Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

A kötelező előtanulmányi rend az adott szak honlapján és képzési programjában található.

A tárgy rendeltetése, hogy egyszerű példákon keresztül megadja mindazokat az alapfogalmi és rendszertechnikai alapismereteket, amelyek a digitális berendezések logikai tervezési szintjén szükségesek. A tervezői szemlélet kialakítása érdekében az előadásokon és gyakorlatokon az elméleti ismereteket gyakorlati példákkal illusztráljuk. A megszerzett gyakorlati ismereteket a hallgatók vezetett laborgyakorlatokon próbálják ki.

A tárgy keretében a hallgatók: 

• megismerik a digitális integrált áramköri építőelemek főbb típusait felhasználói szinten, 
• elsajátítják a kombinációs és sorrendi hálózatok tervezési lépéseit,  
• készséget szereznek a hazárdjelenségek felismerésében és kiküszöbölésében,
• A megszerzett ismeretekkel és készségekkel a hallgatók képesek lesznek a villamosmérnöki gyakorlatban felmerülő bármely logikai tervezési alapfeladat megoldására a feladat megfogalmazásából kiindulva.

A logikai feladat és a logikai tervezés fogalma. Az analóg és digitális jelfeldolgozás lényege és összehasonlításuk. A logikai rendszer, mint a digitális eszközök elvi absztrakciója. A Boole-algebra alkalmazása a működés leírására. Számábrázolási módok és az aritmetikai műveletekre gyakorolt hatásuk.

A kombinációs és a sorrendi logikai rendszerek ill. hálózatok lényege, a működés modellje és az alapvető leképezések tulajdonságai. A kombinációs rendszerek leírása igazságtáblával, logikai függvény fogalmának bevezetése, diszjunktív és konjunktív normálalakok felírása az igazságtábla alapján.

Elemi kombinációs hálózatok, kapuk, építőelemek működésének leírása logikai függvényekkel. Az elvi logikai rajz és a kapcsolási terv bemutatása. A legegyszerűbb kétszintű felépítés és a logikai függvények minimalizálásának kapcsolata. A diszjunktív és konjunktív, valamint az algebrai minimálalakok fogalma.

A Verilog hardver leíró nyelv alapfogalmainak és használatának összefoglalása.

Logikai függvények grafikus minimalizálása Karnaugh-tábla segítségével. A prímimplikáns fogalma. A diszjunktív és a konjunktív minimálalakok felírása a Karnaugh-táblából közvetlenül. Megkülönböztetett mintermek és lényeges prímimplikánsok bemutatása.

Az optimális lefedés szükségességének bemutatása. Az optimális lefedés algoritmusa logikai segédfüggvény felírása révén (Petrick-módszer). A közömbös (don’t care) értékek kezelése. Többkimenetű kombinációs hálózatok minimalizálásának alapgondolata.

A szimmetrikus logikai függvények tulajdonságainak bemutatása. A minimalizálás nehézségeinek és néhány gyakorlati megoldásnak a szemléltetése. Kanonikus szimmetrikus függvények.

A kombinációs rendszerek tranziens viselkedése. A jelkésleltetések okai és összetevői. Statikus, dinamikus és funkcionális hazárdjelenségek és kiküszöbölési módjaik. A legegyszerűbb kétszintű hazárdmentes felépítés tervezése.

Többszintű kombinációs hálózatok esetén a tervezés nehézségeinek bemutatása. Adott funkciójú építőelem alkalmazástechnikája.

A sorrendi rendszerek csoportosítása működési elv (aszinkron, szinkron) és modell (Mealy és Moore) szerint. A sorrendi leképezések leírása állapottábla és állapotgráf segítségével. A működés kiolvasása az állapottáblából adott bemeneti kombináció sorozat esetén. Az elemi sorrendi hálózatok (flip-flopok) jellemzése állapottáblával és állapotgráffal. A karakterisztikus egyenletek képzése SR, JK, T, DG és D flip-flop esetén. Adott flip-flop felépítése más típusú flip-flop felhasználásával. A vezérlési tábla kitöltésének módszere. A szinkronizációs feltételek biztosításához szükséges követelmények.

