Digitaltechnik bestimmt unser tägliches Leben. Verwenden wir einen Laptop oder ein Fernsehgerät, so dürfte uns klar sein, dass in diesen digitale Systeme arbeiten. Aber auch in Autos, Uhren, Heizungen oder Kameras kommt Digitaltechnik in Form sogenannter "eingebetteter Systeme" zum Einsatz Durch die Vernetzung von Maschinen in der Industrie ermöglicht die Digitaltechnik die vierte industrielle Revolution, die unter dem Schlagwort Industrie 4.0 jedem bekannt sein dürfte. Der Vorzug der Digitaltechnik im Vergleich zu analogen Systemen liegt dabei in der Möglichkeit, sehr komplexe Systeme auf kleinstem Raum umzusetzen, indem man sich auf zwei Signalzustände beschränkt, welche in logischen Schaltungen – sogenannten Gattern - ohne Fehlerfortpflanzung übertragen und weiterverarbeitet werden können
.
Diese Arbeit befasst sich mit einigen der grundlegendsten Komponenten der Digitaltechnik: den integrierten Schaltungen. Hierbei handelt es sich um die Integration vieler elektronischer Bauteile zu einem System. Digitale, integrierte Schaltungen werden an den Beispielen von Application Specific Integrated Circuit (ASSP), Application Specific Standard Product (ASIC), Field Programmable Gate Array (FPGA) sowie Mikrocontrollern erläutert. Dabei ist es das Ziel, die Funktionsweisen der unterschiedlichen Schaltungen zu beschreiben und miteinander zu vergleichen. Zu diesem Zweck sollen insbesondere auch auf die Vor- und Nachteile der einzelnen Systeme beschrieben und typische Anwendungsgebiete aufgezeigt werden.
Diese Arbeit beginnt mit einer Einführung in die Digitaltechnik als Basis für die weiteren Ausführungen. In diesem Zusammenhang werden die Grundlagen der Digitaltechnik, Logikgatter, Flip-Flops, Transistoren sowie Grundlagen zu den integrierten Schaltungen erläutert. Aufbauend auf dieser Einführung werden in Kapitel 3 die integrierten Schaltungen ASIC, ASSP, FPGA sowie Mikrocontroller ausführlich beschrieben. Kapitel 4 vergleicht die einzelnen Schaltungen miteinander und geht in diesem Zusammenhang auch auf die unterschiedlichen Anwendungsbereiche der einzelnen Systeme ein. Kapitel 5 schließt diese Arbeit mit einer Zusammenfassung ab.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Hintergrund und Motivation
1.2 Aufbau der Arbeit
2 Digitale Systeme
2.1 Einführung
2.2 Flip-Flops
2.3 Transistoren
2.4 Integrierte Schaltungen
3 Realisierung digitaler Systeme durch integrierte Schaltungen
3.1 ASIC
3.2 ASSP
3.3 FPGA
3.4 Mikrocontroller
4 Vergleich der unterschiedlichen Systeme
5 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Hausarbeit untersucht verschiedene Techniken zur Realisierung digitaler Systeme, insbesondere unter Berücksichtigung von ASICs, ASSPs, FPGAs und Mikrocontrollern. Das Ziel besteht darin, die Funktionsweisen dieser Schaltungen zu analysieren, deren Vor- und Nachteile gegenüberzustellen sowie geeignete Anwendungsgebiete für die jeweilige Technik aufzuzeigen.
- Grundlagen der Digitaltechnik (Logikgatter, Flip-Flops, Transistoren)
- Technologische Merkmale von ASIC, ASSP, FPGA und Mikrocontrollern
- Wirtschaftliche Betrachtung bei der Auswahl von Schaltungstechnologien
- Einfluss von Stückzahlen und individuellen Anforderungen auf das Design
Auszug aus dem Buch
3.1 ASIC
ASIC steht für „Application Specific Integrated Circuit“. Das benötigte digitale System wird also anwendungsspezifisch aus seinen logischen Grundelementen erstellt (Gehrke et al., 2016, S. 210). Hierfür steht eine elektronische Standardbibliothek mit den einzelnen Logik-Gattern zur Verfügung, die mit einer Hardwarebeschreibungssprache – wie z.B. VHDL – zu einem komplexen System miteinander verbunden werden können. Auf Basis der VHDL-Beschreibung werden im Zuge der darauf folgenden Synthese die optimalen Grundelemente und deren Verbindung eruiert, sodass das gewünschte digitale System auf einer möglichst kleinen Oberfläche realisiert werden kann sowie weitere Parameter – wie z.B. definierte maximale Verzögerungszeiten oder Verlustleistungen – eingehalten werden können (ebenda).
