Digitalelektronik vertritt Signale durch getrennte Bänder von analogen Niveaus, aber nicht durch eine dauernde Reihe. Alle Niveaus innerhalb eines Bandes vertreten denselben Signalstaat. Relativ kleine Änderungen zu den analogen Signalpegeln wegen der Produktionstoleranz, der Signalverdünnung oder des parasitischen Geräusches verlassen den getrennten Umschlag nicht, und werden infolgedessen durch den Signalstaat Abfragung des Schaltsystemes ignoriert.

In den meisten Fällen ist die Zahl dieser Staaten zwei, und sie werden von zwei Stromspannungsbändern vertreten: eine Nähe ein Bezugswert (normalerweise genannt als "Boden" oder Nullvolt) und ein Wert in der Nähe von der Versorgungsstromspannung, entsprechend dem "falschen" ("0") und "wahr" ("1") Werte des Gebiets von Boolean beziehungsweise.

Digitaltechniken sind nützlich, weil es leichter ist zu veranlassen, dass ein elektronisches Gerät in einen mehrerer bekannter Staaten umschaltet als, einen dauernden Wertbereich genau wieder hervorzubringen.

Elektronische Digitalstromkreise werden gewöhnlich von großen Bauteilen von Logiktoren, einfachen elektronischen Darstellungen von logischen Funktionen von Boolean gemacht.

Vorteile

Ein Vorteil von Digitalstromkreisen, wenn im Vergleich zu analogen Stromkreisen Signale vertreten digital ist, kann ohne Degradierung wegen des Geräusches übersandt werden. Zum Beispiel kann ein dauerndes Audiosignal, übersandt als eine Folge 1s und 0s, ohne Fehler wieder aufgebaut werden hat das in der Übertragung aufgenommene Geräusch zur Verfügung gestellt ist nicht genug, um Identifizierung 1s und 0s zu verhindern. Eine Stunde der Musik kann auf einer CD mit ungefähr 6 Milliarden binären Ziffern versorgt werden.

In einem Digitalsystem kann eine genauere Darstellung eines Signals durch das Verwenden mehr binärer Ziffern erhalten werden, um es zu vertreten. Während das verlangt, dass mehr Digitalstromkreise die Signale bearbeiten, wird jede Ziffer durch dieselbe Art der Hardware behandelt. In einem analogen System verlangt zusätzliche Entschlossenheit grundsätzliche Verbesserungen in der Linearität und den Geräuscheigenschaften jedes Schritts der Signalkette.

Computergesteuerte Digitalsysteme können von der Software kontrolliert werden, neuen Funktionen erlaubend, hinzugefügt zu werden, ohne Hardware zu ändern. Häufig kann das außerhalb der Fabrik durch das Aktualisieren der Software des Produktes getan werden. Also, die Designfehler des Produktes können korrigiert werden, nachdem das Produkt in Händen eines Kunden ist.

Informationslagerung kann in Digitalsystemen leichter sein als in analogen. Die Geräuschimmunität von Digitalsystemen erlaubt Daten, versorgt und ohne Degradierung wiederbekommen zu werden. In einem analogen System erniedrigt das Geräusch vom Altern und Tragen die versorgte Information. In einem Digitalsystem so lange ist das Gesamtgeräusch unter einem bestimmten Niveau, die Information kann vollkommen wieder erlangt werden.

Nachteile

In einigen Fällen verwenden Digitalstromkreise mehr Energie als analoge Stromkreise, um dieselben Aufgaben zu vollbringen, so mehr Hitze erzeugend, die die Kompliziertheit der Stromkreise wie die Einschließung des Hitzebeckens vergrößert. In tragbaren oder batterieangetriebenen Systemen kann das Gebrauch von Digitalsystemen beschränken.

Zum Beispiel verwenden batterieangetriebene Autotelefone häufig ein Analogvorderende der niedrigen Macht, um ausführlicher zu erläutern und die Radiosignale von der Grundstation einzuschalten. Jedoch hat eine Grundstation Bratrost-Macht und kann mit der Macht hungrige aber sehr flexible Softwareradios verwenden. Solche Grundstationen können leicht wiederprogrammiert werden, um die in neuen Zellstandards verwendeten Signale zu bearbeiten.

Digitalstromkreise sind manchmal besonders in kleinen Mengen teurer.

Die meisten nützlichen Digitalsysteme müssen von dauernden analogen Signalen bis getrennte Digitalsignale übersetzen. Das verursacht quantization Fehler. Fehler von Quantization kann reduziert werden, wenn das System genug Digitaldaten versorgt, um das Signal zum gewünschten Grad der Treue zu vertreten. Das Abtasttheorem von Nyquist-Shannon stellt eine wichtige Richtlinie betreffs zur Verfügung, wie viel Digitaldaten erforderlich ist, um ein gegebenes analoges Signal genau zu porträtieren.