A szinkron sorrendi hálózatok tervezési lépéseinek bemutatása a soros összeadó példáján (állapotok definíciója előzetes, összevont és kódolt állapot tábla, vezérlési tábla). A vezérlő kombinációs hálózat egyenleteinek felírása. Moore-modell tervezése. Szinkron sorrendi hálózatok állapotkódolásának hatása a kombinációs rész bonyolultságára.

Az aszinkron sorrendi hálózatok tervezési lépéseinek és hazárdjelenségeinek (metastabil állapot, gerjedés, kritikus versenyhelyzet, lényeges hazárd) bemutatása a D flip-flopot megvalósító aszinkron hálózat példáján.

Az órajel-elcsúszás (rendszer hazárd) jelenségének bemutatása szinkron hálózatokban egyszerű elvezérelt D flip-flipok alkalmazása esetén. A master-slave működésű flip-flop bemutatása. Az órajel-elcsúszás hatásának kiküszöbölése céljából szükséges data-lock-out működésű flip-flop bemutatása és felépítése két egyszerű élvezérelt flip-flop felhasználásával.

Állapotösszevonási eljárás teljesen határozott állapottábla esetén. Az állapotekvivalencia tulajdonságai, az ekvivalencia tábla (lépcsős tábla) kitöltése és kifejtési algoritmusa. A maximális ekvivalencia osztályok alapján a minimális számú állapottal rendelkező összevont állapottábla képzése.

Állapotösszevonási eljárás nem teljesen határozott állapot tábla esetén. Az állapotkompatibilitás tulajdonságai. A maximális kompatibilitási osztályok alapján az optimális zárt lefedés keresése. A minimális számú állapottal rendelkező összevont állapot tábla szisztematikus meghatározhatóságának elvi akadályai.

A sorrendi hallózatok analízisének lépései, a szinkron flip-flopként való értelmezhetőség vizsgálata.

Multiplexerek, demultiplexerek, kódolók átkódolók, komparátorok, funkcionális leírása és alkalmazásuk kombinációs hálózatok megvalósítására.

Számlálók, léptető regiszterek főbb típusai és funkciói.

A laboratóriumi mérések tematikája:

1. mérés. - Kombinációs hálózatok vizsgálata.

Egy megvalósított kombinációs hálózat igazságtáblázatának meghatározása.

Kombinációs hálózat tervezése és megépítése szöveges specifikáció alapján.

Kombinációs hálózatok hazárdjelenségeinek demonstrálása.

 2. mérés. - Sorrendi hálózatok vizsgálata 1.

Mealy és Moore modell szerint megvalósított sorrendi hálózat működésének vizsgálata.

Flip-flop megvalósítása másik flip-flop, mint építőelem felhasználásával.

3. mérés. - Sorrendi hálózatok vizsgálata 2.

Kritikus versenyhelyzet és lényeges hazárd vizsgálata megvalósított aszinkron sorrendi hálózaton.

Órajel elcsúszás vizsgálata megvalósított szinkron sorrendi hálózaton.

Egyszerű szinkron sorrendi hálózat tervezése és megvalósítása. 

Heti 3 óra előadás és kéthetenként 2 óra gyakorlat tanulókörönkénti szervezésben valamint 1 óra laboratórium (3x4 óra + pótmérés)

Az előadások és gyakorlatok látogatása kötelező. Az előadásokon a jelenlétet azok kezdetén és végén is a félév folyamán minden alkalommal ellenőrizzük, aláírást nem kaphat az a hallgató, aki ezek alapján az alkalmak több, mint 30%-áról hiányzott (a viszonyítási alap a ténylegesen megtartott előadások száma).

a. A szorgalmi időszakban:

Kis házi feladatok elkészítése és beadása rendszeres időközökkel.

