Lehrbuch Digitaltechnik - Eine Einführung mit VHDL.

1 Einleitung (S. 1)

Warum schon wieder ein neues Lehrbuch zur Digitaltechnik? Diese Frage wurde mir zu Beginn des Buchprojektes einige Male gestellt. Die daraus resultierenden Gespräche mit Kollegen haben deutlich zu Tage gebracht, dass vielfältige Gründe für ein neues Buchkonzept vorliegen, die ich im Folgenden skizzieren werde.

Obwohl die Grundlagen der Digitaltechnik im letzten Jahrzehnt weitgehend unverändert blieben, so haben sich die Vorlesungs- und Praktikumsinhalte in diesem Fach an den Hochschulen in den letzten Jahren doch erheblich verändert. Dies liegt an neuen Methoden, die sich beim Entwurf digitaler Schaltungen und Systeme weitgehend durchgesetzt haben.

Eine digitale Schaltung wird nur noch im Ausnahmefall mit diskreten Logikbausteinen aufgebaut und deren Funktion auf einer Platine nachträglich überprüft. Die stark gestiegenen Anforderungen an die Komplexität digitaler Systeme, zusammen mit den Anforderungen eines geringen Platzbedarfs und niedriger Stromaufnahme haben dazu geführt, dass in umfassendem Maße reprogrammierbare Bausteine zur Implementierung digitaler Logikfunktionen eingesetzt werden.

Eine wesentliche Kraft zur Veränderung der Entwurfsverfahren war und ist bis heute das unter dem Begriff „Design Productivity Gap" zusammengefasste Problem, dass die Produktivität der Schaltungsentwickler nicht mehr mit den technologischen Möglichkeiten bei der Halbleiterfertigung Schritt halten kann (vgl. Bild 1.1).

Während durch umfangreiche technologische Innovationen der Integrationsgrad von der Medium Scale Integration MSI mit einigen 1000 Transistoren pro Chip Anfang der 1980er-Jahre über die Very Large Scale Integration VLSI auf die heutige Ultra Large Scale Integration ULSI mit einigen 100 Millionen Transistoren pro Chip angestiegen ist, konnte die Entwicklerproduktivität nicht in diesem Maße gesteigert werden.

Obwohl damals bereits von jedem Entwickler pro Monat etwa hundert Transistoren entworfen und verdrahtet wurden und dies heute im Mittel mehr als Hunderttausend sind, reicht die Entwicklerproduktivität heute bei Weitem nicht aus, um den technologischen Fortschritt ausschöpfen zu können. Wie Bild 1.1 zeigt, ist die etwa 1000- fache Verbesserung der Entwicklerproduktivität auf die Einführung neuer Methoden des Digitalentwurfs zurückzuführen.

Dabei übernehmen Softwarewerkzeuge nicht nur die Platzierung und Verdrahtung sowie die Optimierung der Logik, sondern sie werden auch eingesetzt, um aus „Programmierdateien", die das gewünschte Verhalten einer Schaltung beschreiben, weitgehend automatisch eine Schaltungsimplementierung zu generieren. Bild 1.1 zeigt auch, dass in Zukunft dringend weitere Innovationen bei den Entwurfsverfahren benötigt werden, wenn der Abstand zum technologischen Fortschritt der Halbleitertechnologie nicht noch größer werden soll.

Nun wird von Studierenden, die eine Grundlagenvorlesung in Digitaltechnik absolviert haben, sicher nicht erwartet, dass sie in der Lage sind, Digitalschaltungen mit einer derartigen Komplexität zu entwerfen, allerdings werden heute durchaus verbreitet im Rahmen von Diplom- oder Masterarbeiten Digitale Systeme mit mehr als 100.000 Transistoren entworfen.

Entsprechend hat dieses Lehrbuch den Anspruch, neben den unabdingbaren Grundlagen der Digitaltechnik auch eine Einführung in die Verhaltensbeschreibung digitaler Schaltungen mit der Hardwarebeschreibungssprache VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) auf Register-Transfer-Abstraktionsniveau (Register-Transfer-Level, RTL) zu geben. Eine Einführung in die Architektursynthese (High-Level-Synthese) muss dagegen weiterführenden Lehrveranstaltungen und entsprechender Literatur zum Entwurf Digitaler Systeme überlassen bleiben [7], [15].

Für dieses, in meiner Lehre bereits seit vielen Jahren eingesetzte Konzept existieren nach meiner Überzeugung bisher keine geeigneten deutschsprachigen Lehrbücher. Die bisher auf dem Buchmarkt erhältlichen Lehrbücher behandeln die Einführung in VHDL in der Regel überwiegend in ergänzenden Kapiteln und nicht als integralen Bestandteil bei der Vermittlung der digitaltechnischen Konzepte.