Netzwerkpraktikum Station III - Logische Grundschaltungen und deren Zusammenwirken

Letztmalig dran rumgefummelt: 13.11.09 13:33:00

	Das Aufbauen eine logischen Schaltung ist ein hochkomplexer Zusammenhang, bei dem zusätzlich noch Kenntnisse zur verfügbaren Hardware angewandt werden müssen. Außerdem kommen weitere aktive sowie passive elektronische Bauelemente ins Spiel, zu denen ebenfalls mindestens Grundkenntnisse verfügbar sein müssen. Die ersten Digitalcomputer waren nichts weiter, als Kombinationen solcher Einzelbauelemente.
	1. Vorgänger der heutigen Logikschaltungen 2. Absolute Grundschaltung 3. Logische Grundschaltungen und deren Zusammenwirken 4. Technologiefragen - was geht noch? 5. Was ist, wenn wir den Ausgang einer Logik auf den Eingang "zurückschalten"? 6. Baulemente 7. Verwandte Themen
	Informatik Netzwerk-Management Lektion 3 - Logische Grundschaltungen - das Logo inhaltlich auf korrektem Stand - evtl. partiell unvollständig ;-) Wissen für Fortgeschrittene der Informatik Informatik-Profi-Wissen
	Quellen: Lehr- und Übungsbuch Informatik Band 1 - 5 Seite ??? Technische und Theoretische Informatik  Seite ???

1. Vorgänger der heutigen Logikschaltungen

	Hier muss man streng unterscheiden zwischen analog und digital. Noch C. Babbage baute seine erste Rechenmaschine im Analogprinzip auf. Dann kommt da noch einmal die Trennung in mechanisch, elektromechanisch und  elektrisch und elektronisch.
	... und nun ein Blick sehr weit zurück ;-) ... hier kümmert man sich um alte Rechentechnik das Highlight der Analogrechenmaschinen Konrad Zuses Logikbleche Schaltalgebra das ZUSEUM in Bautzen Charles Babbage und die "Analytical Engine" Zusebleche Schaltalgebra
	... und damit nun zum "Computerzeitalter" Relaisschaltungen Elektronenröhren Transistorschaltungen Integrierte Schaltkreise SPS Relais-Schaltungen Röhrenschaltungen Transistorschaltungen Integrierten Schaltkreise Speicherprogrammierbare Steuerungen
	... und seinen Anfängen ZUSES Z1 Colossus gegen Tunny ZUSES Z3 ENIAC MARK I die ZUSE Z1 "Colossus" die ZUSE Z3 EINIAC Mark I

2. Absolute Grundschaltungen

	Streng genommen benötigt man überhaupt nicht diese Bauelemente-Vielzahl mit zusätzlich noch verschiedenen Anzahlen in der Eingangsbelegung. Man kann, ähnlich wie in der Mathematik aus der Addition, alle weiteren logischen Schaltungen aus einer gewählten Grundschaltung "zusammensetzen". Technisch hat man sich in der zwischenzeitlich veralteten TTL-Logik für das NAND und in der moderneren CMOS-Welt für NOR-Gates entschieden.
	TTL-Technologie CMOS-Technologie TTL-Technologie CMOS-Technologie Grundschaltung ist das NAND (technologisch bedingt) Grundschaltung ist systembedingt das logische NOR
	beide Schaltkreisfamilien können auch gemischt miteinander verwendet werden, wobei dann die genutzte Betriebsspannung maximal 5,25 Volt betragen darf

3. Logische Grundschaltungen und deren Zusammenwirken

	Analysieren wir die folgenden Logischen Schaltungen - Grundschaltungen sind  das nicht mehr, denn sie verfügen bereits über Hintereinanderschaltung mehrerer logischer Grundfunktionen. Als Beispiel orientieren wir uns an einem Volladdierer mit Übertragseingang.
	bevor es losgeht, schauen wir uns einmal an, was überhaupt alles geht: Logische Grundschaltungen Schmitt-Trigger
	Experimentalbereich Kanonisch konjunktive oder kanonisch disjunktive Normalform Karnaugh-Tafeln Praktischer Entwurf von Logikschaltungen Kanonische Normalformen Karnaugh-Veitch-Tafeln
	zur Addiererschaltung