In einigen Systemen, wenn ein einzelnes Stück von Digitaldaten verloren oder missdeutet wird, kann sich die Bedeutung von großen Blöcken von zusammenhängenden Daten völlig ändern. Wegen der Klippe-Wirkung kann es für Benutzer schwierig sein zu erzählen, ob ein besonderes System am Rand des Misserfolgs richtig ist, oder wenn es viel mehr Geräusch vor dem Mangel dulden kann.

Digitalzerbrechlichkeit kann durch das Entwerfen eines Digitalsystems für die Robustheit reduziert werden. Zum Beispiel können ein Paritätsbit oder andere Fehlerverwaltungsmethode in den Signalpfad eingefügt werden. Diese Schemas helfen dem System, Fehler, und dann zu entdecken, entweder die Fehler zu korrigieren, oder mindestens um eine neue Kopie der Daten zu bitten. In einer Zustandmaschine kann die Zustandübergang-Logik entworfen werden, um unbenutzte Staaten zu fangen und eine Rücksetzen-Folge oder andere Fehlerwiederherstellungsroutine auszulösen.

Digitalspeicher- und Übertragungssysteme können Techniken wie Fehlerentdeckung und Korrektur verwenden, um zusätzliche Daten zu verwenden, um irgendwelche Fehler in der Übertragung und Lagerung zu korrigieren.

Andererseits machen einige in Digitalsystemen verwendete Techniken jene Systeme verwundbarer für Fehler des einzelnen Bit. Diese Techniken sind annehmbar, wenn die zu Grunde liegenden Bit zuverlässig genug sind, dass solche Fehler hoch unwahrscheinlich sind.

Ein Fehler des einzelnen Bit in Audiodaten versorgt direkt als geradlinige Pulscodemodulation (solcher als auf einer CD-ROM) Ursachen, schlimmstenfalls, ein einzelner Klick. Statt dessen verwenden viele Menschen Audiokompression, um Abstellraum und Download-Zeit zu sparen, wenn auch ein Fehler des einzelnen Bit das komplette Lied verderben kann.

Design kommt in Digitalstromkreisen heraus

Digitalstromkreise werden von analogen Bestandteilen gemacht. Das Design muss versichern, dass die analoge Natur der Bestandteile das gewünschte Digitalverhalten nicht beherrscht. Digitalsysteme müssen Geräusch und Timing-Ränder, parasitische Induktanz und Kapazität und Filtermacht-Verbindungen führen.

Schlechte Designs haben periodisch auftretende Probleme wie "Störschübe", vanishingly-schnelle Pulse, die etwas Logik, aber nicht andere, "Zwergrind-Pulse auslösen können", die gültige "Schwellen"-Stromspannungen oder unerwartete ("undecodierte") Kombinationen von logischen Zuständen nicht erreichen.

Zusätzlich, wo abgestoppt, verbinden Digitalsysteme zu Entsprechungssystemen oder Systemen, die aus einer verschiedenen Uhr vertrieben werden, kann das Digitalsystem metastability unterworfen sein, wo eine Änderung zum Eingang die Einstellungszeit für eine Digitaleingangsklinke verletzt. Diese Situation wird sich selbstauflösen, aber wird eine zufällige Zeit nehmen, und während sie andauert, kann auf ungültige Signale hinauslaufen, die innerhalb des Digitalsystems seit einer kurzen Zeit fortpflanzen werden.

Da Digitalstromkreise von analogen Bestandteilen gemacht werden, rechnen Digitalstromkreise langsamer als Analogstromkreise der niedrigen Präzision, die eine ähnliche verfügbare Fläche und Macht verwenden. Jedoch wird der Digitalstromkreis mehr repeatably wegen seiner Störunanfälligkeit berechnen. Andererseits, im Gebiet der hohen Präzision (zum Beispiel, wo 14 oder mehr Bit der Präzision erforderlich sind), verlangen analoge Stromkreise viel mehr Macht und Gebiet als Digitalentsprechungen.

Aufbau

Ein Digitalstromkreis wird häufig von kleinen elektronischen Stromkreisen genannt Logiktore gebaut, die verwendet werden können, um combinational Logik zu schaffen. Jedes Logiktor vertritt eine Funktion der boolean Logik. Ein Logiktor ist eine Einordnung elektrisch kontrollierter Schalter, die besser als Transistoren bekannt sind.

Jedes Logiksymbol wird durch eine verschiedene Gestalt vertreten. Der wirkliche Satz von Gestalten wurde 1984 unter IEEE\ANSI normalen 91-1984 eingeführt. "Das unter diesem Standard gegebene Logiksymbol wird jetzt zunehmend verwendet und hat sogar angefangen, in der von Herstellern von einheitlichen Digitalstromkreisen veröffentlichten Literatur zu erscheinen."

