Technische Informatik

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1 Bernd Becker Rolf Drechsler Paul Molitor Technische Informatik Eine Einführung ein Imprint von Pearson Education München Boston San Francisco Harlow, England Don Mills, Ontario Sysney Mexico City Madrid Amsterdam

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 9 Kapitel 1 Einleitung WasistüberhaupteinRechner? Die verschiedenen Abstraktionsebenen Hierarchie virtueller Rechner HistorischerRückblick Teil I Mathematische und elektronische Grundlagen 33 Kapitel 2 Grundlegende mathematische Begriffe BoolescheAlgebra Boolesche Funktionen BoolescheAusdrücke Kapitel 3 Darstellungen im Rechner Information DarstellungvonZeichen DarstellungvonZahlen Festkommadarstellungen Gleitkommadarstellungen Kapitel 4 Elementare Bauelemente Grundlagen elektronischer Schaltkreise Elektrische Ladung ElektrischerStrom ElektrischerWiderstand,spezifischerWiderstand Elektrische Spannung, Potentiale ElektrischeKapazität Die wichtigsten Gesetze der Elektronik DasOhm schegesetz Die Kirchhoff schen Regeln SeriellundparallelangeordneteWiderstände DiewichtigstenBauelemente Spannungsquelle Widerstand Schalter Kondensator Operationsverstärker, Differenzverstärker

3 INHALTSVERZEICHNIS Kapitel 5 Elektronische Schaltungen Spannungsteiler Eine Taste zur Eingabe einer 0 oder einer Tastenfeld Logische Grundbausteine Digital/Analog-Wandler Analog/Digital-Wandler Teil II Entwurf digitaler Hardware 105 Kapitel 6 Darstellung Boolescher Funktionen Grundlagen DecisionDiagrams Kronecker Functional Decision Diagrams Kapitel 7 Entwurf zweistufiger Logik Schaltkreisrealisierung durch PLAs Kosten VisualisierungamWürfel Implikanten und Primimplikanten Berechnung von Minimalpolynomen Verfahren von Quine/McCluskey Bestimmung eines Minimalpolynoms Kapitel 8 Entwurf mehrstufiger Logik Schaltkreise Abbildung von Decision Diagrams Schaltungstransformationen Kapitel 9 Grundlegende Schaltungen Addierer Halbaddierer Volladdierer Carry-Ripple-Addierer Inkrementer Conditional-Sum-Addierer Parallele Präfix-Berechnung Carry-Lookahead-Addierer Subtrahierer, Multiplizierer, ALU Subtrahierer Multiplizierer Prinzipieller Aufbau einer ALU

4 Inhaltsverzeichnis Teil III Architektur eines Prozessors 205 Kapitel 10 Ein einfacher Mikroprozessor Prinzipieller Aufbau eines Rechners Aufbau des Ein-Zyklen-Prozessors Zykluno Rahmengrößen/Eckdaten Schnittstelle des Speichers DerDatenregistersatz DieALU DieSpezialregister DerGesamtrechner Befehlssatz von Zykluno Initialisierung und Konstanten Der Befehlssatz im Überblick Befehlsaufbau und Befehlsklassen Lade- und Speicherbefehle ArithmetischeBefehle LogischeBefehle Sprungbefehle WeitereBefehlstypen Adressierungsarten DasSteuerwerk Kapitel 11 Ausbau eines Mikroprozessors zu einem vollwertigen Rechner CISCundRISC Pipelining Speicherhierarchie DiewichtigstenSpeichertypen Die Idee der Speicherhierarchie Caches Ideen, Konzepte, Eigenschaften DerLesezugriff InterneOrganisation DerSchreibzugriff DervirtuelleSpeicher

5 INHALTSVERZEICHNIS Teil IV Kommunikation 311 Kapitel 12 Kommunikation innerhalb eines Rechners Parallele und serielle Busse, Protokolle SerielleBusse ParalleleBusse Zuteilung des Busses an einen Master Stichleitungen Daisy-Chaining Polling Carrier Sense Multiple Access Busstruktur in modernen Rechnern Kapitel 13 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 Kapitel 14 Datenkompression Grundlagen der Informationstheorie EindeutigeDekodierbarkeit Präfixcodes Häufigkeitscodes HistorischerRückblick Shannon-Fano-Kodierung Huffman-Kodierung ErweiterteHuffmanKodierung ArithmetischeKodierung Schlusswort 373 Literaturverzeichnis 377 Sachregister 379 8