DIGITALNI SUSTAVI

O knjizi:

Teoriju i praksu izgradnje i upotrebe računala, i to sklopovlja i programa, obuhvaća disciplina računarstva. Značaj računarstva najbolje se ogleda u činjenici da najpropulzivnija i najznačajnija generička tehnologija današnjice – informacijska i komunikacijska tehnologija (ICT), čiji je, uz komunikacije i mikroelektroniku, računarstvo sastavni dio, zahvaljuje svoju rasprostranjenost upravo takvom prožimanju računala u svim porama društva. Taj je trend i stvorio sintagmu “informacijsko društvo kojom se želi naglasiti značaj stvaranja, prijenosa i obrade informacija.

Sadržaj ovog sveučilišnog udžbenika obuhvaća suštinske koncepcije, teoriju, projektiranje i osnove mikroelektroničke implementacije digitalnih sklopova i sustava. Knjiga je rezultat dugogodišnjih predavanja autora na Fakultetu elektrotehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu, u nastavi predmeta Digitalna elektronika.

Iz sadržaja:

PREDGOVOR 11

1. DIGITALNI SUSTAVI I OBRADA PODATAKA 13
1.1. Podaci i informacija 13
1.2. Predstavljanje binarnih brojeva električkim veličinama 16
1.3. Prijenos podataka 18
1.4. Problemi elektroničke implementacije 20
1.5. Pretvorba analognih veličina 23
1.6. Osnovna struktura digitalnog sustava 26
1.7. Od abaka do digitalnog računala 27
Literatura 29

2. DIGITALNI PODACI: TIPOVI, OPERACIJE, ALGORITMI 31
2.1. Tipovi i reprezentacija podataka 31
2.2. Brojevni sustavi 31
2.2.1. Pozicijski brojevni sustavi 31
2.2.2. Pretvorba iz jednog sustava u drugi sustav 33
2.2.3. Usporedba brojevnih sustava 37
2.2.4. Oktalni i heksadekadski sustavi 40
2.3. Zbrajanje i oduzimanje prirodnih binarnih brojeva 42
2.4. Prikaz brojeva u modulu 45
2.5. Komplementi brojeva 46
2.6. Oduzimanje s pomoću komplementa 48
2.7. Zapis brojeva s predznakom 50
2.8. Zbrajanje i oduzimanje brojeva s predznakom u 2-komplementu 53
2.9. Množenje i dijeljenje 56
2.10. Princip kodiranja binarnim riječima 57
2.11. Dekadski kodovi 58
2.12. Grayev kod 61
2.13. Znakovni kodovi 63
2.14. Principi kodova za otkrivanje i ispravljanje pogrešaka 64
2.15. Geometrijski prikaz binarnih riječi (brojeva) 66
2.16. Kodovi za otkrivanje i ispravljanje pogrešaka 68
2.16.1. Paritet 68
2.16.2. Višestruko ispitivanje pariteta 69
2.16.3. Hammingovi kodovi 71
2.16.4. Dvodimenzijski kodovi 75
Zadaci za vježbu 76

3. OSNOVE DIGITALNE LOGIKE 79
3.1. Uvod u logičke sklopove 79
Obrada digitalnih podataka 79
3.1.1. Logika sudova 80
3.1.2. Elektroničke izvedbe logičkih I i ILI-sklopova 84
3.1.3. Invertor 88
3.2. Booleova algebra 89
3.2.1. Aksiomatska definicija Booleove algebre 89
3.2.2. Dvočlana Booleova algebra 94
3.2.3. Kanonski oblik logičkih funkcija 96
3.2.4. Pretvorba nekanonskih oblika funkcija u kanonski oblik 102
3.2.5. Komplementarne i dualne funkcije 103
3.2.6. Funkcije jedne i dvije varijable 105
3.2.7. Skupine osnovnih (primitivnih) funkcija 110
3.2.8. Funkcije tri i više varijabli 112
3.2.9. Univerzalne funkcije 115
3.2.10. Pozitivna i negativna logika 120
3.3. Vremenski hazard 123
Zadaci za vježbu 126
Literatura 128

