„Hardwarenahe Rechnerarchitektur“ für CV (BIT) - Institut für ...

Lehrveranstaltung
„Hardwarenahe Rechnerarchitektur“ für CV (BIT)
Übungen
Teil 1: Digitaltechnik
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Fakultät Elektrotechnik
Institut für Elektronik, Signalverarbeitung und Kommunikationstechnik
Lehrstuhl Technische Informatik
WS 2008/09

1. Grundlagen der Schaltvorgänge
Wiederholen Sie den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung an
- Wirkwiderstand,
- Induktivität und
- Kapazität.
Leiten Sie aus der integralen Darstellungsform für Strom bzw. Spannung die
Erkenntnis ab, dass der Strom durch die Induktivität und die Spannung über
der Kapazität nicht "springen" können.
2. Schaltvorgänge an einem RC – Glied
Gegeben ist eine Reihenschaltung von R = 1 k und C = 100 x 10 -6 F.
E=10V
S
R
C
i(t)
U (t)
C
a) Berechnen Sie den Verlauf des Stroms i(t), der Spannung uc(t) und stellen Sie
diese graphisch dar.
b) Wodurch kommen die Verzögerungszeiten in digitalen Systemen zu Stande?
c) Durch welche Maßnahmen lassen sich verschiedene Signallaufzeiten
kompensieren?
Die Aufgaben 3 bis 6 dienen zur Wiederholung bekannter Grundkenntnisse.
3. Digitale Grundgatter
Informieren Sie sich über die logischen Funktionen der digitalen Grundgatter (Ne-
gator, AND, NAND, OR, NOR, EXOR) mit Hilfe der Schaltbelegungstabellen und
den zugehörigen logischen Gleichungen.
4. RS-Flipflop mit NAND-Gattern
a) Stellen Sie die Wertetabelle eines RS-Flipflops auf.
b) Unter welchen Bedingungen können undefinierte Zustände auftreten?
5. JK-Master/Slave-Zähl-Flipflop
a) Zeichnen Sie das Schaltbild auf der Basis von 9 NAND-Gattern.
b) Stellen Sie die Schaltbelegungstabelle auf.
6. D-Flipflop aus 4 NAND-Gattern
a) Stellen Sie die Gleichung Q n+1 = f(Q n ;C;D) des D-FF auf.
b) Überprüfen Sie, ob laufzeitbedingte Spikes (instabile Zustände, Hazards, Wettlauferscheinungen)
am Ausgang auftreten können.
c) Überlegen Sie, ob dieses D-FF mit Rückführung (von Q auf D) als Zähl-FF
verwendet werden kann.

7. Variabler Frequenzteiler
Zeichnen Sie das Impulsdiagramm für
eine angenommene Voreinstellung
"35".
8. Prinzip des Dualzählers
Zeichnen Sie das Impulsdiagramm für einen aus 3 Zähl-FF bestehenden
asynchronen dualen
a) Vorwärtszähler,
b) Rückwärtszähler.
Wie kann die Umschaltung Vorwärts/Rückwärts realisiert werden?
9. Zähldekaden und voreinstellbare Zähler
Entwerfen Sie eine Zählerschaltung für die digitale Anzeige der Uhrzeit in Sekunden,
Minuten und Stunden. Berücksichtigen Sie beim Entwurf der Zähldekaden, dass die Uhr
eine Stellfunktion beinhalten muss. Für den Zeittakt steht ein Quarztaktgeber mit der Fre-
quenz von 1Mhz zur Verfügung. Welche elektronischen/schaltungstechnischen Maßnah-
men sind zur Gewinnung eines Sekundentaktes erforderlich? Diskutieren Sie anhand des
Schaltungsentwurfs Laufzeitprobleme in Zähl- und Arithmetikschaltungen.
10. Aufbau und Funktionsweise von Codewandlern
a) Was für eine Art von Schaltung ist ein Codewandler ?
b) Mittels welcher Verfahren kann ein Codewandler entworfen werden ?
c) Welche Steuereingänge gibt es ?
d) Geben Sie als einfaches Beispiel für einen 1 aus 4-Decodierer (lowaktiv) die
Schaltbelegungstabelle an.
11. Entwurf eines Gray-Binär-Codewandlers
In welchen Merkmalen unterscheiden sich Gray- und Binärcode?
Gray Binär
Codewandler
x
y
a) Stellen Sie die Schaltbelegungstabelle (4 bit) auf.
b) Geben Sie die Funktionen y = f(x) an.
c) Minimieren Sie die gefundenen Funktionen y = f(x).
d) Geben Sie eine entsprechende Schaltung des Codewandlers an.