Die Produktion eines Logiktors ist ein elektrischer Fluss oder Stromspannung, die abwechselnd mehr Logiktore kontrollieren kann.

Logiktore verwenden häufig wenigste Zahl von Transistoren, um ihre Größe, Macht-Verbrauch zu reduzieren und zu kosten, und ihre Zuverlässigkeit zu vergrößern.

Einheitliche Stromkreise sind die am wenigsten teure Weise, Logiktore in großen Volumina zu machen. Einheitliche Stromkreise werden gewöhnlich von Ingenieuren entworfen, die elektronische Designautomationssoftware verwenden (sieh unten für mehr Information).

Eine andere Form des Digitalstromkreises wird von Nachschlagetabellen, gebaut (viele haben als "programmierbare Logikgeräte" verkauft, obwohl andere Arten von PLDs bestehen). Nachschlagetabellen können dieselben Funktionen wie Maschinen durchführen, die auf Logiktoren gestützt sind, aber können leicht wiederprogrammiert werden, ohne die Verdrahtung zu ändern. Das bedeutet, dass ein Entwerfer häufig Designfehler reparieren kann, ohne die Einordnung von Leitungen zu ändern. Deshalb, in kleinen Volumen-Produkten, sind programmierbare Logikgeräte häufig die bevorzugte Lösung. Sie werden gewöhnlich von Ingenieuren entworfen, die elektronische Designautomationssoftware verwenden.

Wenn die Volumina zum großen mittler sind, und die Logik langsam sein kann, oder mit komplizierten Algorithmen oder Folgen verbunden ist, häufig wird ein kleiner Mikrokontrolleur programmiert, um ein eingebettetes System zu machen. Diese werden gewöhnlich von Softwareingenieuren programmiert.

Wenn nur ein Digitalstromkreis erforderlich ist, und sein Design bezüglich eines Fabrikfließband-Kontrolleurs völlig kundengerecht angefertigt wird, ist die herkömmliche Lösung ein programmierbarer Logikkontrolleur oder PLC. Diese werden gewöhnlich von Elektrikern mit der Leiter-Logik programmiert.

Struktur von Digitalsystemen

Ingenieure verwenden viele Methoden, logische Funktionen zu minimieren, um die Kompliziertheit des Stromkreises zu reduzieren. Wenn die Kompliziertheit weniger ist, hat der Stromkreis auch weniger Fehler und weniger Elektronik, und ist deshalb weniger teuer.

Die am weitesten verwendete Vereinfachung ist ein Minimierungsalgorithmus wie der Espresso heuristische Logik minimizer innerhalb eines CAD-Systems, obwohl historisch binäre Entscheidungsdiagramme, ein automatisierter Quine-McCluskey Algorithmus, Wahrheitstabellen, Karten von Karnaugh und Algebra von Boolean verwendet worden sind.

Darstellungen sind für ein Design eines Ingenieurs von Digitalstromkreisen entscheidend. Einige Analyse-Methoden arbeiten nur mit besonderen Darstellungen.

Die klassische Weise, einen Digitalstromkreis zu vertreten, ist mit einem gleichwertigen Satz von Logiktoren. Ein anderer Weg, häufig mit kleinster Elektronik, soll ein gleichwertiges System von elektronischen Schaltern (gewöhnlich Transistoren) bauen. Einer der leichtesten Wege ist, einfach ein Gedächtnis zu haben, das eine Wahrheitstabelle enthält. Die Eingänge werden in die Adresse des Gedächtnisses gefüttert, und die Datenproduktionen des Gedächtnisses werden die Produktionen.

Für die automatisierte Analyse haben diese Darstellungen Digitaldateiformate, die durch Computerprogramme bearbeitet werden können. Die meisten Digitalingenieure achten auf sehr ausgesuchte Computerprogramme ("Werkzeuge") mit vereinbaren Dateiformaten.

Um Darstellungen zu wählen, denken Ingenieure Typen von Digitalsystemen. Die meisten Digitalsysteme teilen sich in "combinational Systeme" und "folgende Systeme." Ein combinational System präsentiert immer dieselbe Produktion, wenn gegeben, dieselben Eingänge. Es ist grundsätzlich eine Darstellung von einer Reihe von logischen Funktionen, wie bereits besprochen.

Ein folgendes System ist ein combinational System mit einigen der Produktionen gefüttert zurück als Eingänge. Das lässt die Digitalmaschine eine "Folge" von Operationen durchführen. Das einfachste folgende System ist wahrscheinlich ein Flip-Misserfolg, ein Mechanismus, der eine binäre Ziffer oder "Bit" vertritt.

Folgende Systeme werden häufig als Zustandmaschinen entworfen. Auf diese Weise können Ingenieure ein grobes Verhalten eines Systems entwerfen, und es sogar in einer Simulation prüfen, ohne alle Details der logischen Funktionen zu denken.

