Vorwort zur dritten Auflage

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5 Vorwort zur dritten Auflage Dieses Übungsbuch zur Technischen Informatik entstand aus Lehrveranstaltungen, die wir seit mehreren Jahren an den Universitäten Hagen und Koblenz für Informatikstudenten anbieten. Die positive Resonanz auf die beiden Lehrbücher, die unter dem gleichen Titel nun bereits in mehreren Auflagen vorliegen, ermunterte uns, auch ein entsprechendes Übungsbuch zu erstellen. Die vorliegende dritte überarbeitete Auflage des Übungsbandes soll daher als Ergänzung zu den beiden Lehrbüchern Schiffmann/Schmitz: Technische Informatik Bd. 1: Grundlagen der digitalen Elektronik sowie Bd. 2: Grundlagen der Computertechnik dienen. Gegenüber der zweiten Auflage wurden im Kapitel Computertechnik zehn neue Aufgaben hinzugefügt. Neben das theoretische Studium sollten Übungen treten, um einerseits die praktische Anwendung der Theorie zu verdeutlichen und andererseits ihr Verständnis zu vertiefen bzw. zu festigen. Mit der vorliegenden Auswahl von Aufgaben und Lösungen haben wir versucht, diesen beiden Aspekten gerecht zu werden. Wie in den beiden Lehrbücher beschränken wir uns auch hier auf die Grundlagen der Technischen Informatik und schließen dabei auch die Grundlagen der Elektronik ein, obwohl diese nicht direkt zur Technischen Informatik gehören. Digitale Informationsverarbeitung beruht auf der Darstellung von Daten durch elektrische Ströme oder Spannungen. Derart repräsentierte Daten können schnell und einfach übertragen, elektronisch verknüpft oder gespeichert werden. Die Grundlage für die Analyse dieser Vorgänge bildet also die Elektrotechnik. Wir haben uns deshalb bemüht, einige Aufgaben aus diesem Bereich zu finden, die für die Informatik von besonderem Interesse sind. Es folgen Aufgaben zu Halbleiterbauelementen und einfachen elektronischen Verknüpfungsgliedern. Ein Schwerpunkt der Aufgaben konzentriert sich auf die Themenbereiche Schaltnetze und Schaltwerke, die die Basis aller digitalen Systeme zur Informationsverarbeitung bilden. Anhand der ausgewählten Aufgaben sollen vor allem verschiedene Methoden zur Analyse und Synthese dieser grundlegenden Funktionseinheiten von Computern eingeübt werden. Neben der Anwendung von KV Tafeln, die eine Standardmethode zur Minimierung von Schaltfunktionen darstellen, wird auch das weniger geläufige Verfahren von Quine McCluskey benutzt. Im Anhang findet man eine vergleichende Gegenüberstellung dieser beiden Optimierungsverfahren. Während die meisten Aufgaben des Übungsbuchs sich auf den Band 1 der Lehrbücher beziehen, sind im letzten Kapitel die Aufgaben zur Computertechnik zusammengestellt. Ergänzend zu den Beispielen im Band 2 findet man hier weitere Aufga-

