Grundlagen der Technischen Informatik
Description
Das Buch führt Schritt für Schritt und praxisnah in das Gebiet der technischen Informatik ein. Die Stoffauswahl wurde aus den typischen Lehrinhalten der Vorlesungen "Technische Informatik I" und "Technische Informatik II" zusammengestellt, wie sie im Grundstudium an vielen Hochschulen und Universitäten unterrichtet werden. Neben dem Grundlagenwissen aus den Gebieten der Zahlendarstellung und der booleschen Algebra vermittelt das Werk die Entwurfsprinzipien kombinatorischer und sequenzieller Hardware-Komponenten bis hin zur Beschreibung moderner Prozessor- und Speicherarchitekturen. Das Buch spannt dabei den Bogen von den mathematischen Grundlagen digitaler Schaltelemente bis zu ausgefeilten Hardware-Optimierungen moderner Hochleistungscomputer. Die Lehrinhalte aller Kapitel werden durch zahlreiche Übungsaufgaben komplettiert, so dass sich die Lektüre neben der Verwendung als studienbegleitendes Lehrbuch auch bestens zum Selbststudium eignet. Die Lösungen zu den Übungsaufgaben, Übungsblätter, Vorlesungsfolien, Glossar sowie zahlreiche interaktive Beispielschaltungen bieten einen vielfältigen Zusatznutzen und stehen im Internet zur Verfügung.
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Content
2 - Inhaltsverzeichnis [Seite 8]
3 - 1 Einführung [Seite 14]
3.1 - 1.1 Was ist technische Informatik? [Seite 14]
3.2 - 1.2 Vom Abakus zum Supercomputer [Seite 16]
3.3 - 1.3 Wohin geht die Reise? [Seite 33]
4 - 2 Halbleitertechnik [Seite 36]
4.1 - 2.1 Halbleiter [Seite 37]
4.1.1 - 2.1.1 Atommodell von Bohr [Seite 37]
4.1.2 - 2.1.2 Reine Halbleiter [Seite 40]
4.1.3 - 2.1.3 Dotierte Halbleiter [Seite 42]
4.2 - 2.2 Integrierte Schaltelemente [Seite 44]
4.2.1 - 2.2.1 Halbleiterdioden [Seite 44]
4.2.2 - 2.2.2 Bipolartransistoren [Seite 45]
4.2.3 - 2.2.3 Feldeffekttransistoren [Seite 49]
4.3 - 2.3 Chip-Fertigung [Seite 54]
4.3.1 - 2.3.1 Produktion integrierter Schaltkreise [Seite 54]
4.3.2 - 2.3.2 Integrationsdichte [Seite 60]
4.4 - 2.4 Übungsaufgaben [Seite 61]
5 - 3 Zahlendarstellung und Codes [Seite 62]
5.1 - 3.1 Zahlensysteme [Seite 63]
5.2 - 3.2 Rechnerinterne Zahlenformate [Seite 71]
5.2.1 - 3.2.1 Darstellung natürlicher Zahlen [Seite 71]
5.2.2 - 3.2.2 Darstellung rationaler Zahlen [Seite 77]
5.3 - 3.3 Zahlencodes [Seite 84]
5.3.1 - 3.3.1 Tetraden-Codes [Seite 84]
5.3.2 - 3.3.2 Fehlererkennende Codes [Seite 88]
5.4 - 3.4 Zeichencodes [Seite 90]
5.4.1 - 3.4.1 ASCII-Code [Seite 90]
5.4.2 - 3.4.2 ISO 8859 [Seite 92]
5.4.3 - 3.4.3 Unicode [Seite 93]
5.5 - 3.5 Übungsaufgaben [Seite 97]
6 - 4 Boolesche Algebra [Seite 102]
6.1 - 4.1 Axiomatisierung nach Huntington [Seite 103]
6.1.1 - 4.1.1 Mengenalgebra [Seite 104]
6.1.2 - 4.1.2 Schaltalgebra [Seite 106]
6.2 - 4.2 Boolesche Ausdrücke und Aussagen [Seite 108]
6.2.1 - 4.2.1 Abgeleitete Operatoren [Seite 110]
6.2.2 - 4.2.2 Erfüllbarkeit und Äquivalenz [Seite 113]
6.2.3 - 4.2.3 Strukturelle Induktion [Seite 115]
6.2.4 - 4.2.4 Dualitätsprinzip [Seite 118]
6.3 - 4.3 Rechnen in booleschen Algebren [Seite 122]
