Technische Informatik

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1 Technische Informatik Eine einführende Darstellung von Prof. Dr. Bernd Becker Prof. Dr. Paul Molitor Oldenbourg Verlag München Wien

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Was ist überhaupt ein Rechner? Die verschiedenen Abstraktionsebenen Hierarchie virtueller Rechner Historischer Rückblick : Die ZI, Z2 und Z : Die ENIAC : Die IAS : Die TRADIC : Der Intel : Der MIPS R : Der Intel Pentium 4 14 I Grundlagen 17 2 Grundlegende mathematische Begriffe Boolesche Algebra Boolesche Funktionen Boolesche Ausdrücke Übungsaufgaben 37 3 Darstellungen im Rechner Information Darstellung von Zeichen Darstellung von Zahlen Festkommadarstellungen Gleitkommadarstellungen Übungsaufgaben 66 4 Elementare Bauelemente Grundlagen elektronischer Schaltkreise Elektrische Ladung 70

3 XII Inhaltsverzeichnis Elektrischer Strom Elektrischer Widerstand, spezifischer Widerstand Elektrische Spannung, Potentiale Elektrische Kapazität Die wichtigsten Gesetze der Elektronik Das Ohm'sche Gesetz Die Kirchhoff'schen Regeln Seriell und parallel angeordnete Widerstände Die wichtigsten Bauelemente Spannungsquelle Widerstand Schalter Kondensator Operationsverstärker, Differenzverstärker 80 5 Elektronische Schaltungen Spannungsteiler Eine Taste zur Eingabe einer 0 oder einer Tastenfeld Logische Grundbausteine Digital/Analog-Wandler Analog/Digital-Wandler 92 II Entwurf digitaler Hardware 95 6 Darstellung Boolescher Funktionen durch Decision Diagrams Grundlagen Decision Diagrams Kronecker Functional Decision Diagrams Übungsaufgaben Entwurf zweistufiger Logik Schaltkreisrealisierung durch PLAs Kosten Disjunktiver Normalformen Visualisierung am Würfel Implikanten und Primimplikanten Berechnung von Minimalpolynomen Verfahren von Quine/McCluskey 139

4 Inhaltsverzeichnis XIII Bestimmung eines Minimalpolynoms Übungsaufgaben Entwurf mehrstufiger Logik Schaltkreise Realisierung Syntaktische Beschreibung von Schaltkreisen Semantik von kombinatorischen Schaltkreisen Symbolische Simulation Hierarchischer Entwurf und Teilschaltkreise Logiksynthese Darstellungssatz Kostenberechnung bei Schaltkreisen Einfache Ansätze zur Verringerung der Kosten Synthese unter Verwendung der Shannon'schen Dekomposition Abbildung von Decision Diagrams Funktionale Dekomposition Boolescher Funktionen Schaltungstransformationen Übungsaufgaben Grundlegende Schaltungen Addition in der Zweier-Komplement-Darstellung Addierer Halbaddierer und Volladdierer Carry-Ripple-Addierer Inkrementierer und Dekrementierer Conditional-Sum-Addierer Carry-Lookahead-Addierer Multiplizierer, ALU Multiplizierer Prinzipieller Aufbau einer ALU Übungsaufgaben 218 III Architektur eines Prozessors Ein einfacher Mikroprozessor Prinzipieller Aufbau eines Rechners Aufbau des Ein-Zyklen-Prozessors OurMips Rahmengrößen/Eckdaten Schnittstelle des Speichers 232

5 XIV Inhaltsverzeichnis Der Datenregistersatz Die Arithmetisch-Logische Einheit Der Befehlszähler und das Statusregister Der Gesamtrechner Befehlssatz von OurMips Initialisierung Der Befehlssatz im Überblick Befehlsaufbau und Befehlsklassen Lade- und Speicherbefehle Arithmetische Befehle vom Register-Typ Arithmetische Befehle vom Immediate-Typ Logische Befehle Sprungbefehle Das Steuerwerk Berechnung der Befehlsklasse Berechnung der Steuersignale Berechnung des Load-Enable-Signals ALU-Ansteuerung Übungsaufgaben Weitergehende Architekturkonzepte CISC und RISC 278 Eigenschaften von CISC-Rechnern 278 Eigenschaften von RISC-Rechnern 279 CISC versus RISC Pipelining Pipelining bei der Befehlsausführung Maximale Beschleunigung Pipeline-Konflikte 286 Data Hazards 287 Control Hazards Speicherhierarchie Die wichtigsten Speichertypen 293 SRAM- und DRAM-Speicherzellen, Latches und Flipflops 293 Hauptspeicher 296 Festplatte 300 CD und DVD 303 Magnetband Die Idee der Speicherhierarchie Caches Ideen, Konzepte, Eigenschaften Der Lesezugriff Interne Organisation 312

6 Inhaltsverzeichnis XV Vollassoziative Cache-Speicher 312 Direktabgebildete Cache-Speicher Der Schreibzugriff Der virtuelle Speicher Übungsaufgaben 324 IV Kommunikation Kommunikation innerhalb eines Rechners Parallele und serielle Busse, Protokolle Serielle Busse Parallele Busse Zuteilung des Busses an einen Master Stichleitungen Daisy-Chaining Polling Carrier Sense Multiple Access Busstruktur in modernen Rechnern Übungsaufgaben Fehlertolerante Kodierungen Grundlegende Begriffe Grundlegende Eigenschaften fehlertoleranter Codes Fehlererkennende Codes Fehlerkorrigierende Codes Beispiele fehlertoleranter Codes Eindimensionale Parity-Überprüfung Zweidimensionale Parity-Überprüfung Hamming-Code CRC-Kodierung Übungsaufgaben Datenkompression Grundlagen der Informationstheorie Eindeutige Dekodierbarkeit Präfixcodes Längenoptimale Codes Historischer Rückblick 386

7 XVI Inhaltsverzeichnis Shannon-Fano-Kodierung Huffman-Kodierung Erweiterte Huffman Kodierung Arithmetische Kodierung Übungsaufgaben Schlusswort 397 Literaturverzeichnis 401 Index 405

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