4. Technologiefragen - was geht heute noch?

	Grundsätzlich kann man Netzwerke nach zwei Methoden aufbauen: als so genannte Ringe oder als Ketten. Selten nur sind Computer direkt miteinander verbunden - immer häufiger spielen Server hierbei eine entscheidende Rolle
	bis auf einige wenige Grundanwendungen sind die Standardbaureihen 74XX sowie 74LSXX heute verschwunden. Die verbleibenden Bauelemente sind genau in dem Pool angesiedelt, welcher ihre Stärken repräsentiert: hohe Schaltfrequenzen hoher Ausgangsstrom (wenn man denn ca. 10 mA als viel bezeichnen will) relative Unempfindlichkeit (für Ausbildungszwecke doch von großer Bedeutung) Treiber-Bausteine haben auch in anderen Fertigungstechnologien TTL-Endstufen, da ausschließlich diese Technologie Strom verfügbar machen kann.
	die CMOS-Baureihe hat sich bis heute grundsätzlich erhalten und jedwede höhere Rechnerorganisation bzw. deren Chips werden heute in CMOS-Technologie ausgeführt großer Betriebsspannungsbereich (3 V bis 15 V) bei 5 V Betriebsspannung mit LS-TTL kompatibel (1 Ausgangslast; Pegelanpassung am Eingang von LS her mit Pull-up-Widerstand) extrem hoher Eingangswiderstand im Betriebsspannungsbereich kleine Eingangskapazität (typisch unter 7,5 pF) von den Eingangsbelegungen nahezu unabhängige Ausgangsimpedanz mit der Betriebsspannung steigende Schaltgeschwindigkeit bei niedrigen Schaltfrequenzen extrem kleiner Eigenleistungsbedarf (Mikrowattbereich), sofern exakte Eingangspegel eingehalten werden fast ideale Übertragungskennlinie große Störsicherheit (etwa 50 % der Betriebsspannung) hoher Lastfaktor innerhalb der eigenen Familie, vorwiegend durch CL max = 5 nF
	Mikroelektronik Technologievergleich LS-Baureihe Standard-TTL CMOS-Technologie Mikroelektronik Schalteverhalten und Fertigungstechnologien Low-Power-Schottky-TTL-Technologie   TTL-Technologie CMOS-Technologie

5. Was geschieht, wenn wir die Ausgänge logischer Schaltungen auf den Eingang zurückführen?

	... das ist eine gute Frage - ab hier sprechen wir nämlich von Schaltungen mit Rückkopplung und eine ihrer wesentlichen Eigenschaften besteht darin, dass sie keinen stabilen Anfangszustand mehr besitzen und einige Eingangskombinationen undefinierte Ausgangszustände hervorrufen können.
	... nun: in Profi-Lab geht das schon mal nicht, weil solche Schaltungen eben nicht mehr unbedingt logisch reagieren und die Software dann nicht mehr weiß, was sie machen soll. In der Praxis geht das sehr wohl - das Gate fängt mit maximaler Eigenfrequenz an zu schwingen!

6. Baulemente

Bei den verfügbaren Bauelementen für logische Anordnungen greifen wir hier nun schon einmal die gesamte Technologie-Palette ab - zwischenzeitlich sind die Hersteller aber von der Produktion absoluter "Spezialisten" abgegangen, da in der Industrie Mikrocontroller in Größenordnungen den Markt der Logik erobern.

