Digitale elektronische Systeme - Cheatsheet

Boolesche Algebra und logische Operatoren

Definition:

Boolesche Algebra ist ein Zweig der Mathematik, der sich mit den Operationen auf Wahrheitswerten (logischen Werten) befasst. Logische Operatoren werden verwendet, um boolesche Ausdrücke zu manipulieren.

Details:

• Grundoperationen: UND (\textit{AND}), ODER (\textit{OR}), NICHT (\textit{NOT})
• Wahrheitstabellen zur Darstellung der Operatoren:
• UND (AND):

  A	B	A ∧ B
  0	0	0
  0	1	0
  1	0	0
  1	1	1

• ODER (OR):

  A	B	A ∨ B
  0	0	0
  0	1	1
  1	0	1
  1	1	1

• NICHT (NOT):

  A	¬A
  0	1
  1	0

• Gesetze der Booleschen Algebra: Idempotenz, Involution, Komplement, Assoziativität, Distributivität, De Morgan
• Anwendung in Schaltungstechnik und digitale Logik

Karnaugh-Veitch-Diagramme zur Minimierung von Schaltungen

Definition:

Grafische Methode zur Vereinfachung boolescher Funktionen.

Details:

• Reduziert Anzahl der logischen Gatter.
• 4x4 für Funktionen bis zu 4 Variablen, größere Diagramme für mehr Variablen.
• Gruppierung von 1ern (oder 0ern) in Zweierpotenzen (1, 2, 4, 8, ...).
• Jede Gruppe repräsentiert eine vereinfachte Teilterm.
• Beachte Überlappungen um minimalste Form zu erreichen.

RAM-Typen (SRAM, DRAM)

Definition:

Typen von RAM wichtig für digitale elektronische Systeme.

Details:

• SRAM (statisches RAM): Speichert Daten mittels Flip-Flops, benötigt keine Auffrischung, schneller, teurer, geringere Kapazität.
• DRAM (dynamisches RAM): Speichert Daten in Kondensatoren, benötigt regelmäßige Auffrischung, langsamer, günstiger, höhere Kapazität.
• DRAM Refresh Rate: \text{Periodizität} \text{(Schreiben/Lesezyklen)}
• Speicherzugriffszeiten und Energiesverbrauch beachten.

Pipeline und Superskalare Architekturen

Definition:

Pipeline: Arbeitsabläufe in unabhängige Schritte zerlegen und parallel ausführen. Superskalare Architekturen: Mehrere Instruktionen pro Zyklus ausführen.

Details:

• Pipeline-Stufen: Fetch, Decode, Execute, Memory, Writeback
• Hazards: Daten-, Struktur-, Kontroll-Hazards
• Out-of-Order Execution zur Vermeidung von Stalls
• Prozessor-Register und funktionsweise des Befehlsfensters
• Instruktion-Level Parallelism (ILP) durch parallele Ausführung

Einführung in die VHDL-Syntax und -Semantik

Definition:

Einführung in die grundlegenden Prinzipien und Regeln der VHDL-Syntax und -Semantik im Rahmen der Vorlesung Digitale elektronische Systeme.

Details:

• VHDL-Syntax: Grundlegende Struktur der VHDL-Beschreibungssprache.
• Entity: Definiert die Schnittstelle einer digitalen Komponente.
• Architecture: Beschreibt das Verhalten der Entity.
• Signale: Datenleitungen zwischen Prozessen oder Komponenten.
• Prozesse: Ablaufsteuerung innerhalb einer Architektur.
• Syntax-Elemente: Kommentare (--), Deklarationen, Zuweisungen, Kontrollstrukturen.

• VHDL-Semantik: Bedeutung und Interpretation der VHDL-Konstrukte.
• Konkurrenz: Gleichzeitige Ausführung von Prozessen.
• Ereignisse: Zustandsänderungen, die die Ausführung beeinflussen.
• Simulator: Werkzeug zur Validierung und Analyse des VHDL-Codes.
• Testbenches: Simulationsumgebungen zur Überprüfung der Funktionalität.

Simulation und Verifikation von VHDL-Modellen

Definition:

Simulation und Verifikation von VHDL-Modellen dienen der Überprüfung der Funktionalität und der Fehlerfreiheit digitaler Schaltungen vor der Implementierung.

Details:

• Simulation testet Verhalten und Timing von VHDL-Modellen.
• Verifikation stellt sicher, dass Design-Spezifikationen erfüllt werden (z.B. logische & zeitliche Korrektheit).
• Common Tools: ModelSim, VHDL Testbenches.
• Stimulus-Signal erstellen, Simulation ausführen, Ergebnisse analysieren.
• Verifikationstechniken: Funktionale Verifikation, formale Verifikation.
• User-Defined Primitives (UDP) und Assertion-Based Verification (ABV) als Methoden.

Power-Management in digitalen Schaltungen

Definition:

Power-Management in digitalen Schaltungen bezieht sich auf die Techniken zur Steuerung und Reduzierung des Stromverbrauchs in digitalen elektronischen Systemen.

Details:

• Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS): Anpassung der Versorgungsspannung und Taktfrequenz
• Power Gating: Abschalten von inaktiven Schaltungsblöcken
• Clock Gating: Deaktivierung von Taktsignalen für ungenutzte Bereiche
• Adaptive Voltage Scaling (AVS): Echtzeit-Anpassung der Spannung basierend auf den Betriebsbedingungen
• Multi-Threshold CMOS (MTCMOS): Nutzung von Transistoren mit unterschiedlichen Schwellspannungen

Einfluss von Mikroprozessoren auf die Systemleistung

Definition:

Einfluss von Mikroprozessoren auf die Systemleistung: Zentral für Geschwindigkeits- und Effizienzoptimierung digitaler Systeme.

Details:

• Taktrate (\text{Hz}) beeinflusst Geschwindigkeit.
• Anzahl der Kerne: Mehr Kerne = potenziell höhere parallele Verarbeitungskraft.
• Cache-Größe: Größerer Cache = schnellere Datenzugriffszeiten.
• Architektur und Befehlssatz: Effizienz und Leistungsfähigkeit variieren je nach Design.
• Thermisches Design und Kühlung: Begrenzt Leistung durch Hitzeentwicklung.
• Energieverbrauch: Beeinflusst Mobilität und Kühlungsbedarf.