh-Diagrammen entwerfen und vollständig prüfen.
  • Eingangsbedingungen und Grenzwerte von Encoder, Decoder, MUX, DEMUX, Addierer und Komparator festlegen.
  • Latches und Flipflops unterscheiden sowie Aktualisierungsregeln für reset, enable und Takt entwerfen.
  • Zähler, Schieber und Zustandsautomaten in RTL implementieren und Timing, asynchrone Eingänge und Entprellung analysieren.
  • Mit unabhängigen Referenzmodellen verifizieren und einen Detektor überlappender 101-Muster entwickeln.
  • Die Kenntnisse in optionalen Vertiefungen zu ALU, Speicher, FIFO, Pipeline und Schnittstellen ausbauen.

Bevor du beginnst

Diese Browserübungen verwenden Lehrmodelle und kompilieren oder starten kein HDL. Um den Quellcode separat auszuführen, folge der Digital Design Studio-Anleitung für dein Betriebssystem und melde dich an, wenn der Vorgang es erfordert.

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Lehrplan

  1. Digitale Signale und Zahlendarstellung
    • Digitale Signale: Wann eine Spannung 0 oder 1 bedeutetKonzept

      Logikwerte und Spannungen unterscheiden sowie Eingangsschwellen, Störabstände und Laufzeiten berechnen.

    • Zahlensysteme und Darstellung mit fester BreiteKonzept

      Über die Basisumrechnung hinaus Wertebereiche, erforderliche Bitzahlen und Abschneidefehler berechnen.

  2. Logikgatter und Wahrheitstabellen
    • Grundgatter: AND, OR, NOT und BUFFERKonzept

      Schaltsymbole mit Wahrheitstabellen verbinden und Bedingungen aus mehreren Gattern aufbauen.

    • NAND, NOR und Inversionssymbole lesenKonzept

      Den Geltungsbereich einer Negation erkennen und mit De Morgan gleichwertige Symbole und Ausdrücke verbinden.

    • XOR und XNOR: Gleichheit, Unterschiede und ParitätKonzept

      XOR mit zwei Eingängen von Mehrfacheingangsparität unterscheiden und Grenzen der Fehlererkennung erklären.

    • Universelle Gatter: Schaltungen nur mit NAND aufbauenKonzept

      Die funktionale Vollständigkeit von NAND und NOR konstruktiv zeigen und XOR-Zwischensignale prüfen.

  3. Von Logikgleichungen zum Schaltungsentwurf
    • Boolesche Algebra, Äquivalenzumformungen und ImplementierungskostenKonzept

      Schaltungen mit De Morgan und Faktorisierung umformen; logische Äquivalenz von Timing unterscheiden.

    • Von der Wahrheitstabelle zum Ausdruck: Minterme, Maxterme, SOP und POSKonzept

      Dieselbe Funktion aus Eins- und Nullzeilen ableiten und mit Karnaugh-Notation verbinden.

    • Karnaugh-Diagramme und Bedingungen für Don’t-caresKonzept

      Mit Gray-Code-Nachbarschaft Ausdrücke vereinfachen und Annahmen über unbenutzte Eingänge festhalten.

    • Entwurfsübung: Von der Spezifikation zur DreieingangsmehrheitÜbung

      Eine Textspezifikation in eine vollständige Wahrheitstabelle überführen und Minimierung, Implementierung und Vollprüfung verbinden.

  4. Adressierung und Auswahlschaltungen
    • Decoder, One-hot-Auswahl und gültige EingabenKonzept

      Binäradressen in Auswahlleitungen umwandeln und Freigabe, Bereich und Auswahlinvarianten definieren.

    • Encoder und Priorität: Eine von mehreren Anforderungen wählenKonzept

      Die Eingangsannahme eines One-hot-Encoders von valid und Auswahl eines Prioritätsencoders unterscheiden.

    • DEMUX und Decoder: Daten auf den gewählten Pfad leitenKonzept

      Richtung und Aufgaben von MUX, DEMUX und Decoder vergleichen und One-hot- sowie Höchstens-eins-Bedingungen prüfen.

    • Signale und Ports: Vertrag über Breite, Richtung und ZeitKonzept

      Schnittstellen lesen und Prüfkriterien für kombinatorische und Zustandsausgänge trennen.

    • Von der Wahrheitstabelle zu MUX und Shannon-ZerlegungKonzept

      Auswahllogik herleiten und beliebige Logikfunktionen durch MUX zerlegen.

  5. Arithmetik und Vergleiche
    • Addierer und ÜbertragsstrukturenKonzept

      Volladdierergleichungen herleiten und Funktion, Breite und Verzögerung von Ripple-Carry analysieren.

    • Zweierkomplement, Vorzeichenerweiterung und OverflowKonzept

      Signed-Interpretation und Additionsoverflow durch Gleichungen und Gegenbeispiele unterscheiden.