Folgende Systeme teilen sich in zwei weitere Unterkategorien. "Gleichzeitige" folgende Systeme ändern Staat plötzlich, wenn ein "Uhr"-Signal Staat ändert. "Asynchrone" folgende Systeme pflanzen Änderungen fort, wann auch immer sich Eingänge ändern. Gleichzeitige folgende Systeme werden aus gut charakterisierten asynchronen Stromkreisen wie Zehensandalen, diese Änderung nur gemacht, wenn sich die Uhr ändert, und die Timing-Ränder sorgfältig entworfen haben.

Die übliche Weise, eine gleichzeitige folgende Zustandmaschine durchzuführen, soll es in ein Stück der combinational Logik teilen, und eine Reihe von Flip-Misserfolgen hat ein "Zustandregister genannt." Jedes Mal, wenn ein Uhr-Signal tickt, gewinnt das Zustandregister das Feed-Back, das vom vorherigen Staat der combinational Logik erzeugt ist, und füttert es zurück als ein unveränderlicher Eingang zum combinational Teil der Zustandmaschine. Die schnellste Rate der Uhr wird durch die zeitraubendste Logikberechnung in der combinational Logik gesetzt.

Das Zustandregister ist gerade eine Darstellung einer Binärzahl. Wenn die Staaten in der Zustandmaschine numeriert werden (leicht sich zu einigen), ist die logische Funktion etwas combinational Logik, die die Zahl des folgenden Staates erzeugt.

Im Vergleich sind asynchrone Systeme sehr hart zu entwickeln, weil alle möglichen Staaten, im ganzen möglichen timings betrachtet werden müssen. Die übliche Methode ist, einen Tisch der minimalen und maximalen Zeit zu bauen, dass jeder solcher Staat bestehen, und dann den Stromkreis anpassen kann, um die Zahl solcher Staaten zu minimieren, und den Stromkreis zu zwingen, auf alle seine Teile regelmäßig zu warten, um in einen vereinbaren Staat einzugehen (das wird "Selbstwiedersynchronisation" genannt). Ohne solches sorgfältiges Design ist es leicht, asynchrone Logik zufällig zu erzeugen, die "nicht stabil" ist, d. h. wird echte Elektronik unvorhersehbare Ergebnisse wegen der kumulativen Verzögerungen haben, die durch kleine Schwankungen in den Werten der elektronischen Bestandteile verursacht sind. Bestimmte Stromkreise (wie die synchronizer Zehensandalen, schalten Sie debouncers, Schiedsrichter und ähnlich, die unsynchronisierten Außensignalen erlauben hereinzugehen, gleichzeitige Logikstromkreise) sind in ihrem Design von Natur aus asynchron und muss als solcher analysiert werden.

Bezüglich 2005 sind fast alle Digitalmaschinen gleichzeitige Designs, weil es viel leichter ist, ein gleichzeitiges Design zu schaffen und nachzuprüfen —, hat die Software zurzeit gepflegt, Digitalmaschinen vorzutäuschen, behandelt asynchrone Designs noch nicht. Jedoch, wie man denkt, ist asynchrone Logik höher, wenn es gemacht werden kann zu arbeiten, weil seine Geschwindigkeit durch eine willkürliche Uhr nicht beschränkt wird; statt dessen läuft es an der Höchstgeschwindigkeit seiner Logiktore. Das Gebäude eines asynchronen Stromkreises mit schnelleren Teilen macht den Stromkreis schneller.

Viele Digitalsysteme sind Datenfluss-Maschinen. Diese werden gewöhnlich mit der gleichzeitigen Register-Übertragungslogik, mit Hardware-Beschreibungssprachen wie VHDL oder Verilog entworfen.

In der Register-Übertragungslogik werden Binärzahlen in Gruppen von Flip-Misserfolgen genannt Register versorgt. Die Produktionen jedes Registers sind ein Bündel von Leitungen genannt einen "Bus", der diese Zahl zu anderen Berechnungen trägt. Eine Berechnung ist einfach ein Stück der combinational Logik. Jede Berechnung hat auch einen Produktionsbus, und diese können mit den Eingängen von mehreren Registern verbunden werden. Manchmal wird ein Register einen multiplexer auf seinem Eingang haben, so dass es eine Zahl von irgendwelchen von mehreren Bussen versorgen kann. Wechselweise können die Produktionen von mehreren Sachen mit einem Bus durch Puffer verbunden werden, die die Produktion von allen Geräten außer einem abdrehen können. Eine folgende Zustandmaschine kontrolliert, wenn jedes Register neue Daten von seinem Eingang akzeptiert.

