Grundlagen der Digitaltechnik: Wirkungsweisen, Methoden und praktische Anwendungen
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Berlin ; Offenbach
VDE Verlag GMBH
[2018]
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Inhaltsverzeichnis
1 EINFÜHRUNG UND ÜBERSICHT 17
2 SIGNALE 19
2 1 Kontinuierliche und diskrete Signale 19
211 Analogsignale 19
212 Digitalsignale 20
2 2 Analoge Welt 20
221 Analogrechner 21
2 3 Digitale Systeme - digitale Welt 22
3 KONVERTIERUNGEN 25
3 1 Digitalisierung 26
311 Prinzipielle Funktion eines ADU 26
312 Zeitliche Quantisierung 27
313 Sample and Hold 28
314 Quantisierung der Werte 28
315 Dynamikumfang 29
3 2 Eigenschaften von AD-Wandlern 30
321 Auflösung und Genauigkeit 31
322 Digitaler Ausgang 32
323 Abtastrate 32
3 3 Verfahren der Analog-Digital-Umsetzung 33
331 Übersicht 33
332 Slope-Wandler 34
333 SAR - Sukzessive Approximation 37
334 Parallel-Umsetzer 38
335 Pipeline-Umsetzer 39
336 Delta-Sigma-Verfahren 40
337 Häufig eingesetzte Verfahren 43
3 4 Digital-Analog-Wandlung 43
341 Summe der Binärstellen 44
342 Wirkungsprinzip 44
343 R-2R-Leiternetzwerk 45
344 Ein-Bit-Umsetzer 45
3 5 Zusammenfassende Überlegungen 46
8
Inhaltsverzeichnis
ZAHLENSYSTEME, INFORMATIONSDARSTELLUNG UND CODIERUNG 47
4 1 Informationseinheiten 47
4 2 Zahlensysteme 48
421 Additionssystem 49
422 Dezimalsystem 49
423 Dualzahlen 49
424 Oktalsystem 51
425 Hexadezimalsystem 51
426 BCD-Code 53
4 3 Konvertierung von Zahlensystemen 53
4 4 Negative Dualzahlen 56
441 „Signed magnitude 57
442 Komplementdarstellung 57
4 5 Binäre Arithmetik - Grundrechenarten im Dualsystem 61
4 6 Gleitkommazahlen 64
4 7 Zeichendarstellung und Codierung 67
471 Wichtige Begriffe 67
472 Codieren und Code 68
473 Gray-Code 71
4 8 Alphanumerische Codes 73
481 Internationale Telegrafenalphabete 73
482 ASCII-Code 73
483 Weitere Codes 76
5 CODESICHERUNG - FEHLERERKENNUNG UND FEHLERKORREKTUR 78
5 1 Fehlerursachen und Störungen 78
511 Fehlerarten 79
512 Fehlerkorrektur 80
513 Redundanz 82
5 2 Zeichenweise Paritätssicherung 83
521 Paritätssicherung 84
522 Hamming-Distanz 87
5 3 Weitere Verfahren der Codesicherung 89
531 Wiederholtes Senden 89
532 Blockprüfzeichen 90
533 Kreuzsicherung 92
534 Hamming-Codes 93
535 Zyklische Blocksicherung - CRC 98
536 Vorwärtsfehlerkorrektur 102
Inhaltsverzeichnis
9
537 Rückwärtsfehlerkorrektur 103
538 Reed-Solomon-Codes 103
5 4 Zusammenfassung 104
6 DATENKOMPRESSION UND DATENREDUKTION 106
6 1 Warum Datenkompression? 106
611 Redundanzen 107
612 Datenreduktion in der Biologie 108
6 2 Art und Inhalt der Daten 108
6 3 Datenkomprimierung 110
631 Kompressionsrate 110
632 Datenreduktion 111
6 4 Kompressionsverfahren 111
