Einführung

Es freut mich als Autor, dass Sie sich für mein Lehr- und Übungsbuch zum Fachgebiet der Digitaltechnik entschieden haben, und es möge Ihnen ein ständiger Begleiter auf dem Weg zum Entwurf digitaler Schaltungen sein. Sei dies nun aus Eigeninteresse oder als flankierende Literatur zu einer Vorlesung, einem Kurs oder dem Unterricht, oder um Ihnen eine etwas andere Sichtweise zu erschließen, um eine Prüfung für eine weiterbildende berufliche Ausbildung oder das Studium erfolgreich abzuschließen.

Alle reden heute von Digitalisierung, setzen täglich digitale Geräte ein, ohne es zu wissen, viele Menschen verstehen darunter sehr unterschiedliche Dinge - am Anfang stand aber die Digitaltechnik und noch früher die Mathematik, die das alles heute erst möglich macht. Ich möchte Sie mit auf eine Reise in die Digitalisierung nehmen, doch zuvor etwas zur Entstehungsgeschichte der Digitaltechnik.

Am Anfang stand die Mathematik - mal wieder. Als George Boole (1815 bis 1864) ab dem Jahr 1847 versuchte, einen algebraischen Weg zu finden, um logische Problemstellungen zu lösen, entwickelte er eine komplett neue algebraische Struktur - die Boole'sche Algebra. Einen nicht unerheblichen Anteil daran hatte Augustus De Morgan, ein englischer Mathematiker des 19. Jahrhunderts (1806 bis 1871), der die sehr wichtigen De Morgan'schen Theoreme beisteuerte.

Damals konnte noch niemand ahnen, dass diese Entdeckung einmal ein Meilenstein für ein komplett neues technisches Gebiet - die Digitaltechnik - sein würde. Und dass sich aus der Boole'schen Algebra die wohl für unseren Alltag bedeutendste Errungenschaft - die Erfindung des Computers - entwickeln könnte, war damals noch undenkbar. Möglich wurde dies, als der junge Student Claude Elwood Shannon (1916 bis 2001) 1937 im Rahmen der Bearbeitung seiner Master-Thesis die Analogie der Boole'schen Algebra zu realen Schaltkreisen erkannte und somit ein neues Anwendungsgebiet für die Boole'sche Algebra erschloss.

Mit dieser Grundlage entstand auch die erste voll funktionsfähige programmgesteuerte und frei programmierbare Rechenmaschine der Welt, bestehend aus einer großen Zahl von Relais, die Zuse Z3, die Konrad Zuse im Jahr 1941 vorstellte. Diese Z3 konnte eine mathematische Grundoperation in einer Sekunde ausführen.

Bis in die 50er-Jahre wurden in digitalen Systemen in erster Linie Elektronenröhren eingesetzt, die eine Vervielfachung der Arbeitsgeschwindigkeiten gegenüber den bisher verwendeten Relais ermöglichten. Die ersten digital arbeitenden Messgeräte waren Frequenz- und Ereigniszähler.

Bedingt durch die mangelnde Fertigungsgenauigkeit der mechanischen Systeme und die sehr begrenzte Lebensdauer der Elektronenröhren waren diese digitalen Systeme nicht sehr zuverlässig - sie fielen sehr häufig aus.

In den 50er-Jahren erhielt dann auch die Halbleiterelektronik Einzug in digitale Systeme. Zunächst als diskret aufgebaute und in den 60er- und 70er-Jahren als monolithisch integrierte Schaltung (monolithisch - auf einem Substrat). Erste elektronische digitale Schaltungen entstanden auf der Basis von Germaniumdioden und später auch auf der Basis von Germanium- und Silizium-Transistoren. Neben verschiedenen proprietären digitalen Schaltungen entstand die RTL-Schaltkreisfamilie als erste Form digitaler elektronischer Schaltkreise, die in den 50er-Jahren von Texas Instruments entwickelt wurde. Der Meilenstein in der Entwicklung von Schaltkreisfamilien ist die Erfindung und Patentierung der TTL-Technik im Jahr 1961 von James L. Buie bei der Firma TRW.

In den 60er, 70er und den folgenden Jahrzehnten ging es dann rasant mit der Weiterentwicklung der Halbleitertechnologien weiter - und dieser Prozess dauert immer noch an. Es entstanden immer kompaktere Halbleitertechnologien, die immer komplexere Strukturen zuließen. Die Basis stellt nach wie vor die TTL-Schaltkreisfamilie und deren Abkömmlinge dar, die bis heute den gesamten Bereich der Digitaltechnik prägen. Aktuell sind über 30 Schaltkreisfamilien verfügbar - ein Ende ist nicht absehbar. Unabhängig von dieser Vielfalt ändert das nichts an der Theorie und den Entwurfsmethoden der Digitaltechnik, lediglich die Implementation der Entwürfe bedarf einer fortlaufenden Anpassung an die jeweils eingesetzte Technologie der jeweiligen Schaltkreisfamilie.

Auf diese Reise möchte ich Sie jetzt ohne große Umwege mitnehmen. Die Theorie so weit wie notwendig und wenn Sie Interesse daran haben, die daraus abgeleiteten Entwurfsmethoden und Vorgehensweisen werden an anschaulichen Beispielen angewendet. Zur Übung gibt es zu fast jedem Kapitel ausführliche Übungsaufgaben, zu denen im Anhang die Lösungen detailliert beschrieben werden.

