Technische Informatik: eine einführende Darstellung
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München [u.a.]
Oldenbourg
2008
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Was ist überhaupt ein Rechner?. 1
1.1.1 Die verschiedenen Abstraktionsebenen. 2
1.1.2 Hierarchie virtueller Rechner . 4
1.2 Historischer Rückblick. 5
1938-1941: Die ZI, Z2 und Z3. 6
1946: Die ENIAC. 8
1952: Die
IAS
. 10
1953: Die
TRADIC
. 11
1971: Der Intel 4004. 13
1986: Der MIPS R2000. 14
2000: Der Intel Pentium 4. 14
I
Grundlagen 17
2 Grundlegende mathematische Begriffe 21
2.1 Boolesche Algebra. 21
2.2 Boolesche Punktionen . 25
2.3 Boolesche Ausdrücke. 28
2.4 Übungsaufgaben. 37
3 Darstellungen im Rechner 41
3.1 Information. 41
3.2 Darstellung von Zeichen. 42
3.3 Darstellung von Zahlen. 45
3.3.1 Festkommadarstellungen. 45
3.3.2 Gleitkommadarstellungen. 54
3.4 Übungsaufgaben. 66
4 Elementare Bauelemente 69
4.1 Grundlagen elektronischer Schaltkreise. 69
4.1.1 Elektrische Ladung. 70
Inhaltsverzeichnis
4.1.2 Elektrischer Strom . 71
4.1.3 Elektrischer Widerstand, spezifischer Widerstand. 71
4.1.4 Elektrische Spannung, Potentiale. 72
4.1.5 Elektrische Kapazität. 72
4.2 Die wichtigsten Gesetze der Elektronik. 73
4.2.1 Das Ohm'sche Gesetz. 73
4.2.2 Die Kirchhoff'schen Regeln. 74
4.2.3 Seriell und parallel angeordnete Widerstände. 75
4.3 Die wichtigsten Bauelemente. 77
4.3.1 Spannungsquelle. 77
4.3.2 Widerstand . 78
4.3.3 Schalter. 78
4.3.4 Kondensator. 79
4.3.5 Operationsverstärker, Differenzverstärker. 80
5 Elektronische Schaltungen 85
5.1 Spannungsteiler. 85
5.2 Eine Taste zur Eingabe einer 0 oder einer 1. 86
5.3 Tastenfeld. 87
5.4 Logische Grundbausteine. 89
5.5 Digital/Analog-Wandler. 91
5.6 Analog/Digital-Wandler. 92
II
Entwurf digitaler Hardware 95
6 Darstellung Boolescher Funktionen durch
Decision Diagrams
99
6.1 Grundlagen. 99
6.2
Decision Diagrams
.101
6.3 Kronecker
Functional Decision Diagrams
.106
6.4 Übungsaufgaben.122
7 Entwurf zweistufiger Logik 125
7.1 Schaltkreisrealisierung durch PLAs .125
7.1.1 Kosten Disjunktiver Normalformen.128
7.1.2 Visualisierung am Würfel.130
7.2 Implikanten und Primimplikanten.135
7.3 Berechnung von
Minimałpolynomen
.139
7.3.1 Verfahren von Quine/McCluskey.139
Inhaltsverzeichnis _
ХЩ
7.3.2 Bestimmung eines Minimalpolynoms. 145
7.4 Übungsaufgaben. 153
8 Entwurf mehrstufiger Logik 157
8.1 Schaltkreise. 157
8.1.1 Realisierung. 157
8.1.2 Syntaktische Beschreibung von Schaltkreisen.160
8.1.3 Semantik von kombinatorischen Schaltkreisen. 165
8.1.4 Symbolische Simulation. 167
8.1.5 Hierarchischer Entwurf und Teilschaltkreise. 168
8.2 Logiksynthese. 169
8.2.1 Darstellungssatz. 169
8.2.2 Kostenberechnung bei Schaltkreisen. 172
8.2.3 Einfache Ansätze zur Verringerung der Kosten. 173
8.2.4 Synthese unter Verwendung der Shannon'schen Dekomposition.176
8.2.5 Abbildung von
Decision Diagrams.