In den 1980er Jahren haben einige Forscher entdeckt, dass fast alle gleichzeitigen Maschinen der Register-Übertragung zu asynchronen Designs durch das Verwenden zuerst im ersten der Synchronisationslogik umgewandelt werden konnten. In diesem Schema wird die Digitalmaschine als eine Reihe von Datenflüssen charakterisiert. In jedem Schritt des Flusses bestimmt ein asynchroner "Synchronisationsstromkreis", wenn die Produktionen dieses Schritts gültig sind, und ein Signal präsentiert, das sagt, "ergreifen Sie die Daten" zu den Stufen, die die Eingänge dieser Bühne verwenden. Es stellt sich heraus, dass gerade einige relativ einfache Synchronisationsstromkreise erforderlich sind.

Die am meisten Mehrzwecklogikmaschine der Register-Übertragung ist ein Computer. Das ist grundsätzlich eine automatische binäre Rechenmaschine. Die Kontrolleinheit eines Computers wird gewöhnlich als ein durch eine Mikroablaufsteuerung geführtes Mikroprogramm entworfen. Ein Mikroprogramm ist viel einer Rolle des automatischen Klaviers ähnlich. Jeder Tabellenzugang oder "Wort" des Mikroprogramms befehlen dem Staat jedes Bit, das den Computer kontrolliert. Die Ablaufsteuerung zählt dann, und die Zählung richtet das Gedächtnis oder die combinational Logikmaschine, die das Mikroprogramm enthält. Die Bit aus dem Mikroprogramm kontrollieren die arithmetische Logikeinheit, das Gedächtnis und die anderen Teile des Computers einschließlich der Mikroablaufsteuerung selbst.

Auf diese Weise wird die komplizierte Aufgabe, die Steuerungen eines Computers zu entwerfen, auf eine einfachere Aufgabe reduziert, eine Sammlung von viel einfacheren Logikmaschinen zu programmieren.

Computerarchitektur ist eine Spezialtechniktätigkeit, die versucht, die Register, Berechnungslogik, Busse und anderen Teile des Computers auf die beste Weise zu einem Zweck einzuordnen. Computerarchitekten haben große Beträge des Einfallsreichtums zum Computerdesign angewandt, um die Kosten zu reduzieren und die Geschwindigkeit und Immunität gegen die Programmierung von Fehlern von Computern zu vergrößern. Ein zunehmend gemeinsames Ziel ist, die Macht zu reduzieren, die in einem batterieangetriebenen Computersystem wie ein Mobiltelefon verwendet ist. Viele Computerarchitekten dienen einer verlängerten Lehre als Mikroprogrammierer.

"Spezialcomputer" sind gewöhnlich ein herkömmlicher Computer mit einem Mikroprogramm des speziellen Zwecks.

Automatisierte Designwerkzeuge

Um kostspielige Technikanstrengung zu sparen, ist viel von der Anstrengung, große Logikmaschinen zu entwerfen, automatisiert worden. Die Computerprogramme werden "elektronische Designautomationswerkzeuge" oder gerade "EDA" genannt.

Einfache mit der Wahrheitstabelle artige Beschreibungen der Logik werden häufig mit EDA optimiert, der automatisch reduzierte Systeme von Logiktoren oder kleineren Nachschlagetabellen erzeugt, die noch die gewünschten Produktionen erzeugen. Das allgemeinste Beispiel dieser Art der Software ist der Espresso heuristische Logik minimizer.

Die meisten praktischen Algorithmen, um große Logiksysteme zu optimieren, verwenden algebraische Manipulationen oder binäre Entscheidungsdiagramme, und dort versprechen Experimente mit genetischen Algorithmen und glühen Optimierungen aus.

Um kostspielige Technikprozesse zu automatisieren, kann ein EDA Zustandtische nehmen, die Zustandmaschinen beschreiben und automatisch eine Wahrheitstabelle oder einen Funktionstisch für die combinational Logik einer Zustandmaschine erzeugen. Der Zustandtisch ist ein Stück des Textes, der jeden Staat zusammen mit den Bedingungen verzeichnet, die Übergänge zwischen ihnen und den gehörenden Produktionssignalen kontrollierend.

Es ist für die Funktionstische solcher computererzeugten Zustandmaschinen üblich, mit der Logikminimierungssoftware wie Miniklotz optimiert zu werden.

Häufig werden echte Logiksysteme als eine Reihe von Subprojekten entworfen, die mit einem "Werkzeug-Fluss verbunden werden." Der Werkzeug-Fluss ist gewöhnlich eine "Schrift", eine vereinfachte Computersprache, die die Softwaredesignwerkzeuge in der richtigen Ordnung anrufen kann.

Werkzeug-Flüsse für große Logiksysteme wie Mikroprozessoren können Tausende von Befehlen lange sein, und die Arbeit von Hunderten von Ingenieuren verbinden.

