Grundlagen der Technischen Informatik - Mit 90 Aufgaben
von: Dirk W. Hoffmann
Carl Hanser Fachbuchverlag, 2009
ISBN: 9783446421493
Sprache: Deutsch
450 Seiten, Download: 39088 KB
Format: PDF, auch als Online-Lesen
| Vorwort | 6 | ||
| Inhaltsverzeichnis | 8 | ||
| 1 Einführung | 14 | ||
| 1.1 Was ist technische Informatik? | 14 | ||
| 1.2 Vom Abakus zum Supercomputer | 16 | ||
| 1.3 Wohin geht die Reise? | 33 | ||
| 2 Halbleitertechnik | 36 | ||
| 2.1 Halbleiter | 37 | ||
| 2.1.1 Atommodell von Bohr | 37 | ||
| 2.1.2 Reine Halbleiter | 40 | ||
| 2.1.3 Dotierte Halbleiter | 42 | ||
| 2.2 Integrierte Schaltelemente | 44 | ||
| 2.2.1 Halbleiterdioden | 44 | ||
| 2.2.2 Bipolartransistoren | 45 | ||
| 2.2.3 Feldeffekttransistoren | 49 | ||
| 2.3 Chip-Fertigung | 54 | ||
| 2.3.1 Produktion integrierter Schaltkreise | 54 | ||
| 2.3.2 Integrationsdichte | 60 | ||
| 2.4 Übungsaufgaben | 61 | ||
| 3 Zahlendarstellung und Codes | 62 | ||
| 3.1 Zahlensysteme | 63 | ||
| 3.2 Rechnerinterne Zahlenformate | 71 | ||
| 3.2.1 Darstellung natürlicher Zahlen | 71 | ||
| 3.2.2 Darstellung rationaler Zahlen | 77 | ||
| 3.3 Zahlencodes | 84 | ||
| 3.3.1 Tetraden-Codes | 84 | ||
| 3.3.2 Fehlererkennende Codes | 88 | ||
| 3.4 Zeichencodes | 90 | ||
| 3.4.1 ASCII-Code | 90 | ||
| 3.4.2 ISO 8859 | 92 | ||
| 3.4.3 Unicode | 93 | ||
| 3.5 Übungsaufgaben | 97 | ||
| 4 Boolesche Algebra | 102 | ||
| 4.1 Axiomatisierung nach Huntington | 103 | ||
| 4.1.1 Mengenalgebra | 104 | ||
| 4.1.2 Schaltalgebra | 106 | ||
| 4.2 Boolesche Ausdrücke und Aussagen | 108 | ||
| 4.2.1 Abgeleitete Operatoren | 110 | ||
| 4.2.2 Erfüllbarkeit und Äquivalenz | 113 | ||
| 4.2.3 Strukturelle Induktion | 115 | ||
| 4.2.4 Dualitätsprinzip | 118 | ||
| 4.3 Rechnen in booleschen Algebren | 122 | ||
| 4.3.1 Abgeleitete Umformungsregeln | 122 | ||
| 4.3.2 Vereinfachung boolescher Ausdrücke | 124 | ||
| 4.3.3 Vollständige Operatorensysteme | 130 | ||
| 4.4 Normalformdarstellungen | 132 | ||
| 4.4.1 Konjunktive und disjunktive Normalform | 132 | ||
| 4.4.2 Reed-Muller-Normalform | 135 | ||
| 4.4.3 Binäre Entscheidungsdiagramme | 137 | ||
| 4.5 Übungsaufgaben | 146 | ||
| 5 Schaltnetze | 152 | ||
| 5.1 Grundlagen der Digitaltechnik | 153 | ||
| 5.1.1 Schaltkreisfamilien | 153 | ||
| 5.1.2 MOS-Schaltungstechnik | 158 | ||
| 5.1.3 Lastfaktoren | 168 | ||
| 5.2 Schaltungssynthese | 169 | ||
| 5.2.1 Zweistufige Schaltungssynthese | 170 | ||
| 5.2.2 BDD-basierte Schaltungssynthese | 171 | ||
| 5.2.3 FDD-basierte Schaltungssynthese | 172 | ||
| 5.3 Formelsynthese | 174 | ||
| 5.3.1 Funktionale Formelsynthese | 174 | ||
| 5.3.2 Relationale Formelsynthese | 176 | ||
| 5.3.3 Definitorische Formelsynthese | 177 | ||
| 5.4 Komplexitätsanalyse | 180 | ||
| 5.5 Zeitverhalten digitaler Schaltungen | 182 | ||
| 5.5.1 Signalausbreitung und -verzögerung | 182 | ||
| 5.5.2 Störimpulse | 184 | ||
| 5.6 Übungsaufgaben | 189 | ||
| 6 Minimierung | 194 | ||
| 6.1 Minimierungsziele | 195 | ||
| 6.2 Karnaugh-Veitch-Diagramme | 199 | ||
| 6.2.1 Minimierung partiell definierter Funktionen | 203 | ||
| 6.2.2 Konstruktion Hazard-freier Schaltungen | 207 | ||
| 6.2.3 Minimierung mehrstelliger Funktionen | 209 | ||