Az aláírás megszerzéséhez szükséges a házi feladattal elérhető pontok 60%-ának megszerzése, az előadásokon való megfelelő számú részvétel és a laborgyakorlatok teljesítése.

b. A vizsgaidőszakban:

A vizsga írásbeli. A vizsgán elérhető maximális pontszám 60, ebből 20 a belépő rész és 40 pont a nagyfeladatok megoldásával szerezhető meg. Az elégséges osztályzathoz a belépő kérdésekből legalább 12 pontot, a vizsgán összesen legalább 24 pontot kell elérni. A legalább elégséges eredményt elért hallgatóknál a vizsgán elért eredményhez hozzáadjuk a házi feladatokra kapott plusz pontokat. A vizsgajegy az így kapott összpontszám alapján a következő táblázat szerint kerül megállapításra:

• ha p≥51, jeles
• ha p≥42, jó
• ha p≥33, közepes
• ha p≥24, elégséges
• ellenkező esetben, elégtelen

A házi feladatok elkészítése során elért pontok (hfp) alapján a vizsgán az alábbi képlet alapján határozzuk meg a vizsgán hozzáadott pontok számát (vp):

• ha hfp < 20, vp = 0
• ha hfp = 2n, vp = (hfp - 20) / 2
• ha hfp = 2n+1, vp = (hfp - 19) / 2

A kreditpont megszerzésének feltétele legalább elégséges vizsgaosztályzat elérése.

c. Elővizsga: nincs

Minden egyéb kérdésében a TVSZ rendelkezései irányadók.

A laborok közül egy a pótlási héten pótolható.

A vizsgaidőszakban a vizsgák előtti napon, a Neptun-rendszerben meghirdetett időpontokban.

Kötelező:

Dr. Arató Péter: Logikai rendszerek tervezése - Egyetemi tankönyv, Tankönyvkiadó, 1984.
Horváth Tamás – Pilászy György: Digitális technikai alapmérések, BME Viking Zrt, 2011, VI205010

Ajánlott:

Dr. Gál Tibor: Digitális rendszerek I-II. Egyetemi jegyzet (J5-1429)
Dr. Selényi Endre - Benesóczky Zoltán: Digitális technika - Példatár, BME, Budapest, 1991
M. Morris Mano, Charles R. Kime: Logic and Computer Design Fundamentals, Prentice Hall, 2001, ISBN 0-13-031486-2
John F. Wakerly: Digital Design, Prentice Hall, 2001, ISBN 0-13-089896-1

A programban résztvevő hallgatóknak szeparált gyakorlatot és laboratóriumi foglalkozást tartunk. A gyakorlatok és a laboratóriumi foglalkozások anyaga a törzsanyag szempontjából nem tér el a programban nem résztvevő hallgatókétól. Az eltérések az alábbiakban foglalhatók össze:

• gyakorlatok: alapszintű feladatokkal nem, vagy csak röviden foglalkozunk. A hallgatók több, ill. nagyobb mérnöki gondolkodást igénylő feladatot kapnak.
• laboratórium: A hallgatók több egyéni tervezési feladat megoldására kapnak lehetőséget.

IMSc pontokat a hallgatók csak a vizsgán szerezhetnek. A pontszerzés lehetősége mindegyik vizsgán adott. A pontszerzés feltételei:

• A tárgy követelményeinek teljesítése során összesen 25 IMSc pont (IP) szerezhető.
• Az IMSc pontokért a vizsgán 18 extra pont (XP) szerezhető, amelyekért külön feladatokat kell megoldani.
• Az IP-ok miatt kiírt extra feladatokért szerzett pontok az érdemjegyet nem befolyásolják.
• IP abban az esetben szerezhető, ha a hallgató a vizsgán jeles osztályzatot ért el.

A megszerzett IP-ok számítása az alábbiak alapján történik:

Ha XP < 12, IP = XP
Ha XP >= 12, IP = 2*XP - 11

Az IMSc pontok megszerzése a programban nem résztvevő hallgatók számára is biztosított.