Grundlagen der Technischen Informatik. Einführung. Kapitel 1.1

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1 Grundlagen der Technischen Informatik Einführung Kapitel 1.1 Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich Lehrstuhl für Hardware-Software-Co-Design

2 Einordnung des Lehrstuhls Universität Erlangen-Nürnberg 5 Fakultäten über Studenten Technische Fakultät / Department Informatik 12 Lehrstühle ca Studenten Department Informatik 12 Hardware-Software-Co-Design 2

3 Lehrstuhl Hardware-Software-Co-Design Inhaber: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich Mehr als 30 wissenschafltiche Mitarbeiter ~ 15 wissenschaftliche und industrielle Projekte Lehre und Forschung: Technische Informatik (Computer Engineering) Eingebettete Systeme Parallele Systeme Optimierung Effiziente Algorithmen 3

4 Homepage 4

5 Was ist Technische Informatik? Technische Informatik ist diejenige Disziplin der Informatik, die sich mit dem Entwurf von Systemen in Hard- und Software beschäftigt. Praktische Informatik Technische Informatik Theoretische Informatik 5

6 Was ist Technische Informatik? implementation trade-offs information processing application Concise Encyclopedia of Computer Science herausgegeben von Edwin D. Reilly 6

7 Technische Informatik: Den Computer verstehen! Logische Schaltungen Prozessortechnik Bits und Bytes... Maschinencode Speicher 7

8 Technische Informatik: Systeme entwickeln! Source: Richard Newton 8

9 Eingebettete Systeme Ein eingebettetes System ist ein informationstechnisches System in einem technischen System oder ein Computer, der nicht aussieht wie ein Computer. www 9

10 Einsatzgebiete und Anwendungen Mikroelektronik Mikrosystemtechnik Industrieautomatisierung Mobilfunk Automobilelektronik Medizin- und Umwelttechnik 10

11 Nachrichtentechnik Informationstheorie Schlüsseltechnologien Rechnerentwurf 11

12 Nachrichtentechnik Was ist die Aufgabe der Nachrichtentechnik? Übertragung, Vermittlung und Verarbeitung von Nachrichten Modernes Bild der Nachrichtentechnik: Kommunikationstechnik Stichworte: Internet, Smartphone, Mobile Computing (Laptop), Cloud Computing, Satellitentechnik Nachrichtentechnik soll Kommunikation zwischen Menschen und Maschinen unterstützen, erleichtern, oder überhaupt erst ermöglichen! 12

13 Nachrichtentechnik Telegrafie und Telefon In der Anfangszeit der Telegrafie brachte noch ein Bote die guten oder schlechten Nachrichten ins Haus Heute werden Telegramme telefonisch oder als Postsendung zugestellt Das Telefon wurde zu einer ernsthaften Konkurrenz zum Briefverkehr Das Arbeiten in Hochhäusern wurde überhaupt erst effizient möglich (Rohrpost und Boten wurden ersetzt) 13

14 Nachrichtentechnik Die ersten Telefonverbindungen Die einfachste Telegraphie-/Telefonverbindung besteht aus einer einzigen Freileitung, die den Sender mit einem geerdeten Empfänger verbindet. Das leitende Erdreich ersetzt den zweiten Draht und schließt den Telefonstromkreis. 14

15 Nachrichtentechnik Morsetaste wurde 1844 im Telegrafendienst zwischen Washington und Baltimore eingesetzt (Samuel Finley Breese Morse: ) Telefon: 1861 führte Johann Philipp Reis ( ) den von ihm erfundenen Apparat auf einer Sitzung des Physikalischen Vereins in Frankfurt öffentlich vor (15 Jahre vor dem Patent von Bell, in einer Liste mit über 20 Vorerfindern des Telefons genannt, darunter auch Reis) Satellitenübertragung: 1960 startete die NASA den ersten Echo-Ballonsatelliten, mit dem nachgewiesen wurde, dass eine satellitengestützte transkontinentale Sprachübertragung möglich ist 15

16 Nachrichtentechnik Jean Baptiste Joseph Fourier ( ) Anfang des 19. Jahrhunderts stellte Fourier fest, daß sich jedes räumlich oder zeitlich veränderliche Signal durch einen Satz einfacher Wellen mit verschiedenen Frequenzen darstellen läßt. Jedes Signal kann man sich als Summe von sinusförmigen Wellen vorstellen, deren Frequenzen innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen. 16