6 ii ben zu den Simulationsprogrammen opw und ralu, die kostenlos über die Webseite Technische-Informatik-Online.de bereitgestellt werden. Mit Hilfe dieser beiden Programme können eigene Steueralgorithmen bzw. Mikroprogramme auf einer virtuellen Hardware praktisch erprobt werden. Beide oben genannten Programme sind sowohl im C Quellcode (Benutzung über eine Shell) als auch im Maschinencode für die WINDOWS Oberfläche verfügbar. Darüber hinaus findet man auf der Webseite auch Hilfsprogramme zur Lösung der Aufgaben aus dem Bereich Zahlendarstellung und asynchroner Kommunikation. Das Buch besteht im wesentlichen aus zwei Teilen den Aufgabenstellungen und den Musterlösungen. Diese Zweiteilung soll den Benutzer motivieren, zunächst selbständig eine Lösung zu erarbeiten und diese später anhand der Musterlösung zu überprüfen. Die Aufgaben sind gemäß den Themen in den beiden Lehrbüchern geordnet, so dass die zugrundeliegende Theorie parallel dazu erarbeitet werden kann. Teilweise bauen die Aufgaben auch aufeinander auf, was durch Querverweise gekennzeichnet ist. Jede Aufgabe trägt außerdem eine Kurzbezeichnung, um das dort behandelte Problem möglichst prägnant zu charakterisieren. Die Lösungen zu den Aufgaben findet man im zweiten Teil des Buches. Natürlich handelt es sich dabei nicht um die Standardlösungen schlechthin. Es werden aber nicht nur einfach die Endergebnisse präsentiert, sondern wir haben uns bemüht, dem Leser unseren Lösungsweg verständlich und übersichtlich darzulegen. Dadurch hat man z.b. die Möglichkeit, jederzeit die Musterlösung zu verlassen, wenn der Einstieg in eine Lösung gefunden ist. Darüberhinaus wurden häufig alternative Lösungswege angegeben. Im Anhang werden schließlich einige Hilfsmittel beschrieben, die für die Lösung bestimmter Aufgaben nützlich sind. Dabei handelt es sich meistens um abgeleitete Formeln, die bei ihrer Anwendung einige Zusatzrechnungen ersparen können. Wie Eingangs bereits bemerkt wurde, soll das Übungsbuch als eine Ergänzung zu den beiden Lehrbücher betrachtet werden. Da diese ausführliche Literaturhinweise zur erforderlichen Theorie enthalten, haben wir hier auf ein Literaturverzeichnis verzichtet. Ein Sachverzeichnis am Ende des Übungsbuchs erleichtert den Zugriff auf Aufgaben und Lösungen zu bestimmten Themengebieten. Für die Hilfe, das Buch mit dem L A TEX Formatiersystem zu setzen, möchten wir uns besonders bei Frau Franzen bedanken. Frau Hestermann-Beyerle und Herrn Dr. Merkle vom Springer Verlag sei für die gute und freundliche Zusammenarbeit gedankt. Weiterhin danken wir allen unseren Familienangehörigen, Freunden und Kollegen deren Zuspruch und Ermunterung uns angespornt hat. Wir danken auch Herrn Prof. Dr. H. Druxes, dass er unsere Arbeit unterstützt hat. Wir hoffen, dass dieses Buch bei vielen Studenten und Interessierten Anklang findet. Hagen und Koblenz, im Dezember 2003 Wolfram Schiffmann Robert Schmitz Jürgen Weiland

7 Inhaltsverzeichnis iii Inhaltsverzeichnis Teil I Aufgaben 1 1 Grundlagen der Elektrotechnik 3 Aufgabe 1: Punktladungen... 3 Aufgabe 2: Elektronenstrahlröhre... 3 Aufgabe 3: Kapazität eines Koaxialkabels... 5 Aufgabe 4: Elektronenbeweglichkeit in Metallen... 5 Aufgabe 5: Widerstandsnetzwerk Aufgabe 6: Widerstandsnetzwerk Aufgabe 7: Maschenregel... 7 Aufgabe 8: Zwei Spannungsquellen... 8 Aufgabe 9: Strom und Spannungsfehlerschaltung... 8 Aufgabe10:Messbereichserweiterung... 8 Aufgabe 11: Dreieck und Sternschaltung... 9 Aufgabe 12: Wheatstonebrücke... 9 Aufgabe13:Lorentzkraft Aufgabe14:Effektivwert Aufgabe 15: Oszilloskop Aufgabe16:Induktion Aufgabe 17: Kondensatoraufladung Aufgabe 18: RC Glied Aufgabe 19: Impulse auf Leitungen Aufgabe 20: Datenübertragung Halbleiterbauelemente 16 Aufgabe 21: Bändermodell Aufgabe 22: Diodenkennwerte messen Aufgabe 23: Diodenkennlinien erstellen Aufgabe 24: Freilaufdiode Aufgabe 25: Zenerdiode Aufgabe 26: Transistor Kennlinie... 18

8 iv Inhaltsverzeichnis 3 Elektronische Verknüpfungsglieder 20 Aufgabe 27: RTL NICHT Glied Aufgabe 28: TTL Glieder Aufgabe 29: Signalübergangszeiten eines CMOS NICHT Gliedes Aufgabe 30: CMOS NOR Glied Schaltnetze 25 Aufgabe31:Wechselschalter Aufgabe 32: Schaltnetz mit 3 Variablen Aufgabe 33: Vierstufiges Schaltnetz Aufgabe34:DreistufigesSchaltnetz Aufgabe 35: NAND Logik Aufgabe 36: NOR Logik Aufgabe 37: Synthese mit 4 Variablen Aufgabe 38: Implikation Aufgabe 39: Quine McCluskey Aufgabe40:Lastkontrolle Aufgabe 41: Paritätsbit Aufgabe 42: Analyse eines TTL Bausteines Aufgabe 43: 1 Bit Volladdierer Aufgabe 44: 4 Bit Subtrahierer Aufgabe 45: Normalform Paralleladdierer Aufgabe 46: Multiplizierer Aufgabe47:1 BitALU Aufgabe 48: Multiplexer Aufgabe 49: Dual zu Siebensegmentdekoder Aufgabe50:Hazards Speicherglieder 36 Aufgabe 51: Dynamische Eintransistor Speicherzelle Aufgabe 52: RS Kippglied Aufgabe 53: D Kippglied mit Taktzustandssteuerung Aufgabe 54: Übergangsfunktion des JK Flipflop Aufgabe 55: JK Master Slave Kippglied Aufgabe 56: D Kippglied mit Taktflankensteuerung

