Hardware Design

1 Mathematische Grundlagen.- 1.1 Über Gott und die Welt.- 1.2 Elementare Konzepte.- 1.2.1 Natürliche Zahlen.- 1.2.2 Induktion.- 1.2.3 Variablen und der naive Mengenbegriff.- 1.2.4 Funktionen und Relationen.- 1.2.5 Zeichenreihen.- 1.2.6 Zeichensätze.- 1.3 Rechnen.- 1.3.1 Vollständig geklammerte Ausdrücke.- 1.3.2 Auswertung von Ausdrücken.- 1.3.3 Identitäten.- 1.3.4 Unvollständig geklammerte Ausdrücke.- 1.4 Zahlen.- 1.4.1 Ganze Zahlen, rationale Zahlen, reelle Zahlen.- 1.4.2 Zahlendarstellungen.- 1.4.3 Abzählbarkeit.- 1.5 Formale Logik.- 1.5.1 Prädikate.- 1.5.2 Formale Fassung des Mengenkonzepts.- 1.5.3 Beweissysteme.- 1.6 Übungen.- 2 Boole'sche Ausdrücke.- 2.1 Mächtigkeit endlicher Mengen.- 2.2 Rechnen mit Boole'schen Ausdrücken.- 2.2.1 Vollständig geklammerte Ausdrücke.- 2.2.2 Einsetzungen.- 2.2.3 Identitäten und Ungleichungen.- 2.2.4 Lösen von Gleichungen.- 2.2.5 Der Darstellungssatz.- 2.3 Kosten von Ausdrücken.- 2.3.1 Definitionen.- 2.3.2 Allgemeine Schranken.- 2.4 Polynome und Resolution.- 2.4.1 Polynome und Primimplikanten.- 2.4.2 Das Verfahren von Quine-McCluskey.- 2.4.3 Monome und n-Würfel.- 2.4.4 Bestimmung von Minimalpolynomen.- 2.4.5 Nullstellen und Erfüllbarkeit.- 2.4.6 Erfüllbarkeit von konjunktiven Normalformen.- 2.4.7 Resolutionsbeweise.- 2.5 Übungen.- 3 Schaltkreise.- 3.1 Gerichtete Graphen und Schaltkreise.- 3.1.1 Gerichtete Graphen.- 3.1.2 Gatter.- 3.1.3 Schaltkreise.- 3.2 Rechnen mit Schaltkreisen.- 3.2.1 Einsetzungen.- 3.2.2 Identitäten und berechnete Funktionen.- 3.2.3 Anfangsschaltkreise.- 3.3 Darstellungssatz.- 3.4 Schaltkreiskomplexität.- 3.4.1 Komplexitätsmaße.- 3.4.2 Assoziativität und balancierte Bäume.- 3.5 Schaltkreise und Boole'sche Ausdrücke.- 3.5.1 Subfunktionen.- 3.5.2 Das Kriterium von Neciporuk.- 3.5.3 Selektoren.- 3.5.4 Funktionen mit vielen Subfunktionen.- 3.6 Übungen.- 4 Arithmetik.- 4.1 Zahlendarstellungen.- 4.1.1 Stellenwertsysteme.- 4.1.2 Binärzahlen.- 4.1.3 2's-Complement-Darstellung.- 4.2 Addierer.- 4.2.1 Halb- und Volladdierer.- 4.2.2 Carry-Chain Addierer.- 4.2.3 Incrementer.- 4.2.4 Conditional-Sum Addierer.- 4.2.5 Carry-Lookahead Addierer.- 4.3 Subtraktion.- 4.3.1 Addition von 2's-Complement-Zahlen.- 4.3.2 Addierer und Subtrahierer.- 4.4 Multiplizierer.- 4.4.1 Multiplikation nach der Schulmethode.- 4.4.2 Wallace-Tree Multiplizierer.- 4.4.3 Multiplikation nach Karatsuba und Ofman.- 4.5 Aufbau von Arithmetikeinheiten.- 4.5.1 Bit Slice Designs.