Das Schreiben und das Beseitigen bei Werkzeug-Flüssen sind eine feststehende Technikspezialisierung in Gesellschaften, die Digitaldesigns erzeugen. Der Werkzeug-Fluss endet gewöhnlich in einer ausführlichen Computerdatei oder Satz von Dateien, die beschreiben, wie man die Logik physisch baut. Häufig besteht es aus Instruktionen, die Transistoren und Leitungen auf einem einheitlichen Stromkreis oder einer gedruckten Leiterplatte zu ziehen.

Teilen von Werkzeug-Flüssen wird durch das Überprüfen der Produktionen der vorgetäuschten Logik gegen erwartete Eingänge "die Fehler beseitigt". Die Testwerkzeuge nehmen Computerdateien mit Sätzen von Eingängen und Produktionen, und heben Diskrepanzen zwischen dem vorgetäuschten Verhalten und dem erwarteten Verhalten hervor.

Einmal die Eingangsdaten wird richtig geglaubt, das Design selbst muss noch für die Genauigkeit nachgeprüft werden. Einige Werkzeug-Flüsse prüfen Designs durch das erste Produzieren eines Designs und dann die Abtastung des Designs nach, um vereinbare Eingangsdaten für den Werkzeug-Fluss zu erzeugen. Wenn die gescannten Daten die Eingangsdaten vergleichen, dann hat der Werkzeug-Fluss wahrscheinlich Fehler nicht eingeführt.

Die funktionellen Überprüfungsdaten werden gewöhnlich "Testvektoren genannt." Die Funktionsprüfungsvektoren können bewahrt und in der Fabrik verwendet werden, um diese kürzlich gebaute Logik Arbeiten richtig zu prüfen. Jedoch entdecken Funktionsprüfungsmuster allgemeine Herstellungsschulden nicht. Produktionstests werden häufig durch Softwarewerkzeuge genannt "Testmuster-Generatoren" entworfen. Diese erzeugen Testvektoren durch das Überprüfen der Struktur der Logik und systematisch das Erzeugen von Tests auf besondere Schulden. Auf diese Weise kann sich der Schuld-Einschluss 100 % nah nähern, vorausgesetzt dass das Design prüfbar richtig gemacht wird (sieh folgende Abteilung).

Sobald ein Design besteht, und nachgeprüft und prüfbar wird, muss es häufig bearbeitet werden, um manufacturable ebenso zu sein. Moderne einheitliche Stromkreise haben kleinere Eigenschaften, als die Wellenlänge des Lichtes gepflegt hat, das Photowiderstehen auszustellen. Software von Manufacturability fügt Einmischungsmuster zu den Aussetzungsmasken hinzu, um offene Stromkreise zu beseitigen, und die Unähnlichkeit der Masken zu erhöhen.

Design für die Testbarkeit

Es gibt mehrere Gründe dafür, einen Logikstromkreis zu prüfen. Wenn der Stromkreis zuerst entwickelt wird, ist es notwendig nachzuprüfen, dass der Designstromkreis den erforderlichen funktionellen und zeitlich festlegenden Spezifizierungen entspricht. Wenn vielfache Kopien eines richtig bestimmten Stromkreises verfertigt werden, ist es notwendig, jede Kopie zu prüfen, um sicherzustellen, dass das Fertigungsverfahren keine Fehler eingeführt hat.

Eine große Logikmaschine (sagen mit mehr als hundert logischen Variablen), kann eine astronomische Zahl von möglichen Staaten haben. Offensichtlich, in der Fabrik, jeden Staat prüfend, ist unpraktisch, wenn die Prüfung jedes Staates eine Mikrosekunde nimmt, und es mehr Staaten gibt als die Zahl von Mikrosekunden, seitdem das Weltall begonnen hat. Leider ist dieser lächerlich klingende Fall typisch.

Glücklich werden große Logikmaschinen fast immer als Bauteile von kleineren Logikmaschinen entworfen. Um Zeit zu sparen, werden die kleineren Submaschinen durch das dauerhaft installierte "Design für den Test" Schaltsystem isoliert, und werden unabhängig geprüft.

Ein allgemeines als "Ansehen-Design bekanntes Testschema" bewegt Testbit serienmäßig (nacheinander) von der Außentestausrüstung bis ein oder mehr als "Ansehen-Ketten bekannte Serienverschiebungsregister". Serienansehen hat nur eine oder zwei Leitungen, um die Daten zu tragen, und die physische Größe und den Aufwand der selten verwendeten Testlogik zu minimieren.

Nachdem alle Testdatenbit im Platz sind, wird das Design wiederkonfiguriert, um in der "normalen Weise" zu sein, und ein oder mehr Uhr-Pulse werden angewandt, um für Schulden zu prüfen (ist z.B niedrig zurückgeschreckt oder ist hoch zurückgeschreckt), und gewinnen Sie das Testergebnis in Zehensandalen und/oder Klinken im Ansehen-Verschiebungsregister (N). Schließlich wird das Ergebnis des Tests zur Block-Grenze ausgewechselt und gegen die vorausgesagte "gute Maschine" Ergebnis verglichen.