4. MINIMIZACIJA LOGIČKIH FUNKCIJA 129
4.1. Minimum Booleove funkcije 129
4.1.1. Cilj minimizacije 129
4.1.2. Primarni implikanti 130
4.2. Algebarska metoda minimizacije 132
4.3. Karnaughove tablice (K-tablice) 133
4.3.1. Minimizacija s pomoću K-tablice 133
4.3.2. K-tablica s tri varijable 137
4.3.3. K-tablica s četiri varijable 141
4.3.4. K-tablice s pet i šest varijabli 144
4.3.5. Nepotpuno specificirane funkcije 145
4.3.6. Minimizacija produkta maksterma 146
4.4. Quine-McCluskeyeva metoda 147
4.5. Minimizacija višeizlaznih funkcija 151
4.6. Izbjegavanje vremenskog hazarda 159
Zadaci za vježbu 161
Literatura 164

5. BISTABIL 165
5.1. Osnovni sklop 165
5.2. Osnovni bistabili od logičkih sklopova 169
5.3. Sinkroni bistabili 176
5.4. Osnovni logički tipovi bistabila 179
5.5. Sklopovi bistabila s poboljšanim okidanjem 189
5.5.1. Dvostruki bistabil 189
5.5.2. Bridom okidani bistabil 191
5.5.3. Dinamički parametri bridom okidanih bistabila 195
Zadaci za vježbu 197
Literatura 198

6. ELEKTRONIČKE IZVEDBE LOGIČKIH SKLOPOVA 199
6.1. Integrirani sklop kao funkcijski modul 199
6.2. Tehnologija proizvodnje integriranih sklopova 200
6.3. Ostvarivanje Booleovih funkcija 204
6.3.1. Ostvarivanje univerzalnih funkcija 204
6.3.2. Ostvarivanje Booleovih funkcija direktnim
povezivanjem izlaza 205
6.4. Klasifikacija integriranih logičkih sklopova 207
6.5. Električke osobine integriranih sklopova 209
6.5.1. Naponska područja, smetnje i prijenosna karakteristika 209
6.5.2. Opterećenje i faktor grananja 212
6.5.3. Disipacija snage 215
6.6. Dinamičke osobine integriranih sklopova 217
6.6.1. Vrijeme kašnjenja 217
6.6.2. Dinamička svojstva bipolarnog invertora 218
6.6.3. Dinamička svojstva CMOS-invertora 221
6.7. Integrirani sklopovi temeljeni na kompoziciji funkcija 221
6.7.1. Diodno-tranzistorska logika, DTL 222
6.7.2. Tranzistorsko-tranzistorska logika, TTL 224
6.8. Integrirani sklopovi temeljeni na direktnom kombiniranju tranzistora 235
6.8.1. Otporno-tranzistorska logika, RTL 235
6.8.2. MOSFET-logika 236
6.8.3. Skupina CMOS 236
6.8.4. Emiterski vezana logika, ECL 241
6.9. Usporedba skupina integriranih logičkih sklopova 245
Zadaci za vježbu 247
Literatura 251

7. STANDARDNI KOMBINACIJSKI MODULI 253
7.1. Vrste kombinacijskih modula 253
7.2. Dekoder 254
7.3. Multipleksor 260
7.4. Permanentna memorija 267
7.4.1. Osnovna struktura i primjena 267
7.4.2. Razvoj sklopovskih izvedbi 271
7.5. Programirljive logičke naprave 276
7.5.1. Osnovna struktura i namjena 276
7.5.2. Programirljivo logičko polje (PLA) 277
7.5.3. Poluprogramirljivo logičko polje 281
7.5.4. Složeni PLD 283
7.5.5. Programirljivo polje logičkih sklopova (FPGA) 285
7.6. Aritmetički sklopovi 287
7.6.1. Poluzbrajalo 287
7.6.2. Potpuno zbrajalo 288
7.6.3. Zbrajanje višeznamenkastih binarnih brojeva 290
7.6.4. Množenje 295
Zadaci za vježbu 296
Literatura 302

8. POSTUPAK PROJEKTIRANJA S OSVRTOM NA JEZIK VHDL 303
8.1. Opći pristup projektiranju digitalnih sustava 303
8.2. Dimenzije prikaza digitalnih sustava 304
8.3. Opis digitalnih sustava Y-dijagramom 306
8.4. Uloga računala u projektiranju 09
8.4.1. Automatiziranje procesa projektiranja 309
8.4.2. Alati za računalom podržano projektiranje 310
8.5. Modeliranje jezikom za opis sklopovlja VHDL 312
8.5.1. Osnovni elementi jezika VHDL 312
8.5.2. Napredno modeliranje kombinacijskih sklopova:
istodobno i slijedno pridruživanje 317
8.5.3. Modeliranja sekvencijskih sklopova 327
8.5.4. Proces simuliranja VHDL-koda 330
Zadaci za vježbu 332
Literatura 333