6 5 Verlustfreie Kompressionstechniken 113
651 Lauflängencodierung 113
652 Variable Length Coding 114
653 LZW-Algorithmus 115
654 Entropiecodierung 116
6 6 Verlustbehaftete Kompressionstechniken 117
661 Quantisierung, Trunkierung 117
662 Pruning 118
663 Farbtabelle, Colormapping 118
664 Vektorquantisierung 118
665 Transformationstechniken 119
6 7 Symmetrische Kompression 120
6 8 Asymmetrische Kompression 120
6 9 Dateiformate für Bilder und Videos 120
691 JPEG 121
692 DCT 121
693 JFIF 122
6 10 Kompression von Videodaten 122
6 10 1 MPEG-Verfahren 123
6 10 2 MP3 - Kompression 124
6 11 ZIP und RAR 125
6 11 1 Progressive Kompression 125
6 11 2 RAR 126
6 12 Zusammenfassung
126
10
Inhaltsverzeichnis
7 KRYPTOLOGIE UND DATENSICHERHEIT 127
7 1 Datensicherheit 127
7 2 Geheimhaltung von Nachrichten 128
7 3 Cäsar-Chiffre 129
7 4 Die Enigma 131
7 5 Moderne Blockchiffren 132
7 6 Prinzipien kryptographischer Verfahren 133
761 Symmetrische Verfahren 134
762 Asymmetrische Verfahren 134
7 7 Data Encryption Standard - DES 135
7 8 Nachfolgeverfahren 136
781 Triple-DES 136
782 Advanced Encryption Standard - AES 137
7 9 Public Key Kryptographie - RSA-Algorithmus 137
791 RSA-Algorithmus 138
792 Schlüsselerzeugung 139
793 Zahlenbeispiel 140
7 10 Anwendungsbereiche 141
7 11 Post-Quanten-Kryptographie 142
8 KOMMUNIKATION, BUSSYSTEME UND SCHNITTSTELLEN 144
8 1 Grundlagen der Netzwerktechnik 144
811 Aufbau eines Netzwerks 145
812 Protokolle der Netzwerktechnik 145
813 Schichtenmodelle 145
8 2 ISO/OSI-7-Schichtenmodell 146
821 Protokolle im OSI-Schichtenmodell 146
822 Die sieben Schichten 147
8 3 Netzwerk-Topologien 150
831 Topologie und Datentransfer 150
832 Physische Topologien 151
8 4 Zugriffsmechanismen - Arbitrierung 153
841 Zugriffsverfahren 154
842 Master/Slave-Verfahren 155
843 CSMA/CD-Verfahren 155
844 Token-Prinzip 157
8 5 Übertragungsarten 158
851 Datenrichtung '• 159
Inhaltsverzeichnis
11
852 Serien- und Parallelübertragung 160
853 Synchrone und asynchrone Übertragung 162
8 6 Bussysteme 165
861 Rechner-interne Busse 166
862 USB-Universal Serial Bus 167
8 7 Feldbusse 169
871 Feldbusse in der Automatisierungs- und Prozesstechnik 169
872 Vorteile und Auswahlkriterien 170
873 Der Feldbus im ISO/OSI-Referenzmodell 171
874 Besonders verbreitete Feldbusse 172
8 8 PROFIBUS 173
881 Eigenschaften und Aufbau 174
882 Standard RS-485 175
883 PROFIBUS-Protokoll 177
884 Schicht 7 beim PROFIBUS 180
885 PROFIBUS-Profile 180
8 9 Internet-Protokollfamilie TCP/IP 181
891 TCP/IP-Referenzmodell 182
892 Funktionen der Schichten 182
893 Die IP-Adresse 183
894 IPv4-Datenpakete 184
9 BOOLESCHE ALGEBRA 186
9 1 Logische Verknüpfungen 186
911 Wahrheitstabelle 186