12. Entwurf einer Registeransteuerung
Für acht Register, jeweils repräsentiert durch ein D-FF, ist ein Adressdecoder zu
entwerfen und die gesamte Schaltung darzustellen.
A0 A1 A 2
Adressdecoder
13. Laufzeiten
Erläutern Sie Laufzeitprobleme in Addierern.
14. Aritmethik-Logik-Einheit
Was verstehen Sie unter einer ALU?
CE
D Q
C Q
D Q
C Q
D Q
C Q
D Q
C Q
D Q
C Q
D Q
C Q
D Q
C Q
D Q
C Q

Lehrveranstaltung
„Hardwarenahe Rechnerarchitektur“ für CV (BIT)
Übungen
Teil 2: Rechneraufbau, Spezialprozessoren, Bilderfassung
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Fakultät Elektrotechnik
Institut für Elektronik, Signalverarbeitung und Kommunikationstechnik
Lehrstuhl Technische Informatik
WS 2008/09

1. Rechneraufbau
Skizzieren Sie mit Hilfe eines Blockschaltbildes den prinzipiellen Aufbau eines Rechners
und erläutern Sie seine Wirkungsweise. Wie „unterscheidet“ die CPU zwischen
Befehlscode und Datenwort? Wie erfolgt die prinzipielle Verarbeitung von Befehlscode
und die Befehlsdecodierung in der CPU?
2. Ein- Ausgabesystem
2.1 Paralleler Port
Ein 8-Bit-ADU sowie ein 12-Bit-DAU sollen über je ein PPI (Programmable Peripheral
Interface) 8255 mit einem Rechner verbunden werden. Das Zusammenwirken wird
über Handshake-Signale gesteuert (Mode 1). Die Datenübernahme durch den Mikroprozessor
erfolgt innerhalb einer Interrupt-Routine. Als Interrrupt-Controller wird der
Baustein 8259 eingesetzt.
2.1.1 Skizzieren Sie die Zusammenschaltung der Bausteine mit den erforderlichen Daten-,
Adress- und Steuerleitungen.
2.1.2 Ermitteln Sie die Steuerworte zur Initialisierung der PPI 8255.
2.1.3 Erstellen Sie den Programmablaufplan für die Initialisierung und die Datenübernahme.
Wie verändert sich die Arbeitsweise, wenn statt Interruptverarbeitung Polling-Betrieb
vorgesehen wird?
2.1.4 Stellen Sie den Zeitverlauf der Handshakesignale dar!
2.2 Serieller Port
Die Kopplung eines Rechners mit einem weiteren für den Duplexbetrieb ist zu realisieren.
Als Peripherieschaltkreis soll der Baustein 8251 USART (Universal Synchron
Asynchron Receiver Transmitter) in der asynchronen Betriebsart betrieben und entsprechend
programmiert werden.
2.2.1 Skizzieren Sie den grundsätzlichen Aufbau des Übertragungssystems mit den notwendigen
Verbindungsleitungen sowie den wichtigsten Signalen des 8251 am Bus und
zeigen Sie, wie Sende- und Empfangstakt bereitgestellt werden.
2.2.2 Ermitteln Sie die Steuerworte zur Programmierung des 8251, wenn die Übertragung
mit 9600 Baud erfolgen soll, das Datenformat durch acht Datenbits, ein Stop- sowie
ein gerades Paritätsbit gekennzeichnet ist. Durch welchen Wert muss der Systemtakt
von 1,8432 MHz zur Erzeugung von Sende- und Empfangstakt in Abhängigkeit vom
Baudratenfaktor geteilt werden?
2.2.3 Zeigen Sie den Zeitverlauf des Signals auf einer Datenleitung. Erläutern Sie die Arbeitsweise
im Polling- sowie im Interruptbetrieb. Welche Statusbits werden im Pollingbetrieb
abgefragt, bzw. welche Statusleitungen dienen zur Auslösung des Interrupts?