In einem Vorstandstestumfeld, Serien-, um Prüfung anzupassen, ist mit einem Standard genannt "JTAG" formalisiert worden (genannt nach "Joint Test Action Group", die es vorgeschlagen hat).

Ein anderes allgemeines Probeschema stellt eine Testweise zur Verfügung, die einen Teil der Logikmaschine zwingt, in einen "Testzyklus einzugehen." Der Testzyklus übt gewöhnlich große unabhängige Teile der Maschine aus.

Umtausche

Mehrere Zahlen bestimmen die Nützlichkeit eines Systems der Digitallogik. Ingenieure haben zahlreiche elektronische Geräte erforscht, um eine ideale Kombination von fanout, Geschwindigkeit, niedrigen Kosten und Zuverlässigkeit zu bekommen.

Die Kosten eines Logiktors sind entscheidend. In den 1930er Jahren wurden die frühsten Digitallogiksysteme von Telefonrelais gebaut, weil diese billig und relativ zuverlässig waren. Danach haben Ingenieure immer die preiswertesten verfügbaren elektronischen Schalter verwendet, die noch die Voraussetzungen erfüllen konnten.

Die frühsten einheitlichen Stromkreise waren ein glücklicher Unfall. Sie wurden gebaut, um Geld nicht zu sparen, aber Gewicht zu sparen, und dem Leitungscomputer von Apollo zu erlauben, ein Trägheitsleitungssystem für ein Raumfahrzeug zu kontrollieren. Die ersten einheitlichen Stromkreis-Logiktore kosten fast 50 $ (1960 Dollar, als ein Ingenieur $ 10,000/Jahr verdient hat). Zu jedermanns Überraschung als wurden die Stromkreise serienmäßig hergestellt, sie waren meist - teure Methode geworden, Digitallogik zu bauen. Verbesserungen in dieser Technologie haben alle nachfolgenden Verbesserungen in Kosten gesteuert.

Mit dem Anstieg von einheitlichen Stromkreisen, die absolute Anzahl von Chips vermindernd, hat verwendet hat eine andere Weise vertreten, Kosten zu sparen. Die Absicht eines Entwerfers ist nicht nur, den einfachsten Stromkreis zu machen, aber die Teilzählung zu unterdrücken. Manchmal läuft das auf ein bisschen mehr komplizierte Designs in Bezug auf die zu Grunde liegende Digitallogik hinaus, aber vermindert dennoch die Anzahl von Bestandteilen, Vorstandsgröße und sogar Macht-Verbrauch.

Zum Beispiel, in einigen Logikfamilien, sind NAND Tore das einfachste Digitaltor, um zu bauen. Alle anderen logischen Operationen können durch NAND Tore durchgeführt werden. Wenn ein Stromkreis bereits ein einzelnes NAND Tor verlangt hat, und ein einzelner Span normalerweise vier NAND Tore getragen hat, dann konnten die restlichen Tore verwendet werden, um andere logische Operationen wie logischer durchzuführen, und. Das konnte das Bedürfnis nach einem getrennten Span beseitigen, der jene verschiedenen Typen von Toren enthält.

Die "Zuverlässigkeit" eines Logiktors beschreibt seine mittlere Zeit zwischen dem Misserfolg (MTBF). Digitalmaschinen haben häufig Millionen von Logiktoren. Außerdem werden die meisten Digitalmaschinen "optimiert", um ihre Kosten zu reduzieren. Das Ergebnis besteht darin, dass häufig der Misserfolg eines einzelnen Logiktors eine Digitalmaschine veranlassen wird aufzuhören zu arbeiten.

Digitalmaschinen sind zuerst nützlich geworden, als der MTBF für einen Schalter über einigen hundert Stunden gekommen ist. Trotzdem hatten viele dieser Maschinen komplizierte, eingespielte Reparatur-Verfahren, und würden seit Stunden nichtfunktionell sein, weil eine Tube verbrannt, oder eine Motte in einem Relais stecken geblieben ist. Moderne transistorisierte einheitliche Stromkreis-Logiktore haben MTBFs größer als 82 Milliarden Stunden (8.2×10) Stunden, und brauchen sie, weil sie so viele Logiktore haben.

Fanout beschreibt, wie viele Logikeingänge von einer einzelnen Logikproduktion kontrolliert werden können, ohne die aktuellen Einschaltquoten des Tors zu überschreiten. Der minimale praktische fanout ist ungefähr fünf. Die moderne elektronische Logik mit CMOS Transistoren für Schalter hat fanouts in der Nähe von fünfzig, und kann manchmal viel höher gehen.