6.3.1 - 4.3.1 Abgeleitete Umformungsregeln [Seite 122]
6.3.2 - 4.3.2 Vereinfachung boolescher Ausdrücke [Seite 124]
6.3.3 - 4.3.3 Vollständige Operatorensysteme [Seite 130]
6.4 - 4.4 Normalformdarstellungen [Seite 132]
6.4.1 - 4.4.1 Konjunktive und disjunktive Normalform [Seite 132]
6.4.2 - 4.4.2 Reed-Muller-Normalform [Seite 135]
6.4.3 - 4.4.3 Binäre Entscheidungsdiagramme [Seite 137]
6.5 - 4.5 Übungsaufgaben [Seite 146]
7 - 5 Schaltnetze [Seite 152]
7.1 - 5.1 Grundlagen der Digitaltechnik [Seite 153]
7.1.1 - 5.1.1 Schaltkreisfamilien [Seite 153]
7.1.2 - 5.1.2 MOS-Schaltungstechnik [Seite 158]
7.1.3 - 5.1.3 Lastfaktoren [Seite 168]
7.2 - 5.2 Schaltungssynthese [Seite 169]
7.2.1 - 5.2.1 Zweistufige Schaltungssynthese [Seite 170]
7.2.2 - 5.2.2 BDD-basierte Schaltungssynthese [Seite 171]
7.2.3 - 5.2.3 FDD-basierte Schaltungssynthese [Seite 172]
7.3 - 5.3 Formelsynthese [Seite 174]
7.3.1 - 5.3.1 Funktionale Formelsynthese [Seite 174]
7.3.2 - 5.3.2 Relationale Formelsynthese [Seite 176]
7.3.3 - 5.3.3 Definitorische Formelsynthese [Seite 177]
7.4 - 5.4 Komplexitätsanalyse [Seite 180]
7.5 - 5.5 Zeitverhalten digitaler Schaltungen [Seite 182]
7.5.1 - 5.5.1 Signalausbreitung und -verzögerung [Seite 182]
7.5.2 - 5.5.2 Störimpulse [Seite 184]
7.6 - 5.6 Übungsaufgaben [Seite 189]
8 - 6 Minimierung [Seite 194]
8.1 - 6.1 Minimierungsziele [Seite 195]
8.2 - 6.2 Karnaugh-Veitch-Diagramme [Seite 199]
8.2.1 - 6.2.1 Minimierung partiell definierter Funktionen [Seite 203]
8.2.2 - 6.2.2 Konstruktion Hazard-freier Schaltungen [Seite 207]
8.2.3 - 6.2.3 Minimierung mehrstelliger Funktionen [Seite 209]
8.3 - 6.3 Quine-McCluskey-Verfahren [Seite 211]
8.4 - 6.4 Übungsaufgaben [Seite 216]
9 - 7 Standardschaltnetze [Seite 220]
9.1 - 7.1 Motivation [Seite 221]
9.2 - 7.2 Multiplexer und Demultiplexer [Seite 221]
9.3 - 7.3 Komparatoren [Seite 228]
9.4 - 7.4 Präfix-Logik [Seite 230]
9.5 - 7.5 Addierer [Seite 233]
9.5.1 - 7.5.1 Halb- und Volladdierer [Seite 233]
9.5.2 - 7.5.2 Carry-ripple-Addierer [Seite 235]
9.5.3 - 7.5.3 Carry-look-ahead-Addierer [Seite 236]
9.5.4 - 7.5.4 Präfix-Addierer [Seite 239]
9.5.5 - 7.5.5 Carry-save-Addierer [Seite 241]
9.6 - 7.6 Inkrementierer [Seite 244]
9.7 - 7.7 Subtrahierer [Seite 245]
9.8 - 7.8 Multiplizierer [Seite 246]
9.8.1 - 7.8.1 Matrixmultiplizierer [Seite 247]
9.8.2 - 7.8.2 Carry-save-Multiplizierer [Seite 250]
9.8.3 - 7.8.3 Wallace-Tree-Multiplizierer [Seite 253]
9.8.4 - 7.8.4 Dadda-Tree-Multiplizierer [Seite 258]
9.9 - 7.9 Barrel-Shifter [Seite 261]
9.10 - 7.10 Arithmetisch-logische Einheit [Seite 263]
9.11 - 7.11 Programmierbare Logikbausteine [Seite 265]
9.12 - 7.12 Übungsaufgaben [Seite 268]
10 - 8 Schaltwerke [Seite 276]
10.1 - 8.1 Digitale Speicherelemente [Seite 277]
10.1.1 - 8.1.1 Asynchrone Speicherelemente [Seite 278]
10.1.2 - 8.1.2 Taktzustandsgesteuerte Speicherelemente [Seite 282]
10.1.3 - 8.1.3 Taktflankengesteuerte Speicherelemente [Seite 285]
10.1.4 - 8.1.4 Bevorrechtigte Eingänge [Seite 292]
10.1.5 - 8.1.5 CMOS-Implementierung [Seite 293]
