Grundlagen der Technischen Informatik:
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München
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2010
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Titel: Grundlagen der Technischen Informatik
Autor: Hoffmann, Dirk W.
Jahr: 2010
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung 13
1.1 Was ist technische Informatik?. 13
1.2 Vom Abakus zum Supercomputer. 15
1.3 Wohin geht die Reise?. 32
2 Halbleitertechnik 35
2.1 Halbleiter. 36
2.1.1 Atommodell von Bohr. 36
2.1.2 Reine Halbleiter. 39
2.1.3 Dotierte Halbleiter. 41
2.2 Integrierte Schaltelemente. 43
2.2.1 Halbleiterdioden. 43
2.2.2 Bipolartransistoren. 44
2.2.3 Feldeffekttransistoren. 48
2.3 Chip-Fertigung . 53
2.3.1 Produktion integrierter Schaltkreise. 53
2.3.2 Integrationsdichte. 59
2.4 Übungsaufgaben. 60
3 Zahlendarstellung und Codes 61
3.1 Zahlensysteme. 62
3.2 Rechnerinterne Zahlenformate. 70
3.2.1 Darstellung natürlicher Zahlen . 70
3.2.2 Darstellung rationaler Zahlen. 76
3.3 Zahlencodes. 83
3.3.1 Tetraden-Codes . 83
3.3.2 Fehlererkennende Codes. 87
3.4 Zeichencodes . 89
3.4.1 ASCII-Code. 89
3.4.2 ISO 8859. 91
3.4.3 Unicode. 92
3.5 Übungsaufgaben. 96
4 Boolesche Algebra 101
4.1 Axiomatisierung nach Huntington . 102
Inhaltsverzeichnis
4.1.1 Mengenalgebra . 103
4.1.2 Schaltalgebra. 105
4.2 Boolesche Ausdrücke und Aussagen. 107
4.2.1 Abgeleitete Operatoren. 109
4.2.2 Erfüllbarkeit und Äquivalenz. 112
4.2.3 Strukturelle Induktion. 114
4.2.4 Dualitätsprinzip. 117
4.3 Rechnen in booleschen Algebren. 121
4.3.1 Abgeleitete Umformungsregeln. 121
4.3.2 Vereinfachung boolescher Ausdrücke. 123
4.3.3 Vollständige Operatorensysteme. 129
4.4 Normalformdarstellungen. 131
4.4.1 Konjunktive und disjunktive Normalform. 131
4.4.2 Reed-Muller-Normalform. 134
4.4.3 Binäre Entscheidungsdiagramme. 136
4.5 Übungsaufgaben. 145
5 Schaltnetze 151
5.1 Grundlagen der Digitaltechnik . 152
5.1.1 Schaltkreisfamilien . 152
5.1.2 MOS-Schaltungstechnik. 157
5.1.3 Lastfaktoren. 167
5.2 Schaltungssynthese. 168
5.2.1 Zweistufige Schaltungssynthese. 169
5.2.2 BDD-basierte Schaltungssynthese. l7°
5.2.3 FDD-basierte Schaltungssynthese. 171
5.3 Formelsynthese. 173
5.3.1 Funktionale Formelsynthese. 173
5.3.2 Relationale Formelsynthese. 175
5.3.3 Definitorische Formelsynthese . 176
5.4 Komplexitätsanalyse. 179
5.5 Zeitverhalten digitaler Schaltungen. 181
5.5.1 Signalausbreitung und-Verzögerung . 1^1
5.5.2 Störimpulse. 183
5.6 Übungsaufgaben. 188
6 Minimierung 193
6.1 Minimierungsziele. 194
6.2 Karnaugh-Veitch-Diagramme. 198
6.2.1 Minimierung partiell definierter Funktionen . 202
6.2.2 Konstruktion Hazard-freier Schaltungen. 206