179
8.2.6 Funktionale Dekomposition Boolescher Funktionen. 181
8.2.7 Schaltungstransformationen . 182
8.3 Übungsaufgaben. 186
9 Grundlegende Schaltungen 189
9.1 Addition in der Zweier-Komplement-Darstellung. 193
9.2 Addierer . 196
9.2.1 Halbaddierer und Volladdierer. 196
9.2.2 Carry-Ripple-Addierer. 198
9.2.3 Inkrementierer und Dekrementierer.201
9.2.4 Conditional-Sum-Addierer. 202
9.2.5 Carry-Lookahead- Addierer.206
9.3 Multiplizierer, ALU . 213
9.3.1 Multiplizierer.213
9.3.2 Prinzipieller Aufbau einer ALU.215
9.4 Übungsaufgaben.218
III
Architektur eines Prozessors 221
10 Ein einfacher Mikroprozessor 225
10.1 Prinzipieller Aufbau eines Rechners.225
10.2 Aufbau des Ein-Zyklen-Prozessors OurMips.230
10.2.1 Rahmengröfem Eckdaten.231
10.2.2 Schnittstelle des Speichers.232
χΐγ
_Inhaltsverzeichnis
10.2.3 Der Datenregistersatz .233
10.2.4 Die Arithmetisch-Logische Einheit.236
10.2.5 Der Befehlszähler und das Statusregister.238
10.2.6 Der Gesamtrechner.240
10.3 Befehlssatz von OurMips.242
10.3.1 Initialisierung.243
10.3.2 Der Befehlssatz im Überblick.244
10.3.3 Befehlsaufbau und Befehlsklassen.244
10.3.4 Lade- und Speicherbefehle.248
10.3.5 Arithmetische Befehle vom Register-Typ.251
10.3.6 Arithmetische Befehle vom
Immediate-
Typ .255
10.3.7 Logische Befehle.259
10.3.8 Sprungbefehle.260
10.4 Das Steuerwerk.266
10.4.1 Berechnung der Befehlsklasse.268
10.4.2 Berechnung der Steuersignale.268
10.4.3 Berechnung des Load-Enable-Signals.270
10.4.4 ALU-Ansteuerung.271
10.5 Übungsaufgaben.272
11 Weitergehende Architekturkonzepte 277
11.1 CISC und RISC.278
Eigenschaften von CISC-Rechnern.278
Eigenschaften von RISC-Rechnern.279
CISC versus RISC.280
11.2
Pipelining
.282
11.2.1
Pipelining
bei der Befehlsausführung.283
11.2.2 Maximale Beschleunigung.285
11.2.3 Pipeline-Konflikte.286
Data
Hazards
.287
Control Hazards
.291
11.3 Speicherhierarchie.293
11.3.1 Die wichtigsten Speichertypen.293
SRAM- und DRAM-Speicherzellen,
Latches
und Flipflops.293
Hauptspeicher.296
Festplatte.300
CD und DVD.303
Magnetband.305
11.3.2 Die Idee der Speicherhierarchie.306
11.4 Caches.308
11.4.1 Ideen. Konzepte. Eigenschaften.309
11.4.2 Der Lesezugriff.310
11.4.3 Interne Organisation.312
Inhaltsverzeichnis
XV
Vollassoziative Cache-Speicher. 312
Direktabgebildete Cache-Speicher. 314
11.4.4 Der Schreibzugriff. 316
11.5 Der virtuelle Speicher . 319
11.6 Übungsaufgaben. 324
IV
Kommunikation 329
12 Kommunikation innerhalb eines Rechners 333
12.1 Parallele und serielle Busse, Protokolle. 333
12.1.1 Serielle Busse. 334
12.1.2 Parallele Busse. 337
12.2 Zuteilung des Busses an einen Master. 343
12.2.1 Stichleitungen. 344
12.2.2
Daisy-Chaining
.344
12.2.3
Polling.