Die "umschaltende Geschwindigkeit" beschreibt, wie oft pro Sekunde sich ein inverter (eine elektronische Darstellung "logisch nicht" fungieren), vom wahren bis falschen und zurück ändern kann. Schnellere Logik kann mehr Operationen in kürzerer Zeit vollbringen. Digitallogik ist zuerst nützlich geworden, als sie über fünfzig Hertz bekommene Geschwindigkeiten geschaltet hat, weil das schneller war als eine Mannschaft von Menschen, die mechanische Rechenmaschinen operieren. Moderne elektronische Digitallogik schaltet alltäglich an fünf Gigahertz (5×10 Hertz), und ein Laborsystemschalter an mehr als einem terahertz (1×10 Hertz) um.

Logikfamilien

Design hat mit Relais angefangen. Relaislogik war relativ billig und zuverlässig, aber langsam. Gelegentlich würde ein mechanischer Misserfolg vorkommen. Fanouts waren normalerweise ungefähr zehn, die durch den Widerstand der Rollen beschränkt sind und auf den Kontakten von Hochspannungen funkend.

Später wurden Vakuumtuben verwendet. Diese waren sehr schnell, aber haben Hitze erzeugt und waren unzuverlässig, weil die Glühfäden ausbrennen würden. Fanouts waren normalerweise fünf bis sieben, der durch die Heizung vom Strom der Tuben beschränkt ist. In den 1950er Jahren wurden spezielle "Computertuben" mit Glühfäden entwickelt, die flüchtige Elemente wie Silikon weggelassen haben. Diese sind für Hunderttausende von Stunden gelaufen.

Die erste Halbleiter-Logikfamilie war Logik des Widerstand-Transistors. Das war eintausendmal zuverlässiger als Tuben, hat Kühler geführt, und hat weniger Macht verwendet, aber hatte einen sehr niedrigen Anhänger - in drei. Logik des Diode-Transistors hat den fanout bis zu ungefähr sieben verbessert, und hat die Macht reduziert. Einige DTL Designs haben zwei Energieversorgung mit Wechselschichten von NPN und PNP Transistoren verwendet, um den fanout zu vergrößern.

Transistor-Transistor-Logik (TTL) war eine große Verbesserung über diese. In frühen Geräten hat fanout, der zu zehn, und spätere Schwankungen zuverlässig verbessert ist, zwanzig erreicht. TTL war auch mit einigen Schwankungen schnell, die umschaltende Zeiten mindestens zwanzig Nanosekunden erreichen. TTL wird noch in einigen Designs verwendet.

Emitter hat sich gepaart Logik ist sehr schnell, aber verwendet viel Macht. Es wurde für Hochleistungscomputer umfassend verwendet, die aus vielen Bestandteilen der mittleren Skala (wie Illiac IV) zusammengesetzt sind.

Bei weitem verwenden die allgemeinsten einheitlichen Digitalstromkreise gebaut heute CMOS Logik, die, hohe Stromkreis-Dichte von Angeboten und niedrige Macht pro Tor schnell ist. Das wird sogar in großen, schnellen Computern, wie IBM System z verwendet.

Neue Entwicklungen

2009 haben Forscher entdeckt, dass memristors eine Boolean-Zustandlagerung durchführen kann (ähnlich einem Flip-Misserfolg, Implikation und logischer Inversion, eine ganze Logikfamilie mit sehr kleinen verfügbaren Flächen und Macht mit vertrauten CMOS Halbleiter-Prozessen versorgend.

Die Entdeckung der Supraleitfähigkeit hat die Entwicklung der Schaltungstechnik des schnellen einzelnen Fluss-Quants (RSFQ) ermöglicht, die Verbindungspunkte von Josephson statt Transistoren verwendet. Am meisten kürzlich werden Versuche gemacht, rein optische Rechensysteme zu bauen, die dazu fähig sind, Digitalinformation mit nichtlinearen optischen Elementen zu bearbeiten.

Siehe auch

• Algebra von Boolean
• Logik von Combinational
• Die Gesetze von De Morgan
• Digitalsignal, das in einer Prozession geht
• Formelle Überprüfung
• Hardware-Beschreibungssprache
• Einheitlicher Stromkreis
• Logikfamilien
• Logiktor
• Logikminimierung
• Logiksimulation
• Logische Anstrengung
• Mikroelektronik
• Das Klingeln
• Claude E. Shannon
• Folgende Logik
• Durchsichtige Klinke
• Unkonventionelle Computerwissenschaft
• R. H. Katz, Zeitgenössisches Logikdesign, Benjamin/Cummings Publishing Company, 1994.
• P. K. Lala, Praktisches Digitallogikdesign und Prüfung, Prentice Hall, 1996.

Links

• Lehren in elektrischen Stromkreisen - Band IV (digitaler)
• MIT Einführung von OpenCourseWare in Digitaldesignklassenmaterialien ("6.004: Berechnungsstrukturen")