Typ Äquivalente DDR-Typen (PIN-gleich!!!) TTL-Äquivalent (nicht PIN-gleich!!!) RU-Äquivalente Funktionsbeschreibung Ausgang PINS 7400 7403 D100 4011 K155LA3 Vier mal 2-Eingangs-NAND TP 14 7401     4011 K155LA8 Vier mal 2-Eingangs-NAND OC 14 7403   D103 4011 K155LA9 Vier mal 2-Eingangs-NAND OC 14 7404 7406; 7405 D104 4009 K155LN1 Sechs-fach-NEGATOR TP 14 7408 D108 4081 K155LI1 Vier mal 2-Eingangs-AND TP 14 7411       K155LI3 Drei mal 3-Eingangs-AND TP 14 7414 7419     K155TL2 Sechs-fach-NEGATOR (Schmitt-Trigger) TP 14 7420 7440; 7422   4012 K155LA1 Zwei mal 4-Eingangs-NAND TP 14 7421     K155LI6 Zwei mal 4-Eingangs-AND TP 14 7425     4025 K155LE3 Zwei mal 4-Eingangs-NOR mit Strobe TP 14 7427       K155LE4 Drei mal 3-Eingangs-NOR TP 14 7430   4068 K155LA2 Ein mal 8-Eingangs-NAND TP 14 7432     4071 K155LL1 Vier mal 2-Eingangs-OR TP 14 7437 7400     K155LA12 Vier mal 2-Eingangs-NAND/TREIBER TP 14 7450   4085/4086 K155LR1 Zwei mal Zwei-Eingangs-AND/NOR (mit EXPANDER-eingang) TP 14 7451       K155LR11 Zwei mal Zwei-Eingangs-AND/NOR (mit EXPANDER-eingang) TP 14 7452         2/2/2/3-Eingangs-AND/OR (mit EXPANDER-eingang) TP 14 7453       K155LR3 2/2/2/2-Eingangs-AND/NOR (mit EXPANDER-eingang) TP 14 7454       K155LR3 2/2/2/2-Eingangs-AND/NOR TP 14 7455       K155LR4 4/4-Eingangs-AND/NOR (mit EXPANDER-eingang) TP 14 7486     4063 K155LP5 Vier 2-Eingangs-EXLUSIV-OR TP 14 4000 4011 V4000 7427 K561LP4 Zwei mal 3-Eingangs-NOR und ein NEGATOR TP 14 4001   V4001 7402 K561LE5 Vier mal 2-Eingangs-NOR TP 14 4002   V4002   K561IR9 Zwei mal 4-Eingangs-NOR TP 14 4007   V4007   K561LP9 NEGATOR und 2 Komplementärtransistoren TP 14 4009   V4009 7406;  K561LI2 Sechs Treiber mit Negation TP 16 4011 4081 + 4009 V4011 7400 K561LA7 Vier mal 2-Eingangs-NAND TP 14 4012 4082 + 4009 V4012 7420; 7440; 7422 K561LA10 Zwei mal 4-Eingangs-NAND TP 14 4023   V4023 7410 K561LE2 Drei mal 3-Eingangs-NAND TP 14 4025   V4025 7427 K561LE3 Drei mal 3-Eingangs-NOR TP 14 4030 V4030 7486 K561LA2 Vier 2-Eingangs-EXLUSIV-OR TP 14 4037   V4037 zwei mal 7458 K561LA12 Drei-AND/OR TP 14 4049 4069 V4049 7404 K561PP4 Sechs NEGATOREN /TREIBER zur Pegelumsetzung TP 16 4048   V4048     Acht-Eingangsgatter mit wählbarer Funktion TP 16 4068   V4068 7430   Ein mal 8-Eingangs-NAND TP 14 4069 4049 V4069 7404   Sechs NEGATOREN  TP 14 4070   V4070 7486   Vier 2-Eingangs-EXLUSIV-OR TP 14 4071 4072 V4071 7432   Vier mal 2-Eingangs-OR TP 14 4072 4071 V4072 7425 + 7404 K561TW1 Zwei mal 4-Eingangs-OR TP 14 4073   V4073 7411   Drei mal 3-Eingangs-AND TP 14 4075   V4075 7427 + 7404 K561TM7 Drei mal 3-Eingangs-OR TP 14 4077 4070 + 4049 V4077   K561TM5 Vier 2-Eingangs-EXLUSIV-NOR TP 14 4078 7472; 7476 V4078   K561TW14 8-Eingangs-NOR TP 14 4081 4011 + 4049 V4081   K561RU1 Vier mal 2-Eingangs-AND TP 14 4082 4012 + 4049 V4082   K561IM2 Zwei mal 2-Eingangs-AND TP 14 4085   V4085   K561SP1 2/2-Eingangs-AND/1-Eingangs-NOR TP 16 4086   V4086   K561LP5 2/22/2-Eingangs-AND/1-Eingangs-NOR   14 4093   V4093   K561IE5 Vier mal 2-Eingangs-NAND/Schmitt-Trigger  (Hysterese-Eingänge) TP 14

7. Verwandte Themen

Grundsätzlich kann man Netzwerke nach zwei Methoden aufbauen: als so genannte Ringe oder als Ketten. Selten nur sind Computer direkt miteinander verbunden - immer häufiger spielen Server hierbei eine entscheidende Rolle

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© Frank Rost am 14. Oktober 2009