Digitale Systeme

Zusammenfassung

Dieser Beitrag vermittelt die Grundkonzepte des Entwurfs digitaler Systeme und führt über diese in die Architektur von Mikroprozessoren ein.

Digitale Systeme werden hier im sogenannten Steuerkreismodell oder allgemein als kommunizierende Steuerkreise betrachtet und entworfen. Ein Steuerkreis besteht aus einem gesteuerten Teil, dem sogenannten Datenpfad, auch „data path“ genannt, welcher durch das sogenannte Steuerwerk oder den „control path“ gesteuert wird. Datenpfade bestehen aus elementaren Systembausteinen, das sind Schaltnetze oder Schaltwerke, also digitale Schaltungen, die entweder Eingaben auf Ausgaben funktional abbilden oder Automaten, die sequenziell Eingabefolgen zu Ausgabefolgen zuordnen.

Schaltnetze realisieren durch parallele Informationsverarbeitung eine mathematische Funktion. Im Rahmen der Betrachtung von Schaltnetzen werden die folgenden Aspekte beleuchtet: die Formeldarstellbarkeit von Schaltfunktionen durch die Schaltalgebra, die Realisierung von Schaltfunktionen durch MOS-Technik und Normalformschaltnetze, der systematische Entwurf zweistufiger Gatterschaltnetze sowie transientes Verhalten in Schaltnetzen – insbesondere das Fehlverhalten aufgrund sogenannter Schaltnetzhasards.

Schaltwerke realisieren sequenzielle Informationsverarbeitung. Es wird der Zustandsbegriff eingeführt sowie die beiden zentralen Verhaltensmodelle: endlicher Moore- und Mealy-Automat. Daraufhin wird der systematische Entwurf von Moore- und Mealy-Schaltwerken betrachtet, zum einen als ungetaktete (auch: asynchrone) und zum anderen als getaktete (auch: synchrone) Schaltwerke. Die Einführung der Taktung wird dabei als ingenieurmäßiger Ansatz zur Beherrschung von Hasardfehlern in Schaltwerken motiviert.

Steuerwerke sind ebenfalls Schaltwerke, die einen Steuerablauf realisieren und zwar durch das sequenzielle Abbilden von Eingaben aus dem Datenpfad auf Steuerwerksausgaben, welche Aktionen und dadurch Zustandsänderungen im Datenpfad auslösen, was wiederum zu neuen Eingaben für das Steuerwerk führt und sich so ein Kreislauf darstellt: der Steuerkreis. Neben der Möglichkeit ein Steuerwerk durch konventionellen Schaltwerksentwurf zu realisieren, wird die Realisierung mittels eines mikroprogrammierten Schaltwerks skizziert.

Schließlich werden der prinzipielle Aufbau und die Arbeitsweise eines universellen Programmabwicklers – eines Digitalrechners – erläutert. Die Schaltungsstruktur seiner Zentraleinheit, des Mikroprozessors, wird zunächst im Steuerkreis modelliert. Darauf aufbauend werden Architekturprinzipien von Hochleistungsprozessoren, insbesondere sogenannte Pipelinearchitekturen, motiviert und erläutert.

An geeigneter Stelle werden immer wieder Bezüge zur theoretischen Informatik hergestellt. So werden Schaltwerke und Steuerkreise als technische Ausprägungen von Berechnungsmodellen dargestellt, und zwar als Realisierungen von endlichen Automaten und Maschinenmodellen. Entsprechend wird das Konzept der Programmierbarkeit zum theoretischen Konzept der universellen Turingmaschine in Beziehung gesetzt.