Als Hazard (engl.: "Gefahr, Risiko, Zufall") bezeichnet man die mögliche temporäre Verfälschung einer Booleschen Funktion in der Digitaltechnik während eines Schaltvorganges.

Entstehung

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Signale bewegen sich in einer realen Schaltung mit einer endlichen Geschwindigkeit fort und werden auch in Gattern verzögert, eventuell unterschiedlich lange. Daher können die Auswirkungen eines Signalwechsels zu unterschiedlichen Zeitpunkten an einem Gatter wirksam werden. Zwischen diesen Zeitpunkten tritt dann eventuell ein temporärer Schaltzustand ein, der nicht dem theoretisch erwarteten entspricht. Dieser Effekt führt zu einem fehlerhaften digitalen System und muss daher vermieden werden.

Beispiel

Schaltnetz_mit_hazard.png Im nebenstehenden Beispiel wird dieser Effekt verdeutlicht. Die Eingänge $x\_0$ und $x\_2$ liegen konstant auf 1, während $x\_1$ von 1 auf 0 geschaltet wird. Theoretisch wäre zu erwarten, dass der Ausgang $y$ von dem Schaltvorgang unbeeinflusst auf 1 bleibt, da vorher das obere Und-Gatter eine 1 in einen Eingang des Oder-Gatters liefert, danach das untere.

Schaltnetz_mit_hazard_wave.png In der Praxis kann das aber anders aussehen: Vermutlich verlässt das geänderte Signal das Nicht-Gatter erst mit einer gewissen Verzögerung (Gatterlaufzeit), so dass ein instabiler Zwischenzustand entsteht, in dem das obere Und-Gatter bereits auf 0 geschaltet hat, während das untere noch nicht auf 1 umgeschaltet wurde. Als Folge liefert der Ausgang für kurze Zeit das Signal 0.

Funktionshazards

Funktionshazards entstehen durch einen gleichzeitigen Belegungswechsel von mehr als einer Variable. Diese Hazards können durch einen geeigneten Belegungswechsel (Gray-Codierung), durch Taktung oder durch eine Verzögerung (RC-Glied am Ausgang) vermieden werden.

Strukturhazards

Strukturhazards entstehen bei Schaltungen mit mehr als einer Stufe durch den Wechsel von einem Block im KV-Diagramm (=Gatter in der Schaltung) in einen angrenzenden Block (keine überlappende Blöcke im KV-Diagramm). Diese Hazards können vermieden werden durch die Realisierung redundanter Primkonjunktionen (überlappende Blöcke im KV-Diagramm) oder durch Taktung.

Gegenmaßnahmen

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Es gibt 2 verschiedene Möglichkeiten das Auftreten eines Hazards zu vermeiden:

Angleichung der Verzögerungszeiten

Im vorliegenden Beispiel könnte dieses Vorgehen darin bestehen, in den oberen Zweig der vom Eingang $x\_1$ ausgehenden Leitung ein weiteres (funktionsloses) Gatter einzufügen, damit die Signaländerung die beiden Und-Gatter gleichzeitig erreicht. Dieses Verfahren ist allerdings mit einigen Unsicherheiten behaftet und liefert nicht sicher das gewünschte Ergebnis.

Systematische Vorgehensweise

Kvdiagramm_hazard.png | Kvdiagramm_ohne_hazard.png Die bessere Methode ist die systematische Vorgehensweise. Dazu optimiert man das KV-Diagramm, das der betreffenden Schaltung zugrunde liegt. Das zum obigen Beispiel gehörende Diagramm zeigt zwei Blöcke, die durch die beiden Und-Gatter realisiert sind (Disjunktive Normalform). Der Hazard entsteht beim Übergang zwischen diesen beiden Blöcken. Aufgelöst wird der Hazard, wenn man diesen Übergang mit einem weiteren, von der Logik her überflüssigen, Block überbrückt, der sich mit beiden Blöcken überlappt. In der resultierenden Schaltung muss dann entsprechend ein weiteres Und-Gatter eingefügt werden. Schaltnetz_ohne_hazard.png

Weblinks

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Strukturhazards zum ausprobieren Funktionshazards zum ausprobieren

Digitaltechnik

Hazard (logic)