Grundlagen der Technischen Informatik

von: Dirk W. Hoffmann

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2007

ISBN: 9783446411319

Sprache: Deutsch

432 Seiten, Download: 11724 KB

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Grundlagen der Technischen Informatik

	Vorwort	6
	Inhaltsverzeichnis	8
	1 Einführung	12
	1.1 Was ist technische Informatik?	12
	1.2 Vom Abakus zum Supercomputer	14
	Die ersten mechanischen Rechenhilfen	14
	Die Schickard’sche Rechenuhr	15
	Die Rechenmaschinen des Charles Babbage	16
	Die elektrische Revolution	18
	Die legendäre Z3 des Konrad Zuse	18
	Die Harvard Mark I	20
	Die ENIAC	21
	Der Siegeszug des Transistors	24
	Der erste Mikroprozessor	28
	Die Entwicklung bis heute	30
	1.3 Wohin geht die Reise?	31
	2 Zahlendarstellung und Codes	34
	2.1 Zahlensysteme	35
	Konvertierung zwischen Zahlensystemen	39
	2.2 Rechnerinterne Zahlenformate	43
	2.2.1 Darstellung natürlicher Zahlen	43
	Vorzeichenbitdarstellung	45
	Einerkomplement	46
	Zweierkomplement	47
	2.2.2 Darstellung rationaler Zahlen	49
	Festkommazahlen	49
	Gleitkommazahlen	50
	Die IEEE-754-Gleitkommaformate	53
	2.3 Zahlencodes	56
	2.3.1 Tetraden-Codes	56
	Der BCD-Code	57
	Der Stibitz-Code	58
	Der Aiken-Code	59
	Der Gray-Code	59
	2.3.2 Fehlererkennende Codes	60
	2.4 Zeichencodes	62
	2.4.1 ASCII-Code	62
	2.4.2 ISO 8859	64
	2.4.3 Unicode	65
	2.5 Übungsaufgaben	69
	3 Boolesche Algebra	74
	3.1 Axiomatisierung nach Huntington	75
	3.1.1 Mengenalgebra	76
	3.1.2 Schaltalgebra	78
	3.2 Boolesche Ausdrücke und Aussagen	80
	3.2.1 Abgeleitete Operatoren	82
	3.2.2 Erfüllbarkeit und Äquivalenz	85
	3.2.3 Strukturelle Induktion	87
	3.2.4 Dualitätsprinzip	90
	3.3 Rechnen in booleschen Algebren	94
	3.3.1 Abgeleitete Umformungsregeln	94
	3.3.2 Vereinfachung boolescher Ausdrücke	96
	3.3.3 Vollständige Operatorensysteme	102
	3.4 Normalformdarstellungen	104
	3.4.1 Konjunktive und disjunktive Normalform	104
	3.4.2 Reed-Muller-Normalform	107
	3.4.3 Binäre Entscheidungsdiagramme	109
	3.5 Übungsaufgaben	118
	4 Schaltnetze	124
	4.1 Grundlagen der Digitaltechnik	125
	4.2 Schaltungssynthese	130
	4.2.1 Zweistufige Schaltungssynthese	131
	4.2.2 BDD-basierte Schaltungssynthese	132
	4.2.3 FDD-basierte Schaltungssynthese	133
	4.3 Formelsynthese	135
	4.3.1 Funktionale Formelsynthese	135
	4.3.2 Relationale Formelsynthese	137
	4.3.3 De.nitorische Formelsynthese	138
	4.4 Komplexitätsanalyse	141
	4.5 Zeitverhalten digitaler Schaltungen	143
	4.5.1 Signalausbreitung und -verzögerung	143
	4.5.2 Störimpulse	145
	4.6 Übungsaufgaben	150
	5 Minimierung	154
	5.1 Minimierungsziele	155
	5.2 Karnaugh-Veitch-Diagramme	159
	5.2.1 Minimierung partiell de.nierter Funktionen	163
	5.2.2 Konstruktion Hazard-freier Schaltungen	167
	5.2.3 Minimierung mehrstelliger Funktionen	169