346
12.2.4
Carrier
Sense Multiple Access.346
12.3 Busstruktur in modernen Rechnern. 347
12.4 Übungsaufgaben. 349
13 Fehlertolerante Kodierungen 351
13.1 Grundlegende Begriffe. 351
13.2 Grundlegende Eigenschaften fehlertoleranter Codes .352
13.2.1 Fehlererkennende Codes.353
13.2.2 Fehlerkorrigierende Codes . 356
13.3 Beispiele fehlertoleranter Codes.360
13.3.1 Eindimensionale Parity-Überprüfung. 360
13.3.2 Zweidimensionale Parity-Überprüfung.362
13.3.3
Hamming-Code
.365
13.3.4 CRC-Kodierung.367
13.4 Übungsaufgaben.372
14 Datenkompression 375
14.1 Grundlagen der Informationstheorie.375
14.2 Eindeutige Dekodierbarkeit.378
14.3 Präfixcodes.379
14.4 Längenoptimale Codes. 386
14.4.1 Historischer Rückblick.386
XVI
_Inhaltsverzeichnis
14.4.2 Shannon-Fano-Kodierung. 387
14.4.3 Huffman-Kodierung. 388
14.4.4 Erweiterte Huffman Kodierung. 390
14.4.5 Arithmetische Kodierung. 391
14.5 Übungsaufgaben.394
15 Schlusswort 397
Literaturverzeichnis 401
Index 405 |
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Was ist überhaupt ein Rechner?. 1
1.1.1 Die verschiedenen Abstraktionsebenen. 2
1.1.2 Hierarchie virtueller Rechner . 4
1.2 Historischer Rückblick. 5
1938-1941: Die ZI, Z2 und Z3. 6
1946: Die ENIAC. 8
1952: Die
IAS
. 10
1953: Die
TRADIC
. 11
1971: Der Intel 4004. 13
1986: Der MIPS R2000. 14
2000: Der Intel Pentium 4. 14
I
Grundlagen 17
2 Grundlegende mathematische Begriffe 21
2.1 Boolesche Algebra. 21
2.2 Boolesche Punktionen . 25
2.3 Boolesche Ausdrücke. 28
2.4 Übungsaufgaben. 37
3 Darstellungen im Rechner 41
3.1 Information. 41
3.2 Darstellung von Zeichen. 42
3.3 Darstellung von Zahlen. 45
3.3.1 Festkommadarstellungen. 45
3.3.2 Gleitkommadarstellungen. 54
3.4 Übungsaufgaben. 66
4 Elementare Bauelemente 69
4.1 Grundlagen elektronischer Schaltkreise. 69
4.1.1 Elektrische Ladung. 70
Inhaltsverzeichnis
4.1.2 Elektrischer Strom . 71
4.1.3 Elektrischer Widerstand, spezifischer Widerstand. 71
4.1.4 Elektrische Spannung, Potentiale. 72
4.1.5 Elektrische Kapazität. 72
4.2 Die wichtigsten Gesetze der Elektronik. 73
4.2.1 Das Ohm'sche Gesetz. 73
4.2.2 Die Kirchhoff'schen Regeln. 74
4.2.3 Seriell und parallel angeordnete Widerstände. 75
4.3 Die wichtigsten Bauelemente. 77
4.3.1 Spannungsquelle. 77
4.3.2 Widerstand . 78
4.3.3 Schalter. 78
4.3.4 Kondensator. 79
4.3.5 Operationsverstärker, Differenzverstärker. 80
5 Elektronische Schaltungen 85
5.1 Spannungsteiler. 85
5.2 Eine Taste zur Eingabe einer 0 oder einer 1. 86
5.3 Tastenfeld. 87
5.4 Logische Grundbausteine. 89
5.5 Digital/Analog-Wandler. 91
5.6 Analog/Digital-Wandler. 92
II
Entwurf digitaler Hardware 95
6 Darstellung Boolescher Funktionen durch
Decision Diagrams
99
6.1 Grundlagen. 99
6.2
Decision Diagrams
.101
6.3 Kronecker
Functional Decision Diagrams
.106
6.4 Übungsaufgaben.122
7 Entwurf zweistufiger Logik 125
7.1 Schaltkreisrealisierung durch PLAs .125
7.1.1 Kosten Disjunktiver Normalformen.128
7.1.2 Visualisierung am Würfel.130
7.2 Implikanten und Primimplikanten.135
7.3 Berechnung von
Minimałpolynomen
.139
7.3.1 Verfahren von Quine/McCluskey.139
Inhaltsverzeichnis _
ХЩ
7.3.2 Bestimmung eines Minimalpolynoms. 145
7.4 Übungsaufgaben. 153
8 Entwurf mehrstufiger Logik 157
8.1 Schaltkreise. 157
8.1.1 Realisierung. 157
8.1.2 Syntaktische Beschreibung von Schaltkreisen.160
8.1.3 Semantik von kombinatorischen Schaltkreisen. 165
8.1.4 Symbolische Simulation. 167
8.1.5 Hierarchischer Entwurf und Teilschaltkreise. 168
8.2 Logiksynthese. 169
8.2.1 Darstellungssatz. 169
8.2.2 Kostenberechnung bei Schaltkreisen. 172
8.2.3 Einfache Ansätze zur Verringerung der Kosten. 173
8.2.4 Synthese unter Verwendung der Shannon'schen Dekomposition.176
8.2.5 Abbildung von
Decision Diagrams.