10.2 - 8.2 Vom Flipflop zum Schaltwerk [Seite 296]
10.2.1 - 8.2.1 Endliche Automaten [Seite 297]
10.2.2 - 8.2.2 Schaltwerksynthese [Seite 300]
10.3 - 8.3 Übungsaufgaben [Seite 304]
11 - 9 Standardschaltwerke [Seite 310]
11.1 - 9.1 Register [Seite 311]
11.1.1 - 9.1.1 Auffangregister [Seite 311]
11.1.2 - 9.1.2 Schieberegister [Seite 313]
11.1.3 - 9.1.3 Universalregister [Seite 315]
11.1.4 - 9.1.4 Akkumulatoren [Seite 316]
11.2 - 9.2 Zähler [Seite 319]
11.2.1 - 9.2.1 Synchrone Binärzähler [Seite 320]
11.2.2 - 9.2.2 Asynchrone Binärzähler [Seite 324]
11.2.3 - 9.2.3 Mischzähler [Seite 325]
11.2.4 - 9.2.4 Instruktionszähler [Seite 327]
11.3 - 9.3 Hauptspeicher [Seite 329]
11.3.1 - 9.3.1 SRAM-Speicher [Seite 329]
11.3.2 - 9.3.2 DRAM-Speicher [Seite 331]
11.3.3 - 9.3.3 Fehlererkennung und -korrektur [Seite 338]
11.4 - 9.4 Übungsaufgaben [Seite 341]
12 - 10 Register-Transfer-Entwurf [Seite 346]
12.1 - 10.1 Entwurf komplexer Systeme [Seite 347]
12.1.1 - 10.1.1 Operationswerksynthese [Seite 349]
12.1.2 - 10.1.2 Steuerwerksynthese [Seite 351]
12.2 - 10.2 Mikroprogrammierung [Seite 354]
12.3 - 10.3 Übungsaufgaben [Seite 360]
13 - 11 Mikroprozessortechnik [Seite 362]
13.1 - 11.1 Elemente eines Mikrorechners [Seite 363]
13.1.1 - 11.1.1 Von-Neumann-Architektur [Seite 363]
13.1.2 - 11.1.2 Aufbau der CPU [Seite 367]
13.2 - 11.2 Ein einfacher Modellprozessor [Seite 371]
13.3 - 11.3 Übungsaufgaben [Seite 385]
14 - 12 Rechnerstrukturen [Seite 388]
14.1 - 12.1 Rechnerklassifikation nach Flynn [Seite 389]
14.2 - 12.2 Instruktionsarchitekturen [Seite 390]
14.2.1 - 12.2.1 CISC-Prozessoren [Seite 391]
14.2.2 - 12.2.2 RISC-Prozessoren [Seite 395]
14.3 - 12.3 Methoden zur Leistungssteigerung [Seite 399]
14.3.1 - 12.3.1 Pipelining [Seite 399]
14.3.2 - 12.3.2 Cache-Speicher [Seite 404]
14.4 - 12.4 Leistungsbewertung [Seite 410]
14.4.1 - 12.4.1 Maßzahlen zur Leistungsbewertung [Seite 410]
14.4.2 - 12.4.2 Benchmarks [Seite 413]
14.5 - 12.5 Übungsaufgaben [Seite 416]
15 - Anhang [Seite 422]
15.1 - A Symbolschema der DIN 40900 [Seite 424]
15.2 - B Notationsverzeichnis [Seite 428]
15.3 - C Gesetze der Schaltalgebra [Seite 430]
15.4 - D Abkürzungsverzeichnis [Seite 432]
16 - Literaturverzeichnis [Seite 434]
17 - Namensverzeichnis [Seite 438]
18 - Sachwortverzeichnis [Seite 440]
2 Halbleitertechnik (S. 35-36)
2.1 Halbleiter
Der historische Rückblick in Kapitel 1 hat aufgezeigt, dass die Entwicklung der Computertechnik eng mit den Fortschritten im Bereich der integrierten Schaltungstechnik verbunden ist. Ohne die beeindruckenden Erfolge im Bereich der Hochintegration in der zweiten Hälfte des vorherigen Jahrhunderts wäre die Konstruktion von elektronischen Geräten, wie wir sie heute kennen und fast schon als selbstverständlich erachten, niemals Realität geworden. Im Detail betrachtet setzen sich moderne Mikrochips aus mehreren Millionen winziger Verknüpfungsglieder zusammen, die in einem komplizierten Fertigungsprozess dicht gepackt auf ein kleines Stück Silizium aufgebracht werden.