Der Anhang mit ausführlich kommentierten Lösungswegen im Umfang von cirka 170 Seiten ist nicht diesem Buch beigefügt, sondern steht ausschließlich vom Wiley Verlag kostenfrei per download unter der URL http://wiley-vch.de/ISBN9783527718665 zur Verfügung.

Über dieses Buch

Dieses Buch lässt sich von der Grundidee der gesamten Digitaltechnik leiten, denn es werden kleine Detailprobleme in möglichst allgemeingültiger Form gelöst. Diese werden dann wiederum durch geeignete Kombinationen genutzt, um komplexere Problemstellungen zu lösen, so dass mit recht einfachen Mitteln, aufbauend auf vorhandenem Wissen, komplexe Sachverhalte bearbeitet werden können.

Dieses Buch führt in die grundlegenden Zusammenhänge der Digitaltechnik ein. Dabei wird darauf Wert gelegt, das nicht nur auf »das ist so«, sondern explizit auch darauf »warum das so ist« eingegangen wird. Sie können sich aber auch gerne nur auf das Faktenwissen konzentrieren. Falls Sie sich aber auch für die Hintergründe interessieren, so empfehle ich Ihnen auch die Herleitungen der einzelnen Methoden und Verfahren zu lesen und zu erarbeiten - hierzu werden Hinweise gegeben. Sie vermitteln ein tiefgründiges Basiswissen, welches logisch aufgebaut dargestellt ist, wobei nicht unbedingt notwendiges nicht behandelt, aber durchaus als Ausblick genannt wird.

Den Anhang mit den Lösungen zu sämtlichen Übungen im Umfang von mehr als 170 Seiten können Sie per download vom Wiley Verlag unter der URL http://wiley-vch.de/ISBN9783527718665 beziehen.

Nicht enthalten sind in diesem Lehr- und Übungsbuch ganz bewusst die Themen Speicher, Programmierbare Logik sowie Sprachen zur Modellierung und Simulation digitaler Schaltungen wie VHDL.

Der inhaltliche Umfang des Buches entspricht ungefähr einer dreistündigen Vorlesung inklusive einem Laborpraktikum, welches allerdings nicht in diesem Buch in der Tiefe behandelt wird. Ein Laborpraktikum kann man nicht im Rahmen eines Buches behandeln, die Themen dafür wurden aber aus dem Inhalt des Buches abgeleitet und stellen quasi neben den umfangreichen Übungen eine weitere Vertiefung des behandelten Stoffes dar - es geht Ihnen also nicht unbedingt etwas verloren.

Ein besonderes Anliegen war es mir, dass das Buch logisch aufgebaut und leicht verständlich und nachvollziehbar lesbar ist, damit Sie Schritt für Schritt Erfolgserlebnisse haben. Auf allzu ausschweifende Formulierungen wurde deshalb verzichtet. Wichtige Aspekte werden anschaulich anhand vieler Beispiele und Abbildungen erläutert beziehungsweise zusammengefasst und können sehr gut zum Nachschlagen und zum Anwenden genutzt werden, so dass Sie nicht erst etliche Seiten lesen müssen, um zum gewünschten Ziel zu kommen.

Für das Verständnis des Inhalts ist es nicht notwendig, die höhere Mathematik zu beherrschen - Sie kommen tatsächlich mit den Grundrechenarten aus, allerdings in bisher nicht vertrauten Zahlensystemen wie dem dualen Zahlensystem, das in der Digitaltechnik unbedingt erforderlich ist, um die Theorie und Praxis zu verstehen - das Wissen dazu wird Ihnen aber vermittelt.

Das Hauptziel des Buches beziehungsweise einzelner Teile und Kapitel besteht darin, dass Sie die Theorie auf eine Vielzahl von Fällen - von einer einfachen digitalen Schaltung bis zu einem endlichen Zustandsautomaten mittlerer Komplexität - anwenden und üben können.

Konventionen in diesem Buch

In diesem Buch werden einige Konventionen verwendet:

• Variablen in Formeln, Gleichungen, Wahrheitstabellen und KV-Tafeln werden kursiv gestellt. Benennungen in Arbeitstabellen, Schaltsymbolen, Schaltungen und so weiter werden senkrecht, Vektoren kursiv und fett dargestellt.
• Bei fast allen Darstellungen dualer Zahlen wird als Trennzeichen für 4-Bit-Gruppen, die auch als Nibble (alternativ Tetrade) bezeichnet werden, ein Punkt verwendet - ein Komma ist immer ein Komma zur Trennung der Vorkommastellen von den Nachkommastellen einer Zahl.

• Grundsätzlich werden alle Definitionen, soweit vorhanden, entsprechend der Deutschen Ausgabe des Internationalen Elektrotechnischen Wörterbuchs (DA-IEV) verwendet. Sie sind für die angemeldete limitierte Auflage wiedergegeben mit Genehmigung 402.023 des DIN Deutsches Institut für Normung e.V. und des VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V.

  Die Originaldatenbank des Internationalen Elektrotechnischen Wörterbuchs...