912 Schaltalgebra 187
913 Kontaktlogik 188
9 2 Binäre Grundverknüpfungen 189
921 Negation 189
922 UND-Verknüpfung 189
923 ODER-Verknüpfung 190
924 Symbole 191
9 3 Weitere Verknüpfungen 192
931 NAND 192
932 NOR 194
933 Antivalenz 195
934 Äquivalenz 196
9 4 Vorrang- und Klammerregeln 198
9 5 Gesetze der booleschen Algebra 199
9 6 De Morgansche Gesetze 201
12
Inhaltsverzeichnis
9 7 Konsensusregeln 204
9 8 Aufstellung logischer Funktionen 205
981 Disjunktive Normalform 206
982 Konjunktive Normalform 207
9 9 Karnaugh-Veitch-Diagramme 210
9 10 Weitere Vereinfachungen 213
9 11 Ziel der Minimierungen 216
9 12 Der Simulator „Logic Friday“ 216
10 FUNKTIONSEINHEITEN DER DIGITALTECHNIK 223
10 1 Schaltsysteme 223
10 1 1 Schaltnetz und Schaltwerk 223
10 1 2 Asynchron-Schaltwerk 225
10 1 3 Synchron-Schaltwerk 226
10 2 Typische Schaltnetze 227
10 2 1 Multiplexer, Demultiplexer 227
10 2 2 Codierer 229
10 3 Addierwerke 231
10 3 1 Halbaddierer 232
10 3 2 Volladdierer 233
10 3 3 Addierer-Kaskade 234
10 3 4 CLA-Addierer 235
10 4 Digitale Speicher: Flipflops 237
10 4 1 Erste Speicher 237
10 4 2 Arten von Flipflops 238
10 5 Typische Schaltwerke 247
10 5 1 Register 247
10 5 2 Zähler 252
10 6 Hazards und Glitches 257
11 SIMULATION DIGITALER SCHALTUNGEN 259
11 1 Simulation 259
11 2 Das Programm Logisim 260
11 2 Erste Schritte 262
11 3 Weitere Möglichkeiten 265
11 4 Auswahlschaltungen 269
Inhaltsverzeichnis
13
11 5 Arithmetik 270
11 6 Flipflops 272
11 7 Zähler 278
11 8 Weitere Funktionen und Anwendungen 281
11 9 RAM-/ROM-Speicher 284
11 10 Projekt 288
12 KIPPSCHALTUNGEN DER DIGITALTECHNIK 291
12 1 Astabile Kippschaltungen 291
12 2 Schmitt-Trigger 292
12 3 Der NE555 294
12 4 Monostabile Kippschaltungen 296
13 DIGITALE SCHALTKREISFAMILIEN 300
13 1 Kurze Geschichte der Halbleitertechnik 300
13 1 1 Erfindung des Transistors 301
13 1 2 Integrierte Schaltkreise 301
13 1 3 Gesetz des Gordon Moore 302
13 2 Logikfamilien 304
13 3 Erste Logikfamilien 307
13 3 1 RTL-Schaltkreise 307
13 3 2 DTL-Schaltkreise 308
13 4 TTL - Transistor-Transistor-Logik 309
13 5 Integrierte Injektionslogik 312
13 6 Emittergekoppelte Logik 314
13 7 Feldeffekttransistoren 315
13 7 1 MOSFET 316
13 7 2 Schaltkreise in PMOS- und NMOS-Technik 318
13 7 3 Schaltkreise in NMOS-Technik 320
13 8 CMOS-Technologie 321
14 GRUNDLAGEN PROGRAMMIERBARER LOGIK 325
14 1 Einführung 325
14 2 Halbleiterspeicher - Übersicht 327
14
Inhaltsverzeichnis
14 3 Festwertspeicher 328
14 3 1 PROM 329
14 3 2 EPROM und EEPROM 330
14 3 3 Flash-Speicher 331
14 4 Schreib-Lesespeicher RAM 332
14 5 Einfache programmierbare Logikbausteine 333
14 5 1 Prinzip einer PLA 334
14 5 2 Verbindungen 335