- 4.6 Übungen.- 5 Speicher und Tristate-Bausteine.- 5.1 Physikalische Eigenschaften von Gattern.- 5.1.1 Logische und physikalische Signale.- 5.1.2 Fanout.- 5.1.3 Verzögerungszeiten.- 5.1.4 Transferfunktionen.- 5.1.5 Kapazitive Last.- 5.1.6 Worst Case Timing-Analyse.- 5.1.7 Spikefreies Umschalten von Gattern.- 5.2 Flipflops.- 5.2.1 R/S-Flipflop.- 5.2.2 D-Latch.- 5.2.3 D-Flipflop.- 5.3 Bausteine mit Flipflops.- 5.3.1 Register.- 5.3.2 Zähler.- 5.4 Statischer Speicher.- 5.4.1 Mehrfaches OR.- 5.4.2 Treiberbäume.- 5.4.3 Dekodierer.- 5.4.4 Aufbau eines statischen Speichers.- 5.5 Tristate-Treiber, Busse und Pipelines.- 5.5.1 Speicher und Bus Contention.- 5.5.2 Wired OR.- 5.6 Übungen.- 6 Ein einfacher Rechner.- 6.1 Die abstrakte RESA-Maschine.- 6.1.1 Load und Store.- 6.1.2 Compute Befehle.- 6.1.3 Immediate Befehle.- 6.1.4 Indexregister.- 6.1.5 Sprungbefehle.- 6.2 Instruktionssatz.- 6.2.1 Instruktionsformate.- 6.2.2 Load Befehle.- 6.2.3 Store Befehle.- 6.2.4 Compute Befehle.- 6.2.5 Sprungbefehle.- 6.2.6 Erzeugung großer Konstanten und Shifts.- 6.2.7 Selbstmodifikation und von Neumann-Architektur.- 6.2.8 Sign Extension.- 6.3 Datenpfade.- 6.4 Idealisierte Timing-Diagramme.- 6.5 PLAs, PROMs und PALs.- 6.5.1 PLAs.- 6.5.2 PROMs und EPROMs.- 6.5.3 PALs.- 6.5.4 PALASM.- 6.6 Kontrollogik.- 6.6.1 Clock und Phasensignale.- 6.6.2 Clocksignale.- 6.6.3 Output enable Signale.- 6.6.4 Kontrolle der ALU und Sign-Extension.- 6.6.5 Laden des Befehlszählers.- 6.6.6 Asynchrone Signale und Reset.- 6.6.7 Ansteuerung des Speichers.- 6.7 Exakte Timing-Analyse.- 6.7.1 Kontrollogik.- 6.7.2 Vermeidung von Bus contention.- 6.7.3 Inkrementieren des Befehlszählers.- 6.7.4 Compute-Befehle.- 6.7.5 LOADIN1 und STOREIN1.- 6.7.6 Jump.- 6.7.7 Zykluszeit und Befehlsrate.- 6.7.8 ALUs mit Carry Lookahead und Conditional Sum.- 6.7.9 Kontrollsignale mit 3.5 Zyklen Dauer.- 6.7.10 Verkürzung des Fetch-Zyklus.- 6.7.11 Einschalten des Stroms.- 6.8 Ein- und Ausgabe.- 6.8.1 I/O-Ports und Interfaces.- 6.8.2 UART.- 6.8.3 EPROM.- 6.8.4 Datenpfade und Memory Map.- 6.8.5 Busprotokoll und Wait-Zyklen.- 6.8.6 Zustandsdiagramme.- 6.8.7 Kontrolle des Speichers.- 6.9 Übungen.- A Verwendete Bauteile.- A.1 Gatter.- A.2 Multiplexer.- A.3 Register.- A.4 Zähler.- A.5 Treiber.- A.6 ALU Bausteine.- A.7 PALs.- A.8 Speicherbausteine.- A.9 Ein- und Ausgabe.- B PAL-Gleichungen.- B.1 CPU-Kontrolle.- B.2 SRAM-Kontrolle.- B.3 EPROM-Kontrolle.- B.4 UART-Kontrolle.