179
8.2.6 Funktionale Dekomposition Boolescher Funktionen. 181
8.2.7 Schaltungstransformationen . 182
8.3 Übungsaufgaben. 186
9 Grundlegende Schaltungen 189
9.1 Addition in der Zweier-Komplement-Darstellung. 193
9.2 Addierer . 196
9.2.1 Halbaddierer und Volladdierer. 196
9.2.2 Carry-Ripple-Addierer. 198
9.2.3 Inkrementierer und Dekrementierer.201
9.2.4 Conditional-Sum-Addierer. 202
9.2.5 Carry-Lookahead- Addierer.206
9.3 Multiplizierer, ALU . 213
9.3.1 Multiplizierer.213
9.3.2 Prinzipieller Aufbau einer ALU.215
9.4 Übungsaufgaben.218
III
Architektur eines Prozessors 221
10 Ein einfacher Mikroprozessor 225
10.1 Prinzipieller Aufbau eines Rechners.225
10.2 Aufbau des Ein-Zyklen-Prozessors OurMips.230
10.2.1 Rahmengröfem Eckdaten.231
10.2.2 Schnittstelle des Speichers.232
χΐγ
_Inhaltsverzeichnis
10.2.3 Der Datenregistersatz .233
10.2.4 Die Arithmetisch-Logische Einheit.236
10.2.5 Der Befehlszähler und das Statusregister.238
10.2.6 Der Gesamtrechner.240
10.3 Befehlssatz von OurMips.242
10.3.1 Initialisierung.243
10.3.2 Der Befehlssatz im Überblick.244
10.3.3 Befehlsaufbau und Befehlsklassen.244
10.3.4 Lade- und Speicherbefehle.248
10.3.5 Arithmetische Befehle vom Register-Typ.251
10.3.6 Arithmetische Befehle vom
Immediate-
Typ .255
10.3.7 Logische Befehle.259
10.3.8 Sprungbefehle.260
10.4 Das Steuerwerk.266
10.4.1 Berechnung der Befehlsklasse.268
10.4.2 Berechnung der Steuersignale.268
10.4.3 Berechnung des Load-Enable-Signals.270
10.4.4 ALU-Ansteuerung.271
10.5 Übungsaufgaben.272
11 Weitergehende Architekturkonzepte 277
11.1 CISC und RISC.278
Eigenschaften von CISC-Rechnern.278
Eigenschaften von RISC-Rechnern.279
CISC versus RISC.280
11.2
Pipelining
.282
11.2.1
Pipelining
bei der Befehlsausführung.283
11.2.2 Maximale Beschleunigung.285
11.2.3 Pipeline-Konflikte.286
Data
Hazards
.287
Control Hazards
.291
11.3 Speicherhierarchie.293
11.3.1 Die wichtigsten Speichertypen.293
SRAM- und DRAM-Speicherzellen,
Latches
und Flipflops.293
Hauptspeicher.296
Festplatte.300
CD und DVD.303
Magnetband.305
11.3.2 Die Idee der Speicherhierarchie.306
11.4 Caches.308
11.4.1 Ideen. Konzepte. Eigenschaften.309
11.4.2 Der Lesezugriff.310
11.4.3 Interne Organisation.312
Inhaltsverzeichnis
XV
Vollassoziative Cache-Speicher. 312
Direktabgebildete Cache-Speicher. 314
11.4.4 Der Schreibzugriff. 316
11.5 Der virtuelle Speicher . 319
11.6 Übungsaufgaben. 324
IV
Kommunikation 329
12 Kommunikation innerhalb eines Rechners 333
12.1 Parallele und serielle Busse, Protokolle. 333
12.1.1 Serielle Busse. 334
12.1.2 Parallele Busse. 337
12.2 Zuteilung des Busses an einen Master. 343
12.2.1 Stichleitungen. 344
12.2.2
Daisy-Chaining
.344
12.2.3
Polling.
346
12.2.4
Carrier
Sense Multiple Access.346
12.3 Busstruktur in modernen Rechnern. 347
12.4 Übungsaufgaben. 349
13 Fehlertolerante Kodierungen 351
13.1 Grundlegende Begriffe. 351
13.2 Grundlegende Eigenschaften fehlertoleranter Codes .352
13.2.1 Fehlererkennende Codes.353
13.2.2 Fehlerkorrigierende Codes . 356
13.3 Beispiele fehlertoleranter Codes.360
13.3.1 Eindimensionale Parity-Überprüfung. 360
13.3.2 Zweidimensionale Parity-Überprüfung.362
13.3.3
Hamming-Code
.365
13.3.4 CRC-Kodierung.367
13.4 Übungsaufgaben.372
14 Datenkompression 375
14.1 Grundlagen der Informationstheorie.375
14.2 Eindeutige Dekodierbarkeit.378
14.3 Präfixcodes.379
14.4 Längenoptimale Codes. 386
14.4.1 Historischer Rückblick.386
XVI
_Inhaltsverzeichnis
14.4.2 Shannon-Fano-Kodierung. 387
14.4.3 Huffman-Kodierung. 388
14.4.4 Erweiterte Huffman Kodierung. 390
14.4.5 Arithmetische Kodierung. 391
14.5 Übungsaufgaben.394
15 Schlusswort 397
Literaturverzeichnis 401
Index 405 |
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