| 6.3 Quine-McCluskey-Verfahren | 211 | ||
| 6.4 Übungsaufgaben | 216 | ||
| 7 Standardschaltnetze | 220 | ||
| 7.1 Motivation | 221 | ||
| 7.2 Multiplexer und Demultiplexer | 221 | ||
| 7.3 Komparatoren | 228 | ||
| 7.4 Präfix-Logik | 230 | ||
| 7.5 Addierer | 233 | ||
| 7.5.1 Halb- und Volladdierer | 233 | ||
| 7.5.2 Carry-ripple-Addierer | 235 | ||
| 7.5.3 Carry-look-ahead-Addierer | 236 | ||
| 7.5.4 Präfix-Addierer | 239 | ||
| 7.5.5 Carry-save-Addierer | 241 | ||
| 7.6 Inkrementierer | 244 | ||
| 7.7 Subtrahierer | 245 | ||
| 7.8 Multiplizierer | 246 | ||
| 7.8.1 Matrixmultiplizierer | 247 | ||
| 7.8.2 Carry-save-Multiplizierer | 250 | ||
| 7.8.3 Wallace-Tree-Multiplizierer | 253 | ||
| 7.8.4 Dadda-Tree-Multiplizierer | 258 | ||
| 7.9 Barrel-Shifter | 261 | ||
| 7.10 Arithmetisch-logische Einheit | 263 | ||
| 7.11 Programmierbare Logikbausteine | 265 | ||
| 7.12 Übungsaufgaben | 268 | ||
| 8 Schaltwerke | 276 | ||
| 8.1 Digitale Speicherelemente | 277 | ||
| 8.1.1 Asynchrone Speicherelemente | 278 | ||
| 8.1.2 Taktzustandsgesteuerte Speicherelemente | 282 | ||
| 8.1.3 Taktflankengesteuerte Speicherelemente | 285 | ||
| 8.1.4 Bevorrechtigte Eingänge | 292 | ||
| 8.1.5 CMOS-Implementierung | 293 | ||
| 8.2 Vom Flipflop zum Schaltwerk | 296 | ||
| 8.2.1 Endliche Automaten | 297 | ||
| 8.2.2 Schaltwerksynthese | 300 | ||
| 8.3 Übungsaufgaben | 304 | ||
| 9 Standardschaltwerke | 310 | ||
| 9.1 Register | 311 | ||
| 9.1.1 Auffangregister | 311 | ||
| 9.1.2 Schieberegister | 313 | ||
| 9.1.3 Universalregister | 315 | ||
| 9.1.4 Akkumulatoren | 316 | ||
| 9.2 Zähler | 319 | ||
| 9.2.1 Synchrone Binärzähler | 320 | ||
| 9.2.2 Asynchrone Binärzähler | 324 | ||
| 9.2.3 Mischzähler | 325 | ||
| 9.2.4 Instruktionszähler | 327 | ||
| 9.3 Hauptspeicher | 329 | ||
| 9.3.1 SRAM-Speicher | 329 | ||
| 9.3.2 DRAM-Speicher | 331 | ||
| 9.3.3 Fehlererkennung und -korrektur | 338 | ||
| 9.4 Übungsaufgaben | 341 | ||
| 10 Register-Transfer-Entwurf | 346 | ||
| 10.1 Entwurf komplexer Systeme | 347 | ||
| 10.1.1 Operationswerksynthese | 349 | ||
| 10.1.2 Steuerwerksynthese | 351 | ||
| 10.2 Mikroprogrammierung | 354 | ||
| 10.3 Übungsaufgaben | 360 | ||
| 11 Mikroprozessortechnik | 362 | ||
| 11.1 Elemente eines Mikrorechners | 363 | ||
| 11.1.1 Von-Neumann-Architektur | 363 | ||
| 11.1.2 Aufbau der CPU | 367 | ||
| 11.2 Ein einfacher Modellprozessor | 371 | ||
| 11.3 Übungsaufgaben | 385 | ||
| 12 Rechnerstrukturen | 388 | ||
| 12.1 Rechnerklassifikation nach Flynn | 389 | ||
| 12.2 Instruktionsarchitekturen | 390 | ||
| 12.2.1 CISC-Prozessoren | 391 | ||
| 12.2.2 RISC-Prozessoren | 395 | ||
| 12.3 Methoden zur Leistungssteigerung | 399 | ||
| 12.3.1 Pipelining | 399 | ||
| 12.3.2 Cache-Speicher | 404 | ||
| 12.4 Leistungsbewertung | 410 | ||
| 12.4.1 Maßzahlen zur Leistungsbewertung | 410 | ||
| 12.4.2 Benchmarks | 413 | ||
| 12.5 Übungsaufgaben | 416 | ||
| Anhang | 422 | ||
| A Symbolschema der DIN 40900 | 424 | ||
| B Notationsverzeichnis | 428 | ||
| C Gesetze der Schaltalgebra | 430 | ||
| D Abkürzungsverzeichnis | 432 | ||
| Literaturverzeichnis | 434 | ||
| Namensverzeichnis | 438 | ||
| Sachwortverzeichnis | 440 |