Dass wir heute technisch in der Lage sind, mikroskopisch kleine Schaltelemente zu erzeugen, die zudem um viele Größenordnungen schneller schalten als die lange Zeit dominierende Röhrentriode, haben wir den chemischen und physikalischen Eigenschaften einer ganz bestimmten Stoffgruppe zu verdanken – den Halbleitern. Halbleiter sind der Grundstoff mikroelektronischer Schaltungen und die daraus gefertigten Transistoren spielen in der Computertechnik die gleiche Rolle wie die Nukleotide in der Genetik. Aufgrund ihrer immensen Bedeutung wollen wir in diesem und den nächsten Abschnitten einen genaueren Blick auf die Grundbausteine wagen, aus denen sich sämtliche modernen Hardware-Schaltungen zusammensetzen.
Insbesondere werden wir die Frage klären, was Halbleiterelemente so einzigartig macht und wie wir ihre besonderen Eigenschaften für die Konstruktion komplexer Mikrochips nutzen können. Im nächsten Abschnitt werden wir zunächst einen kleinen, aber unabdingbaren Ausflug in die Chemie unternehmen und zunächst auf atomarer Ebene klären, wie sich Stromflüsse durch die Bewegung einzelner Elektronen im Detail erklären lassen. Auf den erworbenen Grundkenntnissen aufbauend werden wir in den Abschnitten 2.2.1 bis 2.2.3 mit der Halbleiterdiode und dem Transistor die zentralen Bausteine kennen lernen, die in einem komplexen Zusammenspiel das Verhalten von Mikrochips definieren, mit denen wir tagtäglich hundertfach in Berührung kommen.
2.1.1 Atommodell von Bohr
Nach dem Bohr’schen Atommodell setzt sich ein einzelnes Atom aus Protonen, Neutronen und Elektronen zusammen. Protonen tragen eine positive, Elektronen eine negative Ladung. Beide weisen die exakt identische Ladungsmenge auf, so dass ein Proton durch jeweils ein Elektron kompensiert wird. Der dritte atomare Baustein – das Neutron – ist ladungsneutral und trägt ausschließlich zur Masse des Atoms bei. In allen chemischen Elementen ist die Beschaffenheit der drei Grundbausteine gleich.
Einzig die zahlenmäßige Zusammensetzung von Protonen und Neutronen im Atomkern entscheidet, welches chemische Element wir letztendlich vor uns haben. Im Normalzustand ist ein Atom nach außen ladungsneutral – es besitzt genauso viele Protonen wie Elektronen. Weicht die Zahl der Elektronen von der Zahl der Protonen ab, so sprechen wir von einem Ion. Ein Ion ist stets negativ oder positiv geladen, je nachdem, ob die Anzahl der Elektronen die Anzahl der Protonen übersteigt oder umgekehrt. Abbildung 2.2 demonstriert den schematischen Aufbau eines Heliumatoms im Bohr’schen Atommodell. Während je zwei Protonen und Neutronen den Atomkern bilden, befinden sich die die beiden Elekronen in der Atomhülle.
Diese besteht aus mehreren Schalen, auf denen sich die Elektronen um den Kern bewegen. Beachten Sie, dass die Skizze in Abbildung 2.2 bei weitem nicht maßstabsgetreu gezeichnet ist. In Wirklichkeit ist der Radius der Atomhülle rund 10.000 mal kleiner als der des Kerns. Trotzdem trägt der Atomkern fast die komplette Masse eines Atoms. Obwohl Protonen und Neutronen eine unglaublich kleine Masse von 1.6725×10−24 g bzw. 1.6748×10−24 g besitzen, sind sie immer noch knapp 2000 mal schwerer als ein Elektron. Ein wesentliches Merkmal des Bohr’schen Atommodells betrifft die Abstände, in denen einzelne Elektronen den Atomkern umkreisen können.
