Grundlagen der Technischen Informatik

Dirk W. Hoffmann

Grundlagen der Technischen Informatik

2016

447 Seiten

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ISBN: 9783446449039

 

Inhaltsverzeichnis

8

1 Einführung

12

1.1 Was ist technische Informatik?

12

1.2 Vom Abakus zum Supercomputer

14

1.3 Wohin geht die Reise?

31

2 Halbleitertechnik

34

2.1 Halbleiter

35

2.1.1 Atommodell von Bohr

35

2.1.2 Reine Halbleiter

38

2.1.3 Dotierte Halbleiter

40

2.2 Integrierte Schaltelemente

42

2.2.1 Halbleiterdioden

42

2.2.2 Bipolartransistoren

43

2.2.3 Feldeffekttransistoren

47

2.3 Chip-Fertigung

52

2.3.1 Produktion integrierter Schaltkreise

52

2.3.2 Integrationsdichte

58

2.4 Übungsaufgaben

59

3 Zahlendarstellung und Codes

60

3.1 Zahlensysteme

61

3.2 Rechnerinterne Zahlenformate

68

3.2.1 Darstellung natürlicher Zahlen

68

3.2.2 Darstellung rationaler Zahlen

74

3.3 Zahlencodes

81

3.3.1 Tetraden-Codes

81

3.3.2 Fehlererkennende Codes

85

3.4 Übungsaufgaben

87

4 Boolesche Algebra

90

4.1 Axiomatisierung nach Huntington

91

4.1.1 Mengenalgebra

92

4.1.2 Schaltalgebra

94

4.2 Boolesche Ausdrücke und Aussagen

96

4.2.1 Abgeleitete Operatoren

98

4.2.2 Erfüllbarkeit und Äquivalenz

101

4.2.3 Strukturelle Induktion

103

4.2.4 Dualitätsprinzip

106

4.3 Rechnen in booleschen Algebren

110

4.3.1 Abgeleitete Umformungsregeln

110

4.3.2 Vereinfachung boolescher Ausdrücke

112

4.3.3 Vollständige Operatorensysteme

118

4.4 Normalformdarstellungen

120

4.4.1 Konjunktive und disjunktive Normalform

120

4.4.2 Reed-Muller-Normalform

123

4.4.3 Binäre Entscheidungsdiagramme

126

4.5 Übungsaufgaben

134

5 Schaltnetze

140

5.1 Grundlagen der Digitaltechnik

141

5.1.1 Schaltkreisfamilien

141

5.1.2 MOS-Schaltungstechnik

146

5.1.3 Lastfaktoren

156

5.2 Schaltungssynthese

157

5.2.1 Zweistufige Schaltungssynthese

158

5.2.2 BDD-basierte Schaltungssynthese

159

5.2.3 FDD-basierte Schaltungssynthese

160

5.3 Formelsynthese

162

5.3.1 Funktionale Formelsynthese

162

5.3.2 Relationale Formelsynthese

164

5.3.3 Definitorische Formelsynthese

165

5.4 Komplexitätsanalyse

168

5.5 Zeitverhalten digitaler Schaltungen

170

5.5.1 Signalausbreitung und -verzögerung

170

5.5.2 Störimpulse

172

5.6 Übungsaufgaben

176

6 Minimierung

182

6.1 Minimierungsziele

183

6.2 Karnaugh-Veitch-Diagramme

187

6.2.1 Minimierung partiell definierter Funktionen

191

6.2.2 Konstruktion Hazard-freier Schaltungen

195

6.2.3 Minimierung mehrstelliger Funktionen

197

6.3 Quine-McCluskey-Verfahren

198

6.4 Übungsaufgaben

202

7 Standardschaltnetze

206

7.1 Motivation

207

7.2 Multiplexer und Demultiplexer

207

7.3 Komparatoren

214

7.4 Präfix-Logik

216

7.5 Addierer

219

7.5.1 Halb- und Volladdierer

219

7.5.2 Carry-ripple-Addierer

221

7.5.3 Carry-look-ahead-Addierer

222

7.5.4 Conditional-Sum-Addierer

225

7.5.5 Präfix-Addierer

228

7.5.6 Carry-save-Addierer

230

7.6 Inkrementierer

233

7.7 Subtrahierer

234

7.8 Multiplizierer

235

7.8.1 Matrixmultiplizierer

236

7.8.2 Carry-save-Multiplizierer

239

7.8.3 Wallace-Tree-Multiplizierer

242

7.8.4 Dadda-Tree-Multiplizierer

247

7.9 Barrel-Shifter

250

7.10 Arithmetisch-logische Einheit

252

7.11 Programmierbare Logikbausteine

254

7.12 Übungsaufgaben

257

8 Schaltwerke

266

8.1 Digitale Speicherelemente

267

8.1.1 Asynchrone Speicherelemente

268

8.1.2 Taktzustandsgesteuerte Speicherelemente

272

8.1.3 Taktflankengesteuerte Speicherelemente

275

8.1.4 Bevorrechtigte Eingänge

282

8.1.5 CMOS-Implementierung

283

8.2 Vom Flipflop zum Schaltwerk

286

8.2.1 Endliche Automaten

287

8.2.2 Schaltwerksynthese

290

8.3 Übungsaufgaben

294

9 Standardschaltwerke

300

9.1 Register

301

9.1.1 Auffangregister

301

9.1.2 Schieberegister

303

9.1.3 Universalregister

305

9.1.4 Akkumulatoren

306

9.2 Zähler

309

9.2.1 Synchrone Binärzähler

310

9.2.2 Asynchrone Binärzähler

314

9.2.3 Mischzähler

315

9.2.4 Instruktionszähler

317

9.3 Hauptspeicher

319

9.3.1 SRAM-Speicher

319

9.3.2 DRAM-Speicher

321

9.3.3 Fehlererkennung und -korrektur

328

9.4 Übungsaufgaben

331

10 Register-Transfer-Entwurf

336

10.1 Entwurf komplexer Systeme

337

10.1.1 Operationswerksynthese

339

10.1.2 Steuerwerksynthese

341

10.2 Mikroprogrammierung

344

10.3 Übungsaufgaben

350

11 Mikroprozessortechnik

352

11.1 Elemente eines Mikrorechners

353

11.1.1 Von-Neumann-Architektur

353

11.1.2 Aufbau der CPU

357

11.2 Ein einfacher Modellprozessor

361

11.3 Übungsaufgaben

375

12 Rechnerstrukturen

378

12.1 Rechnerklassifikation nach Flynn

379

12.2 Instruktionsarchitekturen

380

12.2.1 CISC-Prozessoren

381

12.2.2 RISC-Prozessoren

385

12.3 Methoden zur Leistungssteigerung

389

12.3.1 Pipelining

389

12.3.2 Cache-Speicher

394

12.4 Leistungsbewertung

400

12.4.1 Maßzahlen zur Leistungsbewertung

400

12.4.2 Benchmarks

403

12.5 Übungsaufgaben

406

A Notationsverzeichnis

412

B Abkürzungsverzeichnis

414

C Glossar

416

Literaturverzeichnis

434

Namensverzeichnis

438

Sachwortverzeichnis

440

 

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