Es können Halbkunden-Schaltkreise mit bereits vorgefertigter Struktur und lediglich kundenindividueller Verbindung und Vollkunden-Schaltkreise mit individueller Struktur und individueller Verbindung unterscheiden werden (Busch, 2015, S. 301). Den individuellen Gestaltungsmöglichkeiten stehen hohe Produktions-Grundkosten gegenüber – so kann die Vorbereitung der Produktion einer ASIC-Schaltung mehrere Millionen Euro kosten (Gehrke et al., 2016, S. 211). Es wird deutlich, dass diese Gestaltungsform eines digitalen Systems nur bei sehr hohen Stückzahlen wirtschaftlich sinnvoll ist.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Dieses Kapitel motiviert die Bedeutung der Digitaltechnik im Alltag und Industrie 4.0 und erläutert den strukturellen Aufbau der Hausarbeit.
2 Digitale Systeme: Hier werden grundlegende Komponenten wie Logikgatter, Flip-Flops und Transistoren sowie die allgemeinen Vorteile integrierter Schaltungen behandelt.
3 Realisierung digitaler Systeme durch integrierte Schaltungen: Das Hauptkapitel beschreibt detailliert die technologischen Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten von ASIC, ASSP, FPGA und Mikrocontrollern.
4 Vergleich der unterschiedlichen Systeme: Dieses Kapitel analysiert die Schaltungen unter wirtschaftlichen Aspekten, insbesondere hinsichtlich Stückzahlen, Entwicklungskosten und Flexibilität.
5 Zusammenfassung: Die Arbeit schließt mit einer Rekapitulation der behandelten Systeme und der Erkenntnis, dass die Wahl der Technik von spezifischen Anforderungs- und Stückzahlkriterien abhängt.
Schlüsselwörter
Digitaltechnik, Integrierte Schaltungen, ASIC, ASSP, FPGA, Mikrocontroller, Logikgatter, Flip-Flops, Transistoren, Hardwarebeschreibungssprache, Produktionskosten, Stückzahlen, System-on-Chip, Halbleiterchip, Industrie 4.0
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Hausarbeit befasst sich mit der Realisierung digitaler Systeme mittels unterschiedlicher Schaltungstechnologien und vergleicht diese hinsichtlich ihrer Eigenschaften.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die theoretischen Grundlagen der Digitaltechnik sowie die detaillierte Vorstellung und der Vergleich von ASIC, ASSP, FPGA und Mikrocontrollern.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, Vor- und Nachteile dieser Techniken herauszuarbeiten und zu bestimmen, für welche Anwendungsbereiche die jeweilige Technik am besten geeignet ist.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer fundierten Literaturrecherche und der systematischen Analyse technischer Grundlagen sowie ökonomischer Rahmenbedingungen bei der Schaltungsauswahl.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert die Funktionsweise der verschiedenen integrierten Schaltungen und betrachtet deren spezifische Vor- und Nachteile im Vergleich.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Digitaltechnik, ASIC, ASSP, FPGA, Mikrocontroller sowie die Faktoren Kosten und Stückzahlen.
Wann ist der Einsatz eines ASIC wirtschaftlich sinnvoll?
Aufgrund der hohen initialen Produktionskosten ist der Einsatz eines ASICs primär bei sehr hohen Stückzahlen (typischerweise ab 10.000 bis 100.000 Einheiten) wirtschaftlich attraktiv.
Was unterscheidet den FPGA von einem ASIC?
Im Gegensatz zum ASIC, dessen Funktionen im Vorfeld fest definiert sind, bietet der FPGA eine flexible, nachträgliche Programmierbarkeit der logischen Funktionen, was ihn für Kleinserien geeigneter macht.
Welche Rolle spielt die Software bei Mikrocontrollern?
Bei Mikrocontrollern übernimmt die Software die Steuerung der logischen Funktionen, da die Hardware eine universelle Basis bietet und nicht verdrahtungsseitig festgelegt ist.
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- Arne Fröning (Author), 2022, Realisierung digitaler Systeme. Vor- und Nachteile verschiedener Techniken und ihre geeignete Anwendung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1244924
