Dirk W. Hoffmann
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
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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