2.3 Interruptsystem
2.3.1 Erläutern Sie die Verarbeitung mehrerer Interrupts.
2.3.2 Wie erfolgt der Sprung zur Interruptserviceroutine?
2.4 Speicheradressierung
2.4.1. Ein Speicher (RAM) von 512 MByte (128 M Worte) soll innerhalb des Adreßraums
eines Rechners von 4 G (Byte-adressiert) in Schritten von 512 M plaziert werden. Die
Nummer des Speicherblocks soll mit Jumpern ausgewählt werden können. Geben Sie
eine geeignete Schaltung für einen Adreßdekoder an, der das Auswahlsignal des Speicherbausteins
generiert. Realisieren Sie die Schaltung zum einen mit einem Digitalkomparator
und zum anderen mit einem 1-aus-8-Dekoder. Berücksichtigen Sie dabei
die wichtigsten Steuerleitungen des Mikrorechnerbusses (M/IO, R/W). Geben Sie die
Jumperbelegung und die zugehörigen Adreßbereiche für die Auswahl des RAM-
Bereiches an.
2.4.2 Für einen E/A-Baustein (Port), an den direkt zwei Adreßleitungen (A0,A1) heranführen,
soll das CS-Signal so generiert werden, daß er im E/A-Adreßraum (Adressen
0..255) durch Setzen von Jumpern plazierbar ist (Adreßschritte von 4). Geben Sie eine
geeignete Schaltung für einen Adreßdekoder an, in der ein 8fach-UND-Gatter verwendet
wird. Die erforderlichen Adreßleitungen sind mit den Jumpern wahlweise über
Negatoren oder direkt auf die Eingänge des UND-Gatters zu schalten. Berücksichtigen
Sie die wichtigsten Steuerleitungen und geben Sie die Adreßbereiche an!
2.5 DMA
2.5.1. Welche Funktionen nimmt der DMA-Controller der CPU ab? Welche Fähigkeit muß
die CPU besitzen, um einen DMA-Transfer zu ermöglichen? Nennen Sie Beispiele,
bei denen DMA eine sinnvolle Form des Datentransfers darstellt!
2.5.2. Zeigen Sie, ausgehend von der Grundarchitektur eines Mikrorechners, die für die
Funktion wichtigsten Verbindungsleitungen eines DMA-Controllers mit der CPU sowie
mit den Interfaces bzw. Peripheriegeräten. Erläutern Sie die ablaufenden Vorgänge,
wenn das Peripheriegerät einen Datentransfer anfordert.
2.5.3. Zeigen Sie Möglichkeiten der Datenübertragung mit und ohne DMA-Controller sowie
Unterschiede zwischen Blocktransfer und Handshake-Betrieb.
2.5 Cachestrukturen / -adressierung
Erläutern Sie die Aufgabe und die Wirkungsweise von Cache-Speichern. Geben Sie
das Blockschaltbild an. Gehen Sie dabei insbesondere auf die Strukturen und die Adressierungsmöglichkeiten
ein. Wie wird der erforderliche, schnelle Zugriff (incl. Suche)
auf die gewünschte Partition realisiert? Wie schnell muss der Zugriff wenigstens
sein (im Vergleich zum Hauptspeicher)?

3. Spezialprozessoren und aktuelle Entwicklungen
3.1. Z8-Einchipmikrorechner
Für eine Struktur gemäß Abbildung sind folgende Aufgaben zu realisieren:
Port 1
Port 3
7
6
5
4
3
2
1
0
8
ADU
RDY1 /DAV1
Vorgegebene Struktur
- Anschluss eines 8-Bit-ADU an Port 1, Handshake-Betrieb mit Interrupt
- Überwachung des ADU-Wertes auf Grenzwertüber- und -unterschreitung;
62

c) Entwerfen Sie einen ADU nach dem Parallelverfahren für 3 bit.
d) Entwerfen Sie eine dem ADU nachzuschaltende kombinatorische Schaltung für
einen Graycode-Ausgang.
4.3 ADU nach dem Wägeverfahren (sukzessive Approximation)
a) Skizzieren Sie das Blockschaltbild des ADU und wiederholen Sie die Wirkungs-
weise der Umsetzung mittels sukzessiver Approximation.
b) Zeichnen Sie das Impulsdiagramm für folgende Daten:
Quantisierungsstufe: 100mV, Umsetzbreite: 4 Bit, Eingangsspannung: UE = 1,15V
6. Bilderfassung
6.1 Abbildung und Digitalisierung von Bildern
a) Erläutern Sie die Abbildung einer Bildszene auf einen CCD-Sensor.
b) Wie erfolgt die Umwandlung der Lichtenergie in eine Ladung? Auf welche Art und
Weise werden die Ladungen aus dem Sensor ausgelesen?
c) Beschreiben Sie den Vorgang der Umsetzung des analogen Spannungssignales in ein
digitales Signal. Welche Anforderungen muss ein Video-ADU erfüllen?
d) Wie beeinflusst die Verstärkung des analogen Spannungssignales die Bildqualität?
e) Beschreiben Sie das Prinzip der pixelsynchronen Digitalisierung von Bildern.
Welche Vorteile bietet diese Art der Digitalisierung?
f) Was ist ein CMOS – Sensor?
6.2. Bildverarbeitungssystem
Erläutern Sie den Aufbau eines Bildverarbeitungssystems! Welche Komponenten sind notwendig,
um einen PC zum Bildverarbeitungssystems auszubauen? Informieren Sie sich über
die wesentlichen Funktionen der Komponenten! Nach welchen Kriterien muss ein Bildverarbeitungssystems
aufgebaut werden?
6.3. Look-up-Table
Informieren Sie sich über Realisierungsmöglichkeiten und Vorteile von LUT.
An einem Bild mit 256 Graustufen sollen mit Hilfe einer Look-up Table die folgenden Veränderungen
durchgeführt werden.
- Invertierung des Bildes
- Kontrastspreizung um den Faktor 2
- Binarisierung
Wie muss die entsprechende Look-up-Table aussehen? Zeichnen Sie für jeden Fall die entsprechende
Kurve! Berechnen Sie den Ausgang der LUT, wenn die Pixel des folgenden Bildausschnitts
die Eingangswerte bilden:
0 93 37
230 47 255