9 Inhaltsverzeichnis v 6 Schaltwerke 42 Aufgabe 57: Schaltwerk mit JK Flipflops Aufgabe58:AsynchronesSchaltwerk Aufgabe 59: 2 Bit Synchronzähler Aufgabe 60: 3 Bit Synchronzähler Aufgabe 61: Medvedev Automaten Aufgabe 62: Johnsonzähler Aufgabe 63: Serienaddierer Aufgabe64:Entwurfsschritte Aufgabe 65: Synchronzähler Aufgabe 66: Modulo 4 Zähler Aufgabe67:Zustandsautomaten Aufgabe 68: Schieberegister Aufgabe 69: Mikroprogrammsteuerwerk Aufgabe 70: 4 Bit Synchronzähler Aufgabe 71: Umschaltbarer 3 Bit Synchronzähler Aufgabe72:PLA Baustein Aufgabe 73: 8421 BCD Code Tester Computertechnik 53 Aufgabe 74: Maximale Taktfrequenz Aufgabe75:Operationswerk Aufgabe 76: Dualzahlen Aufgabe 77: Hexadezimalzahlen Aufgabe 78: Umwandlung natürlicher Zahlen Aufgabe 79: Umwandlung gebrochener Zahlen Aufgabe 80: Subtraktion von Dualzahlen Aufgabe 81: Zweierkomplement Aufgabe82:Subtraktionsprogramm Aufgabe 83: Multiplikation und Division in dualer Darstellung Aufgabe 84: Multiplikationsprogramm Aufgabe 85: Bereichsüberschreitung beim Zweierkomplement Aufgabe86:8 BitSubtraktionenimDualsystem Aufgabe87:Umrechnungvonm/sinkm/h Aufgabe 88: Bestimmung des Logarithmus zur Basis Aufgabe 89: Befehlssatz eines Prozessors Aufgabe 90: Fahrenheit nach Celsius Aufgabe 91: Briggscher Logarithmus Aufgabe 92: Exponent für Gleitkommaformat nach IEEE Aufgabe 93: Gleitkomma Multiplikation Aufgabe94:BranchTargetCache... 60

10 vi Inhaltsverzeichnis Aufgabe 95: Analyse von CISC Assembler Aufgabe96:CISCversusRISC Aufgabe 97: Scheduling und Renaming Aufgabe98:Magnetisierungsmuster Aufgabe 99: Cyclic Redundancy Check Aufgabe 100: Virtueller Speicher mit Paging Technik Aufgabe 101: Tastenfeld Aufgabe 102: Parallele Schnittstelle Aufgabe 103: Asynchrone Übertragung Teil II Lösungen 67 1 Grundlagen der Elektrotechnik 69 Lösung 1: Punktladungen Lösung 2: Elektronenstrahlröhre Lösung 3: Kapazität eines Koaxialkabels Lösung 4: Elektronenbeweglichkeit in Metallen Lösung 5: Widerstandsnetzwerk Lösung 6: Widerstandsnetzwerk Lösung 7: Maschenregel Lösung 8: Zwei Spannungsquellen Lösung 9: Strom und Spannungsfehlerschaltung Lösung10:Messbereichserweiterung Lösung 11: Dreieck und Sternschaltung Lösung 12: Wheatstonebrücke Lösung13:Lorentzkraft Lösung14:Effektivwert Lösung 15: Oszilloskop Lösung16:Induktion Lösung 17: Kondensatoraufladung Lösung 18: RC Glied Lösung 19: Impulse auf Leitungen Lösung 20: Datenübertragung Halbleiterbauelemente 101 Lösung 21: Bändermodell Lösung 22: Diodenkennwerte messen Lösung 23: Diodenkennlinien erstellen Lösung 24: Freilaufdiode Lösung 25: Zenerdiode Lösung 26: Transistor Kennlinie