    • Komparatoren und GrenzwertspezifikationenKonzept

      Unsigned- und signed-Vergleiche derselben Bits unterscheiden und Grenzbedingungen prüfen.

  6. Latches, Flipflops und Zustandsspeicherung
    • Beginn der Speicherung: Rückkopplung und SR-/D-LatchesKonzept

      Die zwei stabilen Zustände gekoppelter Gatter verstehen sowie verbotene SR-Eingaben und transparente D-Latch-Phasen erklären.

    • D-Flipflops: Vom Pegel zur FlankeKonzept

      Aktualisierungszeitpunkte von Latch und Flipflop vergleichen und Register, Setup und Hold verbinden.

    • Flipflops, Enable und SteuerprioritätenKonzept

      Halten, Laden und Reset als Folgezustandsfunktion definieren und unbeabsichtigtes Clock-Gating vermeiden.

    • Synchrone Zustandsübergänge und die Rolle des TaktsKonzept

      Ein synchrones System als Registergruppe interpretieren, die denselben vorherigen Zustand liest.

  7. MUX in RTL implementieren und prüfen
    • Latenz kombinatorischer Auswahl und registrierter AusgängeKonzept

      Analysieren, wie das Speichern eines MUX-Ergebnisses Schnittstelle und Latenz verändert.

    • Kombinatorisches RTL und vollständige ZuweisungenKonzept

      Dieselbe Funktion mit bedingtem Operator und always_comb ausdrücken und Latch-verursachende Auslassungen finden.

    • Labor: MUX-Vollprüfung und Analyse registrierter AusgängeÜbung

      Gleiche Eingaben auf kombinatorischen und registrierten Pfad anwenden und anhand von Wahrheitstabelle und Abtastzeit prüfen.

    • Abtastzeitpunkte und Kausalität im ZeitdiagrammKonzept

      Zeitdiagramme unter Trennung von kombinatorischem Einschwingen, Taktabtastung und Ereignisfolge lesen.

    • MUX-Verifikation: Vollprüfung und EigenschaftenKonzept

      Kombinatorische Eingabeabdeckung und Speicherverhalten getrennt prüfen und Gegenbeispiele minimieren.

    • Entwurfsprüfung: Auswahläquivalenz und BeobachtungszeitWissensprüfung

      Prüfungen allein anhand der Wahrheitstabelle von solchen mit Taktbeobachtung unterscheiden.

  8. Zähler und synchrone Zustandsaktualisierung
    • Zustandsanzahl, Zählerbreite und unbenutzte CodesKonzept

      Speicherbreite aus dem Zählbereich ableiten und Wiederherstellung ungültiger Zustände festlegen.

    • Folgezustand eines Zählers und ResetprioritätKonzept

      Inkrementieren, Halten, Reset und Umlauf gemeinsam spezifizieren und je Flanke berechnen.

    • Nichtblockierende Zuweisung und gleichzeitige ZustandsaktualisierungKonzept

      Alten und neuen Zustand für korrektes Lesen von Pipeline- und Zähler-RTL trennen.

    • Labor: Reset, Umlauf und Invarianten eines Zählers prüfenÜbung

      Jede steigende Flanke mit einer Referenz vergleichen und Einflüsse von Initialwert, Reset und Breite trennen.

    • Modulo- und Sättigungszähler mit EndimpulsKonzept

      Verhalten am Maximum und exakten Zyklus des Terminal-count-Signals festlegen.

    • Zähler debuggen und Gegenbeispiele minimierenKonzept

      Kurze Tests entwerfen, die Reset-, Enable- und Umlauffehler unterscheiden.

    • Entwurfsprüfung: Breite, Priorität und UmlaufgrenzenWissensprüfung

      Grenzwerte und gleichzeitige Steuerungen anhand der Zustandsübergangsspezifikation beurteilen.

  9. Schieberegister und Datenfluss
    • Vektorindizes, Bitreihenfolge und VorzeichenKonzept

      Bitnummern, serielle Reihenfolge und arithmetische Interpretation beim Lesen des Datenpfads trennen.

    • Serielle Eingänge und RahmengrenzenKonzept

      Eingangsreihenfolge und gültige Flanken definieren und die seriell-parallele Bitanordnung berechnen.

    • Zustandsgleichungen des SchieberegistersKonzept

      Bitbewegung als Vektortransition ausdrücken und Speichertiefe mit Ausgangslatenz verbinden.

    • Breiten von Slices, Konkatenation und WiederholungKonzept

      Datenpfade durch Berechnung der Gesamtbreite und Werterhaltungsbedingungen aufbauen.

    • Labor: Serielle Datenbewegung und Bitreihenfolge prüfenÜbung

      Mit Bitfolgen und Ganzzahlreferenz Richtung, verworfene Bits und Latenz nach Reset prüfen.

    • Zykluslatenz und Durchsatz unterscheidenKonzept

      Beobachtungsbezug einer N-stufigen Leitung definieren und Latenz sowie Durchsatz berechnen.