14 6 Löschbare Konfigurationen 343
14 6 1 EPLD 343
14 6 2 EEPROM-Speicherung 344
14 6 3 SRAM-Speicherung 344
14 7 Erweiterungen 345
14 7 1 Rückkopplung 347
14 7 2 Registerausgänge 347
14 7 3 OLMCs 348
14 8 Komplexe Logikbausteine - CPLDs 349
14 8 1 Aufbau 350
14 8 2 Anwendungen 351
14 9 Field Programmable Gate Array - FPGA 351
14 9 1 CLB und Look up table 352
14 9 2 Spezifikationen 353
15 BESCHREIBUNG DIGITALER SCHALTUNGEN MIT VHDL 355
15 1 VHDL-Grundiagen 355
15 1 1 Abstraktionsebenen 355
15 1 2 Prinzipielle Funktionsweise 356
15 2 Grundstruktur eines VHDL-Modells 357
15 3 Der Quellcode 359
15 4 Beispiel Verkehrszählung 362
15 4 1 Entities 362
15 4 2 Architecture 364
15 4 3 Komponenten 365
15 4 4 Deklaration Verkehrszählung 365
15 5 Anweisungen 366
15 5 1 Nebenläufige Signalzuweisungen 367
15 5 2 Prozesse 372
15 5 3 Instanziierung 374
15 6 Komplettierung des Beispiels 375
Inhaltsverzeichnis
15
15 7 Verifikation und Hardwarerealisierung 376
Schlussbetrachtung 377
16 EINFÜHRUNG IN DIE MIKROPROZESSORTECHNIK 378
16 1 Ein wenig Geschichte 378
16 2 Abgrenzung der Begriffe 380
16 3 Rechnerarchitekturen 382
16 3 1 Von-Neumann-Architektur 382
16 3 2 Harvard-Architektur 384
16 3 3 RISC- und CISC-Architekturen 385
16 3 4 Mehrkernprozessoren 385
16 4 Komponenten eines Mikroprozessors 387
16 4 1 Bussystem 388
16 4 2 Prozessor 389
16 4 3 Steuerwerk 390
16 5 Prinzip der Befehlsausführung 392
16 5 1 Holphase 392
16 5 2 Ausführphase 393
16 6 Speicher 393
16 7 Programmierung 395
16 7 1 Programmiersprachen 395
16 7 2 Grundform von Befehlen 396
16 7 3 HEX-Schreibweise 398
16 7 4 Assemblersprache 399
16 7 5 Aufbau eines typischen Befehlssatzes 401
16 7 6 Adressierungsarten 403
16 8 Mikrocontroller 408
16 8 1 Struktur eines Mikrocontrollers der Familie 8051 409
16 8 2 Erweiterung mit externem Speicher 412
17 GRUNDLAGEN DER AUTOMATENTHEORIE 415
17 1 Reale Automaten 415
17 2 Endliche Automaten 417
17 3 Endliche Automaten ohne Ausgabe 424
17 4 Endliche Automaten mit Ausgabe 428
17 5 Mealy und Moore 430
17 5 1 Mealy-Automat 430
17 5 2 Moore-Automaten 431
16
Inhaltsverzeichnis
17 5 3 Moore-Schaltwerk 433
17 5 4 Automat als Moore-Schaltwerk 434
17 5 5 Überführung in ein Mealy-Schaltwerk 434
17 6 Nanocomputer als Automat 435
18 AUSBLICK - ZUKÜNFTIGE ENTWICKLUNGEN 437
18 1 Foto-Lithografie 437
18 1 1 Licht-Wellenlänge 438
18 1 2 Neue Belichtungsverfahren 440
18 2 Supercomputer 441
18 3 Visionen 441
18 3 1 Ein Atom pro Bit 443
18 3 2 Die dritte Dimension 445
18 3 3 Quantencomputer 446
18 3 4 Photonische Computer 447
18 3 5 Multiferroika 448
18 4 Die Vergänglichkeit digitaler Daten 449
SCHLUSSWORT 453
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