Grundlagen der technischen Informatik: mit 57 Tabellen und 95 Aufgaben
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München
Hanser
2013
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Inhaltsverzeichnis
1 Einführung 11
1.1 Was ist technische Informatik?..................................... 11
1.2 Vom
Abakus
zum Supercomputer.................................... 13
1.3 Wohin geht die Reise?.......................................... 30
2 Halbleitertechnik 33
2.1 Halbleiter ................................................ 34
2.1.1 Atommodell von Bohr..................................... 34
2.1.2 Reine Halbleiter........................................ 37
2.1.3 Dotierte Halbleiter........................................ 39
2.2 Integrierte Schaltelemente........................................ 41
2.2.1 Halbleiterdioden........................................ 41
2.2.2 Bipolartransistoren....................................... 42
2.2.3 Feldeffekttransistoren..................................... 46
2.3 Chip-Fertigung ............................................. 51
2.3.1 Produktion integrierter Schaltkreise.............................. 51
2.3.2 Integrationsdichte....................................... 57
2.4 Übungsaufgaben............................................. 58
3 Zahlendarstellung und Codes 59
3.1 Zahlensysteme.............................................. 60
3.2 Rechnerinterne Zahlenformate ..................................... 67
3.2.1 Darstellung natürlicher Zahlen ................................ 67
3.2.2 Darstellung rationaler Zahlen................................. 73
3.3 Zahlencodes............................................... 80
3.3.1 Tetraden-Codes ........................................ 80
3.3.2 Fehlererkennende Codes.................................... 84
3.4 Übungsaufgaben............................................. 86
4 Boolesche Algebra 89
4.1 Axiomatisierung nach Huntington ................................... 90
4.1.1 Mengenalgebra ........................................ 91
4.1.2 Schaltalgebra.......................................... 93
4.2 Boolesche Ausdrücke und Aussagen.................................. 95
4.2.1 Abgeleitete Operatoren.................................... 97
4.2.2 Erfüllbarkeit und Äquivalenz................................. 100
4.2.3 Strukturelle Induktion..................................... 102
4.2.4 Dualitätsprinzip........................................ 105
4.3 Rechnen in booleschen Algebren.................................... 109
4.3.1 Abgeleitete Umformungsregeln................................ 109
4.3.2 Vereinfachung boolescher Ausdrücke............................. 111
4.3.3 Vollständige Operatorensysteme................................ 117
4.4 Normalformdarstellungen........................................ 119
4.4.1 Konjunktive und disjunktive Normalform........................... 119
4.4.2 Reed-Muller-Normalform................................... 122
4.4.3 Binäre Entscheidungsdiagramme............................... 125
4.5 Übungsaufgaben............................................. 133
5 Schaltnetze 139
5.1 Grandlagen der Digitaltechnik ..................................... 140
5.1.1 Schaltkreisfamilien ...................................... 140
5.1.2 MOS-Schaltungstechnik.................................... 145
5.1.3 Lastfaktoren.......................................... 155
5.2 Schaltungssynthese........................................... 156
5.2.1 Zweistufige Schaltungssynthese................................ 157
5.2.2 BDD-basierte Schaltungssynthese............................... 158
5.2.3 FDD-basierte Schaltungssynthese............................... 159
5.3 Formelsynthese............................................. 161
5.3.1 Funktionale Formelsynthese.................................. 161
5.3.2 Relationale Formelsynthese.................................. 163
5.3.3 Definitorische Formelsynthese ................................ 164
5.4 Komplexitätsanalyse........................................... 167
5.5 Zeitverhalten digitaler Schaltungen................................... 169
5.5.1 Signalausbreitung und-Verzögerung ............................. 169
5.5.2 Störimpulse.......................................... 171
5.6 Übungsaufgaben............................................. 175
6 Minimierung 181
6.1 Minimierungsziele............................................ 182
6.2
Karnaugh-
Veitch-Diagramme......................................