6.2.3 Minimierung mehrstelliger Funktionen. 208
Inhaltsverzeichnis
6.3 Quine-McCluskey-Verfahren. 210
6.4 Übungsaufgaben. 215
7 Standardschaltnetze 219
7.1 Motivation. 220
7.2 Multiplexer und Demultiplexer. 220
7.3 Komparatoren. 227
7.4 Präfix-Logik. 229
7.5 Addierer. 232
7.5.1 Halb-und Volladdierer. 232
7.5.2 Carry-ripple-Addierer. 234
7.5.3 Carry-look-ahead-Addierer. 235
7.5.4 Präfix-Addierer. 238
7.5.5 Carry-save-Addierer. 240
7.6 Inkrementierer. 243
7.7 Subtrahierer. 244
7.8 Multiplizierer. 245
7.8.1 Matrixmultiplizierer. 246
7.8.2 Carry-save-Multiplizierer. 249
7.8.3 Wallace-Tree-Multiplizierer. 252
7.8.4 Dadda-Tree-Multiplizierer. 257
7.9 Barrel-Shifter. 260
7.10 Arithmetisch-logische Einheit. 262
7.11 Programmierbare Logikbausteine. 264
7.12 Übungsaufgaben. 267
8 Schaltwerke 275
8.1 Digitale Speicherelemente. 276
8.1.1 Asynchrone Speicherelemente. 277
8.1.2 Taktzustandsgesteuerte Speicherelemente. 281
8.1.3 Taktflankengesteuerte Speicherelemente. 284
8.1.4 Bevorrechtigte Eingänge. 291
8.1.5 CMOS-Implementierung. 292
8.2 Vom Flipflop zum Schaltwerk. 295
8.2.1 Endliche Automaten. 296
8.2.2 Schaltwerksynthese. 299
8.3 Übungsaufgaben. 303
9 Standardschaltwerke 309
9.1 Register. 310
9.1.1 Auffangregister. 310
9.1.2 Schieberegister. 312
Inhaltsverzeichnis
9.1.3 Universalregister. 314
9.1.4 Akkumulatoren . 315
9.2 Zähler. 318
9.2.1 Synchrone Binärzähler. 319
9.2.2 Asynchrone Binärzähler. 323
9.2.3 Mischzähler. 324
9.2.4 Instruktionszähler. 326
9.3 Hauptspeicher. 328
9.3.1 SRAM-Speicher. 328
9.3.2 DRAM-Speicher. 330
9.3.3 Fehlererkennung und -korrektur. 337
9.4 Übungsaufgaben. 340
10 Register-Transfer-Entwurf 345
10.1 Entwurf komplexer Systeme. 346
10.1.1 Operationswerksynthese. 348
10.1.2 Steuerwerksynthese. 350
10.2 Mikroprogrammierung . 353
10.3 Übungsaufgaben. 359
11 Mikroprozessortechnik 361
11.1 Elemente eines Mikrorechners . 362
11.1.1 Von-Neumann-Architektur. 362
11.1.2 Aufbau der CPU. 366
11.2 Ein einfacher Modellprozessor. 370
11.3 Übungsaufgaben. 384
12 Rechnerstrukturen 387
12.1 Rechnerklassifikation nach Flynn. 388
12.2 Instruktionsarchitekturen. 389
12.2.1 CISC-Prozessoren. 390
12.2.2 RISC-Prozessoren. 394
12.3 Methoden zur Leistungssteigerung. 398
12.3.1 Pipelining. 398
12.3.2 Cache-Speicher. 403
12.4 Leistungsbewertung. 409
12.4.1 Maßzahlen zur Leistungsbewertung. 409
12.4.2 Benchmarks. 412
12.5 Übungsaufgaben. 415
A Symbolschema der DIN 40900 423
Inhaltsverzeichnis 11
B Notationsverzeichnis 427
C Gesetze der Schaltalgebra 429
D AbkürzungsVerzeichnis 431
Literaturverzeichnis 433
Namenverzeichnis 437
Sachwortverzeichnis 439 |
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