    • Schiebeverifikation und Ausrichtung von Daten und validKonzept

      Durch symmetrische Muster verborgene Fehler und Versatz von valid um einen Zyklus finden.

    • Entwurfsprüfung: Latenz, Ausrichtung und EingabeerhaltWissensprüfung

      Neben Schieberichtung auch Zahl gültiger Bewegungen und Beobachtungsbezug prüfen.

  10. Timing, reale Eingänge und Zustandsautomaten
    • Setup, Hold und ZeitbudgetKonzept

      Maximale und minimale Pfade trennen und frequenzunabhängige Hold-Bedingungen berechnen.

    • Logische Hazards und Grenzen äquivalenter AusdrückeKonzept

      Untersuchen, wie stationär äquivalente Schaltungen durch Laufzeiten verschiedene Transienten erzeugen.

    • Taktdomänengrenzen und MetastabilitätKonzept

      Den Geltungsbereich zweistufiger Synchronisation verstehen und Einzelbits, kurze Pulse und Busse unterscheiden.

    • Reale Taster: Synchronisation, Entprellung und ein EreignisKonzept

      Asynchrone Synchronisation von Entprellung trennen und einen Entpreller aus aufeinanderfolgenden Samples entwerfen.

    • Zustandsautomaten: Zustand, Transition und Ausgabe trennenKonzept

      FSM aus Tabellen entwerfen und Moore/Mealy, illegale Zustände und Anforderungsregeln vergleichen.

    • Prüfplanung, Coverage und unabhängige ReferenzenKonzept

      Testbestehen von Spezifikationserfüllung trennen und Grenzen, Kreuzbedingungen und Gegenbeispiele planen.

    • Abschlussentwurf: Überlappende 101-Muster erkennenKonzept

      Zustandsminimierung, gültige Eingaben, registrierte Ausgänge und unabhängige Prüfung verbinden.

  11. Optionale Vertiefung · arithmetische Datenpfade
    • ALU und Zero-, Negative-, Carry- und Overflow-FlagsKonzept

      ADD/SUB mit gemeinsamem Addierer implementieren und aus getrenntem Carry/Overflow Vergleichsbedingungen ableiten.

    • Barrel-Shifter und stufenweise MUXKonzept

      Variable Weiten durch 1/2/4/8-MUX-Stufen, gemeinsame Richtungslogik, Vorzeichenfüllung und Überweiten behandeln.

    • Festkomma, Rundung und SättigungKonzept

      W, F-Bereiche festlegen und Guard/Sticky-Rundung zu geraden Werten mit anschließender Sättigung entwerfen.

    • Mehrzyklus-Unsigned-Multiplizierer mit Shift-and-addKonzept

      Teilprodukte über W Takte akkumulieren und Annahme, Abschluss, letzte Addition, Breite und Invariante prüfen.

  12. Optionale Vertiefung · Speicher und FIFO
    • Synchroner Speicher und Lese-/SchreibkollisionenKonzept

      Registrierte Antwortzeit, read-first/write-first/no-change sowie getrennte Verantwortung von valid und Initialisierung festlegen.

    • Registerdatei mit zwei Leseports, einem Schreibport und BypassKonzept

      Unabhängige Leseports und synchrones Schreiben implementieren sowie Bypass, Initialisierung und valid prüfen.

    • Zeiger und Grenzregeln einer FIFO mit einem TaktKonzept

      Zeiger und Belegung einer FIFO mit vier Plätzen sowie simultane Annahme bei empty/full definieren.

    • FIFO-/Speicherprüfplan und unabhängiges ScoreboardKonzept

      Zeigerunabhängige Queue-Referenz mit Grenzen, Reset, valid und uninitialisiertem Lesen verbinden.

  13. Optionale Vertiefung · Pipelines und Schnittstellen
    • Ready/valid und ein elastischer EinplatzpufferKonzept

      Verlust- und duplikatfreie Übergabe sowie gleichzeitige Ein-/Ausgabe bei Stopps entwerfen.

    • Multiply-add-Pipeline und DatenausrichtungKonzept

      Berechnungen an Registergrenzen teilen und Daten, valid sowie Nebenoperanden derselben Transaktion zuordnen.

    • Stoppbare Pipeline und BackpressureKonzept

      Stufen-ready berechnen, um bei Stopps und gleichzeitigem Vorrücken Verluste, Duplikate und Neuberechnung zu vermeiden.

    • Registerschnittstelle und Zeitpunkt von NebenwirkungenKonzept

      Adressen, Byte-Schreiben und Antwortstopps spezifizieren, sodass eine Annahme genau eine Änderung auslöst.

    • Abschlusslabor: UART-Sender und RahmentimingKonzept

      Teilerzähler, Schieberegister und Flusssteuerung für 8N1 verbinden und Bitgrenzen prüfen.

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