186
6.2.1 Minimierung partiell definierter Funktionen ......................... 190
6.2.2 Konstraktion Hazard-freier Schaltungen ........................... 194
6.2.3
Minimierang
mehrstelliger Funktionen............................ 196
6.3 Quine-McCluskey-Verfahren...................................... 197
6.4 Übungsaufgaben............................................. 201
7 Standardschaltnetze 205
7.1 Motivation................................................ 206
7.2
Multiplexer
und
Demultiplexer
..................................... 206
7.3 Komparatoren.............................................. 213
7.4 Präfix-Logik............................................... 215
7.5 Addierer................................................. 218
7.5.1 Halb-und Volladdierer..................................... 218
7.5.2 Carry-ripple-Addierer..................................... 220
7.5.3 Carry-look-ahead-Addierer.................................. 221
7.5.4 Conditional-Sum-Addierer .................................. 224
7.5.5 Präfix-Addierer ........................................ 227
7.5.6 Carry-save-Addierer...................................... 229
7.6 Inkrementierer.............................................. 232
7.7 Subtrahierer............................................... 233
7.8 Multiplizierer.............................................. 234
7.8.1 Matrixmultiplizierer...................................... 235
7.8.2 Carry-save-Multiplizierer................................... 238
7.8.3 Wallace-Tree-Multiplizierer.................................. 241
7.8.4 Dadda-Tree-Multiplizierer................................... 246
7.9
Barrel-Shifter
.............................................. 249
7.10 Arithmetisch-logische Einheit...................................... 251
7.11 Programmierbare Logikbausteine.................................... 253
7.12 Übungsaufgaben............................................. 256
8 Schaltwerke 265
8.1 Digitale Speicherelemente........................................ 266
8.1.1 Asynchrone Speicherelemente................................. 267
8.1.2 Taktzustandsgesteuerte Speicherelemente........................... 271
8.1.3 Taktflankengesteuerte Speicherelemente........................... 274
8.1.4 Bevorrechtigte Eingänge.................................... 281
8.1.5 CMOS-Implementierang ................................... 282
8.2 Vom Flipflop zum Schaltwerk...................................... 285
8.2.1 Endliche Automaten...................................... 286
8.2.2 Schaltwerksynthese...................................... 289
8.3 Übungsaufgaben............................................. 293
9 Standardschaltwerke 299
9.1 Register................................................. 300
9.1.1 Auffangregister ........................................ 300
9.1.2 Schieberegister......................................... 302
9.1.3 Universalregister........................................ 304
9.1.4 Akkumulatoren ........................................ 305
9.2 Zähler.................................................. 308
9.2.1 Synchrone Binärzähler..................................... 309
9.2.2 Asynchrone Binärzähler.................................... 313
9.2.3 Mischzähler.......................................... 314
9.2.4 Instruktionszähler....................................... 316
9.3 Hauptspeicher.............................................. 318
9.3.1 SRAM-Speicher........................................ 318
9.3.2 DRAM-Speicher........................................ 320
9.3.3 Fehlererkennung und
-korrektur
................................ 327
9.4 Übungsaufgaben............................................. 330
10 Register-Transfer-Entwurf 335
10.1 Entwurf komplexer Systeme....................................... 336
10.1.1 Operationswerksynthese.................................... 338
10.1.2 Steuerwerksynthese...................................... 340
10.2 Mikroprogrammierung ......................................... 343
10.3 Übungsaufgaben............................................. 349
11 Mikroprozessortechnik 351
11.1 Elemente eines Mikrorechners ..................................... 352
11.1.1 Von-Neumann-Architektur .................................. 352
11.1.2 Aufbau der CPU........................................ 356
11.2 Ein einfacher Modellprozessor..................................... 360
11.3 Übungsaufgaben............................................. 374
12 Rechnerstrukturen 377
12.1 Rechnerklassifikation nach Flynn.................................... 378
12.2 Instruktionsarchitekturen........................................ 379
12.2.1 CISC-Prozessoren....................................... 380
12.2.2 RISC-Prozessoren....................................... 384
12.3 Methoden zur Leistungssteigerung................................... 388
12.3.1
Pipelining
........................................... 388
12.3.2 Cache-Speicher........................................ 393
12.4 Leistungsbewertung........................................... 399
12.4.1 Maßzahlen zur Leistungsbewertung.............................. 399
12.4.2 Benchmarks.......................................... 402
12.5 Übungsaufgaben............................................. 405
A
Notationsverzeichnis 411
В
Abkürzungsverzeichnis 413
С
Glossar 415
Literaturverzeichnis 433
Namensverzeichnis 437
Sachwortverzeichnis 439
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