This undergraduate lecture introduces the fundamentals of the design of digital circuits. Topics include Boolean algebra, combinatorial circuits, arithmetic circuits, flip flops, sequential circuits, memory systems, and computer architecture basics. The lecture is held in German in the winter term, primarily for the Bachelor program “Informationstechnik“. An English version of this lecture is offered for the study program “Robotics and Artificial Intelligence” in the summer term.

Ziele und Methodik

Die Lehrveranstaltung Entwurf digitaler Schaltungen erklärt wichtige Grundkenntnisse und Begriffe zu digitalen Systemen und vermittelt Methoden zur Analyse und zum Entwurf digitaler Schaltungen. Sie ist Teil der Studieneingangs- und Orientierungsphase (STEOP) des Bachelorstudiums Informationstechnik und soll daher im ersten Semester absolviert werden. Diese Lehrveranstaltung findet im Winter- und Sommersemester mit wöchentlichen, 90-minütigen Vorlesungen statt. Die genaue Terminplanung entnehmen Sie bitte dem Campus-System der Universität.

Die Vorlesung ist in folgende 11 Kapitel gegliedert:

1. Einführung in digitale Systeme
2. Zahlendarstellung und Kodes
3. Boolesche Algebra
4. Kombinatorische Schaltungen (Schaltnetze)
5. Schaltnetzminimierung
6. Standardschaltnetze
7. Arithmetische Schaltungen
8. Sequentielle Schaltungen (Schaltwerke)
9. Standardschaltwerke
10. Speicher
11. Mikroprozessor-Grundlagen

Der Aufbau der Vorlesung folgt dabei einem “bottom-up Entwurfsprinzip”, bei dem komplexere Schaltungen mit Hilfe einfacherer (und bereits bekannter) Komponenten realisiert werden. Besonderer Wert wird dabei auf die Vermittlung von Methoden zur Modellierung und zum Entwurf von digitalen Schaltungen gelegt. Die behandelten Methoden stammen im Wesentlichen aus den Bereichen der Zahlensysteme, Logik, Mengenlehre, Algebra und Automatentheorie und werden entsprechend eingeführt. Als wesentliches Lehrziel sollen Studierende nach erfolgreicher Absolvierung der Vorlesung in der Lage sein, den Aufbau und die Funktionsweise eines einfachen Prozessors erklären zu können und die dazu erforderlichen Komponenten (Schaltnetze und Schaltwerke) analysieren bzw. entwerfen zu können.

Ein eigener zweistündiger Kurs (KU) und ein studentisches Tutorial (TU) ergänzen die Vorlesung und bieten Gelegenheit zur Vertiefung der in der Vorlesung behandelten Methoden. Weiters werden im Kurs einfache digitale Schaltungen mit Hilfe der Simulationsumgebung Logisim entworfen und ihre Funktionsweise analysiert. Die Installation und Benutzung der Simulationsumgebung wird im Kurs besprochen.

Unterlagen

Die Lehrgangsunterlagen auf dieser Website sind passwortgeschützt und beinhalten den Foliensatz und Übungsblätter für das Selbststudium. Sie erhalten den Zugangscode zu Beginn der Lehrveranstaltung vom Vortragenden. Lösungen der Übungsblätter werden nicht überprüft. Im Zuge der Vorlesung werden ausgewählte Beispiele besprochen. Videos erklären die Funktionsweise ausgewählter digitaler Schaltungen mit Hilfe der Simulationsumgebung Logisim.

Tipp: Arbeiten Sie die Beispiele der Übungsblätter – einzeln oder in einer Lerngruppe – fortlaufend während des Semesters aus. Damit festigen Sie Ihr Wissen und bereiten sich gut für die Prüfung vor.

Dirk W. Hoffmann. Grundlagen der Technischen Informatik (Hanser) dient als Lehrbuch. Einige Exemplare sind in der Bibliothek verfügbar.

Grundlegende Informationen (PDF) zur Organisation und zum Ablauf der Lehrveranstaltung.

Prüfung

Die Prüfung erfolgt schriftlich (90 Minuten). Es werden vier Prüfungstermine im Studienjahr angeboten.

• Beispielprüfung (PDF)
• Für den in Kapitel 11 behandelten Modellprozessor wird folgende Beilage (PDF) zur Verfügung gestellt. Weitere Unterlagen sind nicht erlaubt.

Inhalt

1. Einführung

Geschichtliche Entwicklung des Computers; Einführung von digitalen Schaltungen

• Folien Kapitel 1 (PDF)
• Übungsblatt 1 (PDF)

Eine Serie von Beiträgen zu wichtigen Entwicklungen der Computertechnologie der letzten 75 Jahre (aus der englischsprchigen Zeitschrift “Computer”):

Kshetri, Voas, Sharma. Computing and Socioeconomic Transformations. Computer, 54(2):26-29, 2021.

Kshetri, Voas. Major Computing Technologies of the Past 75 Years. Computer, 54(5):15-21, 2021.

Das bekannte Wissenschaftsmagazin Science hat eine Sonderausgabe zum 75-Jahr-Jubiläum der Erfindung des Transistors veröffentlicht. Darin gibt es auch ein kritisches Editorial zu William Shockley, der gemeinsam mit John Bardeen und Walter Brattain 1956 den Nobelpreis in Physik für diese Erfindung erhalten hat.

2. Zahlensysteme und Kodes

Zahlendarstellung; Kodes und Kodierung; binäre Arithmetik

• Folien Kapitel 2 (PDF)
• Übungsblatt 2 (PDF)

3. Boolesche Algebra

Schaltkreise und Wahrheitstabellen; Boolesche Algebra; Normalformen

• Folien Kapitel 3 (PDF)
• Übungsblatt 3 (PDF)

4. Schaltnetze (Kombinatorische Logik)

Logikgatter; Schaltungssynthese; Zeitverhalten

• Folien Kapitel 4 (PDF)
• Übungsblatt 4 (PDF)

5. Schaltnetzminimierung

• Folien Kapitel 5 (PDF)
• Übungsblatt 5 (PDF)

 6. Standardschaltnetze

• Folien Kapitel 6 (PDF)
• Übungsblatt 6 (PDF)

 7. Arithmetische Schaltungen

• Folien Kapitel 7 (PDF)
• Übungsblatt 7 (PDF)

 8. Sequentielle Schaltungen (Schaltwerke)

• Folien Kapitel 8 (PDF)
• Übungsblatt 8 (PDF)

 9. Standardschaltwerke

• Folien Kapitel 9 (PDF)
• Übungsblatt 9 (PDF)

 10. Speicher

• Folien Kapitel 10 (PDF)
• Übungsblatt 10 (PDF)

 11. Mikroprozessor-Grundlagen

• Folien Kapitel 11 (PDF)
• Übungsblatt 11 (PDF)