Grundlagen der Technischen Informatik

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung

1.1 Was ist technische Informatik?

1.2 Vom Abakus zum Supercomputer

1.3 Wohin geht die Reise?

2 Halbleitertechnik

2.1 Halbleiter

2.1.1 Atommodell von Bohr

2.1.2 Reine Halbleiter

2.1.3 Dotierte Halbleiter

2.2 Integrierte Schaltelemente

2.2.1 Halbleiterdioden

2.2.2 Bipolartransistoren

2.2.3 Feldeffekttransistoren

2.3 Chip-Fertigung

2.3.1 Produktion integrierter Schaltkreise

2.3.2 Integrationsdichte

2.4 Übungsaufgaben

3 Zahlendarstellung und Codes

3.1 Zahlensysteme

3.2 Rechnerinterne Zahlenformate

3.2.1 Darstellung natürlicher Zahlen

3.2.2 Darstellung rationaler Zahlen

3.3 Zahlencodes

3.3.1 Tetraden-Codes

3.3.2 Fehlererkennende Codes

3.4 Übungsaufgaben

4 Boolesche Algebra

4.1 Axiomatisierung nach Huntington

4.1.1 Mengenalgebra

4.1.2 Schaltalgebra

4.2 Boolesche Ausdrücke und Aussagen

4.2.1 Abgeleitete Operatoren

4.2.2 Erfüllbarkeit und Äquivalenz

4.2.3 Strukturelle Induktion

4.2.4 Dualitätsprinzip

4.3 Rechnen in booleschen Algebren

4.3.1 Abgeleitete Umformungsregeln

4.3.2 Vereinfachung boolescher Ausdrücke

4.3.3 Vollständige Operatorensysteme

4.4 Normalformdarstellungen

4.4.1 Konjunktive und disjunktive Normalform

4.4.2 Reed-Muller-Normalform

4.4.3 Binäre Entscheidungsdiagramme

4.5 Übungsaufgaben

5 Schaltnetze

5.1 Grundlagen der Digitaltechnik

5.1.1 Schaltkreisfamilien

5.1.2 MOS-Schaltungstechnik

5.1.3 Lastfaktoren

5.2 Schaltungssynthese

5.2.1 Zweistufige Schaltungssynthese

5.2.2 BDD-basierte Schaltungssynthese

5.2.3 FDD-basierte Schaltungssynthese

5.3 Formelsynthese

5.3.1 Funktionale Formelsynthese

5.3.2 Relationale Formelsynthese

5.3.3 Definitorische Formelsynthese

5.4 Komplexitätsanalyse

5.5 Zeitverhalten digitaler Schaltungen

5.5.1 Signalausbreitung und -verzögerung

5.5.2 Störimpulse

5.6 Übungsaufgaben

6 Minimierung

6.1 Minimierungsziele

6.2 Karnaugh-Veitch-Diagramme

6.2.1 Minimierung partiell definierter Funktionen

6.2.2 Konstruktion Hazard-freier Schaltungen

6.2.3 Minimierung mehrstelliger Funktionen

6.3 Quine-McCluskey-Verfahren

6.4 Übungsaufgaben

7 Standardschaltnetze

7.1 Motivation

7.2 Multiplexer und Demultiplexer

7.3 Komparatoren

7.4 Präfix-Logik

7.5 Addierer

7.5.1 Halb- und Volladdierer

7.5.2 Carry-ripple-Addierer

7.5.3 Carry-look-ahead-Addierer

7.5.4 Conditional-Sum-Addierer

7.5.5 Präfix-Addierer

7.5.6 Carry-save-Addierer

7.6 Inkrementierer

7.7 Subtrahierer

7.8 Multiplizierer

7.8.1 Matrixmultiplizierer

7.8.2 Carry-save-Multiplizierer

7.8.3 Wallace-Tree-Multiplizierer

7.8.4 Dadda-Tree-Multiplizierer

7.9 Barrel-Shifter

7.10 Arithmetisch-logische Einheit

7.11 Programmierbare Logikbausteine

7.12 Übungsaufgaben

8 Schaltwerke

8.1 Digitale Speicherelemente

8.1.1 Asynchrone Speicherelemente

8.1.2 Taktzustandsgesteuerte Speicherelemente

8.1.3 Taktflankengesteuerte Speicherelemente

8.1.4 Bevorrechtigte Eingänge

8.1.5 CMOS-Implementierung

8.2 Vom Flipflop zum Schaltwerk

8.2.1 Endliche Automaten

8.2.2 Schaltwerksynthese

8.3 Übungsaufgaben

9 Standardschaltwerke

9.1 Register

9.1.1 Auffangregister

9.1.2 Schieberegister

9.1.3 Universalregister

9.1.4 Akkumulatoren

9.2 Zähler

9.2.1 Synchrone Binärzähler

9.2.2 Asynchrone Binärzähler

9.2.3 Mischzähler

9.2.4 Instruktionszähler

9.3 Hauptspeicher

9.3.1 SRAM-Speicher

9.3.2 DRAM-Speicher

9.3.3 Fehlererkennung und -korrektur

9.4 Übungsaufgaben

10 Register-Transfer-Entwurf

10.1 Entwurf komplexer Systeme

10.1.1 Operationswerksynthese

10.1.2 Steuerwerksynthese

10.2 Mikroprogrammierung

10.3 Übungsaufgaben

11 Mikroprozessortechnik

11.1 Elemente eines Mikrorechners

11.1.1 Von-Neumann-Architektur

11.1.2 Aufbau der CPU

11.2 Ein einfacher Modellprozessor

11.3 Übungsaufgaben

12 Rechnerstrukturen

12.1 Rechnerklassifikation nach Flynn

12.2 Instruktionsarchitekturen

12.2.1 CISC-Prozessoren

12.2.2 RISC-Prozessoren

12.3 Methoden zur Leistungssteigerung

12.3.1 Pipelining

12.3.2 Cache-Speicher

12.4 Leistungsbewertung

12.4.1 Maßzahlen zur Leistungsbewertung

12.4.2 Benchmarks

12.5 Übungsaufgaben

A Notationsverzeichnis

B Abkürzungsverzeichnis

C Glossar

Literaturverzeichnis

Namensverzeichnis

Sachwortverzeichnis