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E-Book

Grundlagen der Technischen Informatik

Mit 90 Aufgaben

AutorDirk W. Hoffmann
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2009
Seitenanzahl450 Seiten
ISBN9783446421493
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis39,90 EUR

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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Leseprobe

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.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Inhaltsverzeichnis8
1 Einführung14
1.1 Was ist technische Informatik?14
1.2 Vom Abakus zum Supercomputer16
1.3 Wohin geht die Reise?33
2 Halbleitertechnik36
2.1 Halbleiter37
2.1.1 Atommodell von Bohr37
2.1.2 Reine Halbleiter40
2.1.3 Dotierte Halbleiter42
2.2 Integrierte Schaltelemente44
2.2.1 Halbleiterdioden44
2.2.2 Bipolartransistoren45
2.2.3 Feldeffekttransistoren49
2.3 Chip-Fertigung54
2.3.1 Produktion integrierter Schaltkreise54
2.3.2 Integrationsdichte60
2.4 Übungsaufgaben61
3 Zahlendarstellung und Codes62
3.1 Zahlensysteme63
3.2 Rechnerinterne Zahlenformate71
3.2.1 Darstellung natürlicher Zahlen71
3.2.2 Darstellung rationaler Zahlen77
3.3 Zahlencodes84
3.3.1 Tetraden-Codes84
3.3.2 Fehlererkennende Codes88
3.4 Zeichencodes90
3.4.1 ASCII-Code90
3.4.2 ISO 885992
3.4.3 Unicode93
3.5 Übungsaufgaben97
4 Boolesche Algebra102
4.1 Axiomatisierung nach Huntington103
4.1.1 Mengenalgebra104
4.1.2 Schaltalgebra106
4.2 Boolesche Ausdrücke und Aussagen108
4.2.1 Abgeleitete Operatoren110
4.2.2 Erfüllbarkeit und Äquivalenz113
4.2.3 Strukturelle Induktion115
4.2.4 Dualitätsprinzip118
4.3 Rechnen in booleschen Algebren122
4.3.1 Abgeleitete Umformungsregeln122
4.3.2 Vereinfachung boolescher Ausdrücke124
4.3.3 Vollständige Operatorensysteme130
4.4 Normalformdarstellungen132
4.4.1 Konjunktive und disjunktive Normalform132
4.4.2 Reed-Muller-Normalform135
4.4.3 Binäre Entscheidungsdiagramme137
4.5 Übungsaufgaben146
5 Schaltnetze152
5.1 Grundlagen der Digitaltechnik153
5.1.1 Schaltkreisfamilien153
5.1.2 MOS-Schaltungstechnik158
5.1.3 Lastfaktoren168
5.2 Schaltungssynthese169
5.2.1 Zweistufige Schaltungssynthese170
5.2.2 BDD-basierte Schaltungssynthese171
5.2.3 FDD-basierte Schaltungssynthese172
5.3 Formelsynthese174
5.3.1 Funktionale Formelsynthese174
5.3.2 Relationale Formelsynthese176
5.3.3 Definitorische Formelsynthese177
5.4 Komplexitätsanalyse180
5.5 Zeitverhalten digitaler Schaltungen182
5.5.1 Signalausbreitung und -verzögerung182
5.5.2 Störimpulse184
5.6 Übungsaufgaben189
6 Minimierung194
6.1 Minimierungsziele195
6.2 Karnaugh-Veitch-Diagramme199
6.2.1 Minimierung partiell definierter Funktionen203
6.2.2 Konstruktion Hazard-freier Schaltungen207
6.2.3 Minimierung mehrstelliger Funktionen209
6.3 Quine-McCluskey-Verfahren211
6.4 Übungsaufgaben216
7 Standardschaltnetze220
7.1 Motivation221
7.2 Multiplexer und Demultiplexer221
7.3 Komparatoren228
7.4 Präfix-Logik230
7.5 Addierer233
7.5.1 Halb- und Volladdierer233
7.5.2 Carry-ripple-Addierer235
7.5.3 Carry-look-ahead-Addierer236
7.5.4 Präfix-Addierer239
7.5.5 Carry-save-Addierer241
7.6 Inkrementierer244
7.7 Subtrahierer245
7.8 Multiplizierer246
7.8.1 Matrixmultiplizierer247
7.8.2 Carry-save-Multiplizierer250
7.8.3 Wallace-Tree-Multiplizierer253
7.8.4 Dadda-Tree-Multiplizierer258
7.9 Barrel-Shifter261
7.10 Arithmetisch-logische Einheit263
7.11 Programmierbare Logikbausteine265
7.12 Übungsaufgaben268
8 Schaltwerke276
8.1 Digitale Speicherelemente277
8.1.1 Asynchrone Speicherelemente278
8.1.2 Taktzustandsgesteuerte Speicherelemente282
8.1.3 Taktflankengesteuerte Speicherelemente285
8.1.4 Bevorrechtigte Eingänge292
8.1.5 CMOS-Implementierung293
8.2 Vom Flipflop zum Schaltwerk296
8.2.1 Endliche Automaten297
8.2.2 Schaltwerksynthese300
8.3 Übungsaufgaben304
9 Standardschaltwerke310
9.1 Register311
9.1.1 Auffangregister311
9.1.2 Schieberegister313
9.1.3 Universalregister315
9.1.4 Akkumulatoren316
9.2 Zähler319
9.2.1 Synchrone Binärzähler320
9.2.2 Asynchrone Binärzähler324
9.2.3 Mischzähler325
9.2.4 Instruktionszähler327
9.3 Hauptspeicher329
9.3.1 SRAM-Speicher329
9.3.2 DRAM-Speicher331
9.3.3 Fehlererkennung und -korrektur338
9.4 Übungsaufgaben341
10 Register-Transfer-Entwurf346
10.1 Entwurf komplexer Systeme347
10.1.1 Operationswerksynthese349
10.1.2 Steuerwerksynthese351
10.2 Mikroprogrammierung354
10.3 Übungsaufgaben360
11 Mikroprozessortechnik362
11.1 Elemente eines Mikrorechners363
11.1.1 Von-Neumann-Architektur363
11.1.2 Aufbau der CPU367
11.2 Ein einfacher Modellprozessor371
11.3 Übungsaufgaben385
12 Rechnerstrukturen388
12.1 Rechnerklassifikation nach Flynn389
12.2 Instruktionsarchitekturen390
12.2.1 CISC-Prozessoren391
12.2.2 RISC-Prozessoren395
12.3 Methoden zur Leistungssteigerung399
12.3.1 Pipelining399
12.3.2 Cache-Speicher404
12.4 Leistungsbewertung410
12.4.1 Maßzahlen zur Leistungsbewertung410
12.4.2 Benchmarks413
12.5 Übungsaufgaben416
Anhang422
A Symbolschema der DIN 40900424
B Notationsverzeichnis428
C Gesetze der Schaltalgebra430
D Abkürzungsverzeichnis432
Literaturverzeichnis434
Namensverzeichnis438
Sachwortverzeichnis440

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