	5.3 Quine-McCluskey-Verfahren	171
	Konstruktion der Primimplikantentafel	172
	Konstruktion einer minimalen Überdeckung	172
	Minimierung partiell definierter Funktionen	174
	5.4 Übungsaufgaben	176
	6 Standardschaltnetze	182
	6.1 Motivation	183
	6.2 Multiplexer und Demultiplexer	183
	Multiplexer	184
	6.3 Komparatoren	190
	6.4 Präfix-Logik	192
	6.5 Addierer	195
	6.5.1 Halb- und Volladdierer	195
	6.5.2 Carry-ripple-Addierer	197
	6.5.3 Carry-look-ahead-Addierer	198
	6.5.4 Präfix-Addierer	201
	6.5.5 Carry-save-Addierer	203
	6.6 Inkrementierer	206
	6.7 Subtrahierer	207
	6.8 Multiplizierer	208
	6.8.1 Matrixmultiplizierer	209
	6.8.2 Carry-save-Multiplizierer	212
	6.9 Barrel-Shifter	215
	6.10 Arithmetisch-logische Einheit	217
	6.11 Programmierbare Logikbausteine	219
	6.12 Übungsaufgaben	222
	7 Schaltwerke	230
	7.1 Digitale Speicherelemente	231
	7.1.1 Asynchrone Speicherelemente	232
	Asynchrones RS-Latch	232
	7.1.2 Taktzustandsgesteuerte Speicherelemente	236
	Synchrones RS-Latch	237
	Synchrones D-Latch	237
	7.1.3 Takt.ankengesteuerte Speicherelemente	239
	Synchrones RS-Flip.op	241
	Synchrones D-Flip.op	242
	Synchrones T-Flip.op	243
	Synchrones JK-Flip.op	244
	7.1.4 Bevorrechtigte Eingänge	246
	7.2 Vom Flipflop zum Schaltwerk	247
	7.2.1 Endliche Automaten	248
	7.2.2 Schaltwerksynthese	251
	7.3 Übungsaufgaben	255
	8 Standardschaltwerke	260
	8.1 Register	261
	8.1.1 Auffangregister	261
	8.1.2 Schieberegister	263
	8.1.3 Universalregister	265
	8.1.4 Akkumulatoren	266
	8.2 Zähler	269
	8.2.1 Synchrone Binärzähler	270
	8.2.2 Asynchrone Binärzähler	274
	8.2.3 Mischzähler	275
	8.2.4 Instruktionszähler	277
	8.3 Hauptspeicher	279
	8.3.1 SRAM-Speicher	279
	8.3.2 DRAM-Speicher	281
	8.3.3 Fehlererkennung und -korrektur	288
	8.4 Übungsaufgaben	291
	9 Register-Transfer-Entwurf	296
	9.1 Entwurf komplexer Systeme	297
	9.1.1 Operationswerksynthese	299
	9.1.2 Steuerwerksynthese	301
	9.2 Mikroprogrammierung	304
	9.3 Übungsaufgaben	310
	10 Mikroprozessortechnik	312
	10.1 Elemente eines Mikrorechners	313
	10.1.1 Von-Neumann-Architektur	313
	10.1.2 Aufbau der CPU	317
	10.2 Ein einfacher Modellprozessor	321
	10.3 Übungsaufgaben	335
	11 Rechnerstrukturen	338
	11.1 Rechnerklassi.kation nach Flynn	339
	11.2 Instruktionsarchitekturen	340
	11.2.1 CISC-Prozessoren	341
	11.2.2 RISC-Prozessoren	345
	11.3 Methoden zur Leistungssteigerung	349
	11.3.1 Pipelining	349
	11.3.2 Cache-Speicher	354
	11.4 Leistungsbewertung	360
	11.4.1 Maßzahlen zur Leistungsbewertung	360
	11.4.2 Benchmarks	363
	11.5 Übungsaufgaben	366
	Anhang	372
	A Symbolschema der DIN 40900	374
	B Notationsverzeichnis	378
	C Gesetze der Schaltalgebra	380
	D Abkürzungsverzeichnis	382
	E Glossar	384
	Literaturverzeichnis	416
	Index	422
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