9. SINKRONI SEKVENCIJSKI SKLOPOVI 335
9.1. Mooreovi i Mealyjevi strojevi stanja - digitalni automati 335
9.1.1. Opća građa strojeva stanja 335
9.1.2. Dijagram stanja i dijagram toka stroja stanja 338
9.2. Analiza sinkronih sekvencijskih sklopova 341
9.2.1. Sklop s T-bistabilima 341
9.2.2. Sklop s JK-bistabilima 348
9.2.3. Sklop s D-bistabilima 352
9.3. Projektiranje sinkronih sekvencijskih sklopova 354
9.3.1. Projektiranje s pomoću tablice stanja 355
9.3.2. Projektiranje s pomoću jednadžbi stanja 361
9.3.3. Reduciranje broja stanja 364
9.3.4. Kodiranje stanja 368
9.4. Frekvencija i raskorak takta 376
 Maksimalna frekvencija takta 376
9.4.1. Raskorak 377
9.5. Sekvencijski moduli 379
Zadaci za vježbu 381
Literatura 386

10. ASINKRONI SEKVENCIJSKI SKLOPOVI 387
10.1. Opća struktura 387
10.2. Sklopovi s povratnom vezom 388
10.2.1. Model sklopa s povratnom vezom 388
10.2.2. Metode analize 390
10.2.3. Kritična utrka 393
10.2.4. Osnovni bistabili 394
10.3. Projektiranje sklopova s povratnom vezom 396
10.3.1. Reduciranje broja stanja 396
10.3.2. Kodiranje stanja 402
10.3.3. Utjecaj hazarda 404
10.4. Sklopovi s osnovnim bistabilima 405
10.4.1. Analiza 405
10.4.2. Projektiranje 407
Zadaci za vježbu 410
Literatura 411

11. SEKVENCIJSKI MODULI: REGISTRI I BROJILA 413
11.1. Osnovne funkcije i upotreba 413
11.2. Registri 414
11.2.1. Paralelni registri 414
11.2.2. Posmačni registri 416
11.2.3. Univerzalni registar 420
11.3. Brojila na osnovi posmačnih registara 422
11.3.1. Prstenasto brojilo 422
11.3.2. Johnsonovo brojilo 424
11.4. Binarno sinkrono brojilo 426
11.5. Modulo m sinkrono brojilo 430
11.6. Kaskadiranje brojila 434
11.7. Asinkrona brojila 435
11.7.1. Binarno asinkrono brojilo 435
11.7.2. Reverzibilno binarno asinkrono brojilo 438
11.7.3. Dvosmjerno binarno asinkrono brojilo 439
11.8. Modulo m asinkrono brojilo 440
11.9. Generator sekvencije 441
11.10. Napredna uporaba jezika VHDL: modeliranje generatora sekvencije 445
Zadaci za vježbu 451
Literatura 457

12. SPREMNICI PODATAKA 459
12.1. Opća obilježja 459
12.2. Statičke memorije 465
12.2.1. Statičke ćelije 465
12.2.2. Organizacija memorijskog čipa 470
12.3. Dinamičke memorije 477
12.3.1. Dinamička ćelija 477
12.3.2. Organizacija čipa i vremenski dijagram 478
12.3.3. Spremnička jedinica 481
12.4. Magnetske memorije s pomičnim medijem 482
12.4.1. Zapis podataka na magnetsku površinu 482
12.4.2. Diskovi i trake 484
12.5. Ostale često upotrebljavane memorije 486
Zadaci za vježbu 488
Literatura 490

13. SUČELJE S ANALOGNOM OKOLINOM 491
13.1. Odnosi analognih i digitalnih sustava 491
13.2. Digitalno-analogna pretvorba 494
13.2.1. DA-pretvornik s težinskim otporima 494
13.2.2. DA-pretvornik s ljestvičastom otporničkom mrežom 496
13.3. Analogno-digitalna pretvorba 499
13.3.1. Wilkinsonov pretvornik 499
13.3.2. Brojeći AD-pretvornik 500
13.3.3. AD-pretvornik sa sukcesivnom aproksimacijom 502
13.3.4. Paralelni komparatorski AD-pretvornik 504
13.3.5. Slijedni AD-pretvornik 505
13.3.6. Uzorkovanje napona 506
Zadaci za vježbu 510
Literatura 512
Dodatak A: Standardni simboli 513
A.1. Simboli nekih osnovnih logičkih sklopova 513
A.2. Opća struktura logičkih simbola 514
Literatura 526
Kazalo 527