11 Inhaltsverzeichnis vii 3 Elektronische Verknüpfungsglieder 109 Lösung 27: RTL NICHT Glied Lösung 28: TTL Glieder Lösung 29: Signalübergangszeiten eines CMOS NICHT Gliedes Lösung 30: CMOS NOR Glied Schaltnetze 120 Lösung31:Wechselschalter Lösung 32: Schaltnetz mit 3 Variablen Lösung 33: Vierstufiges Schaltnetz Lösung34:DreistufigesSchaltnetz Lösung 35: NAND Logik Lösung 36: NOR Logik Lösung 37: Synthese mit 4 Variablen Lösung 38: Implikation Lösung 39: Quine McCluskey Lösung40:Lastkontrolle Lösung 41: Paritätsbit Lösung 42: Analyse eines TTL Bausteines Lösung 43: 1 Bit Volladdierer Lösung 44: 4 Bit Subtrahierer Lösung 45: Normalform Paralleladdierer Lösung 46: Multiplizierer Lösung47:1 BitALU Lösung 48: Multiplexer Lösung 49: Dual zu Siebensegmentdekoder Lösung50:Hazards Speicherglieder 170 Lösung 51: Dynamische Eintransistor Speicherzelle Lösung 52: RS Kippglied Lösung 53: D Kippglied mit Taktzustandssteuerung Lösung 54: Übergangsfunktion des JK Flipflop Lösung 55: JK Master Slave Kippglied Lösung 56: D Kippglied mit Taktflankensteuerung

12 viii Inhaltsverzeichnis 6 Schaltwerke 179 Lösung 57: Schaltwerk mit JK Flipflops Lösung58:AsynchronesSchaltwerk Lösung 59: 2 Bit Synchronzähler Lösung 60: 3 Bit Synchronzähler Lösung 61: Medvedev Automaten Lösung 62: Johnsonzähler Lösung 63: Serienaddierer Lösung64:Entwurfsschritte Lösung 65: Synchronzähler Lösung 66: Modulo 4 Zähler Lösung67:Zustandsautomaten Lösung 68: Schieberegister Lösung 69: Mikroprogrammsteuerwerk Lösung 70: 4 Bit Synchronzähler Lösung 71: Umschaltbarer 3 Bit Synchronzähler Lösung72:PLA Baustein Lösung 73: 8421 BCD Code Tester Computertechnik 212 Lösung 74: Maximale Taktfrequenz Lösung75:Operationswerk Lösung 76: Dualzahlen Lösung 77: Hexadezimalzahlen Lösung 78: Umwandlung natürlicher Zahlen Lösung 79: Umwandlung gebrochener Zahlen Lösung 80: Subtraktion von Dualzahlen Lösung 81: Zweierkomplement Lösung82:Subtraktionsprogramm Lösung 83: Multiplikation und Division in dualer Darstellung Lösung 84: Multiplikationsprogramm Lösung 85: Bereichsüberschreitung beim Zweierkomplement Lösung86:8 BitSubtraktionenimDualsystem Lösung87:Umrechnungvonm/sinkm/h Lösung 88: Bestimmung des Logarithmus zur Basis Lösung 89: Befehlssatz eines Prozessors Lösung 90: Fahrenheit nach Celsius Lösung 91: Briggscher Logarithmus Lösung 92: Exponent für Gleitkommaformat nach IEEE Lösung 93: Gleitkomma Multiplikation Lösung94:BranchTargetCache

13 Inhaltsverzeichnis ix Lösung 95: Analyse von CISC Assembler Lösung96:CISCversusRISC Lösung 97: Scheduling und Renaming Lösung98:Magnetisierungsmuster Lösung 99: Cyclic Redundancy Check Lösung 100: Virtueller Speicher mit Paging Technik Lösung 101: Tastenfeld Lösung 102: Parallele Schnittstelle Lösung 103: Asynchrone Übertragung Teil III Anhang 249 A Wissenschaftliche Gleichungen 251 A.1 Größengleichungen A.2 Einheitengleichungen A.3 Zugeschnittene Größengleichungen B Anwendungen des Ohmschen Gesetzes 253 B.1 Spannungsteilerregel B.2 Stromteilerregel C Anwendungen der Kirchhoffschen Sätze 255 C.1 Maschenstromverfahren D Schaltnetzentwurf 261 D.1 Schaltnetzentwurf mit NAND Gliedern D.2 Schaltnetzentwurf mit NOR Gliedern D.3 Minimierungsverfahren im Vergleich: Quine McCluskey und Karnaugh Veitch E Simulationsprogramme 267 E.1 Simulationsprogramm eines Operationswerks E.1.1 Aufbau des Operationswerks E.1.2 Benutzung des Programms E.1.3 Betriebsarten und Befehle Interaktiv Modus Programm Modus E.2 RALU Simulation E.2.1 Aufbau der RALU E.2.2 Benutzung des Programms E.2.3 SetzenvonRegistern

14 x Inhaltsverzeichnis E.2.4 Steuerwort der RALU E.2.5 Takten und Anzeigen der RALU E.2.6 Statusregister und Sprungbefehle E.2.7 Kommentare und Verkettung von Befehlen Sachverzeichnis 277