17 Nachrichtentechnik Alexander Graham Bell ( ) 1876 ließ Bell sich in den USA den Telefonapparat patentieren 17

18 Nachrichtentechnik Heinrich Hertz ( ) In den Jahren 1886 bis1891 führte der deutsche Physiker Heinrich Hertz an der Technischen Hochschule in Karlsruhe eine Reihe von Experimenten durch, mit denen er nicht nur die Existenz elektromagnetischer Wellen beweisen konnte, sondern auch zeigte, dass diese ähnlich wie Lichtwellen reflektiert, gebrochen und fokussiert werden können 18

19 Nachrichtentechnik Guglielmo Marconi ( ) Marconi war der erste, der die von Maxwell vorhergesagten und von Hertz nachgewiesenen elektromagnetischen Wellen praktisch nutzte. Er erfand die drahtlose Telegrafie. 1895: Marconi gelingt die erste Funkübertragung 19

20 Nachrichtentechnik Informationstheorie Schlüsseltechnologien Rechnerentwurf 20

21 Informationstheorie Claude Elwood Shannon (geb. 1916) Begründer moderner Informationstheorie Quelle Sender Kanal Rauschen Senke Empfänger Blockdiagramm des Kommunikationsprozesses 21

22 Informationstheorie Beispiel Bildcodierung: MPEG Moving Picture Experts Group Datenkompression und Standards Wurzeln wieder bei Shannon Standardisierungsgremium der ISO MPEG-1 (inklusive mp3 aus Erlangen!) MPEG-2 MPEG-4 MPEG-7 Vorsitzender: Leonardo Chiariglione 22

23 Nachrichtentechnik Informationstheorie Schlüsseltechnologien Rechnerentwurf 23

24 Man nehme Sand. Es ist eine der am besten verfügbaren Ressourcen. Mikroelektronik... Vom Sand zum Chip Man prozessiere es durch einen Reinraum und man hat etwas, das Milliarden Dollar wert ist. 24

25 Schlüsseltechnologie Mikroelektronik Geschichtliche Entwicklung Die Vakuumdiode wurde von John Fleming 1904 erfunden baute Pickard eine Diode durch die Erzeugung eines Punktkontaktes zu einem Siliziumkristall. Lee De Forest erfand die Triode 1906 Dritter Anschluss einer Triode ermöglicht Verstärkung Gute Isolation zwischen Eingang und Ausgang Ohl entwickelt den p-n-übergang

26 erster Transistor 1947 erste integrierte Schaltung 1961 erster Mikroprozessor 1971 (Intel 4004, 2300 Transistoren) Heutiger Prozessor (> 10 Mill. Transistoren) 26

27 Mooresches Gesetz: Komplexität integrierter Schaltungen verdoppelt sich regelmäßig (~ alle Monate) Wärmeentwicklung/ -abführung usw. 27

28 Einige heutige Prozessoren TI DSP 8847 Intel i7 Hexa-Core IBM Cell Processor AMD Istanbul Hexa-Core Motorola M68355 Microcontroller 28

29 Vergleich: Wenn sich der Bereich der Automobiltechnik genauso rasant entwickelt hätte wie der Bereich der Halbleitertechnik, dann gäbe es Autos, die mit Lichtgeschwindigkeit führen, die auf 100 km nur wenige Tropfen Kraftstoff bräuchten und die von der Anschaffung her billiger wären als ein Parkschein. Weitere Beschleunigung dadurch, dass man mit gebauten Rechnern wieder neue, noch schnellere und kleinere Systeme entwickelt (CAD computer aided design). 29

30 Nachrichtentechnik Informationstheorie Schlüsseltechnologien Rechnerentwurf 30

31 Rechnerentwurf Überblick Eingebettete Systeme Allgemeine Rechensysteme Dedizierte Rechensysteme Schickhards Rechenmaschine 31

32 Rechnerentwurf: Dedizierte Maschinen Schickhards Rechenmaschine für astronomische Berechnungen (1623) 32

33 Rechnerentwurf: Dedizierte Maschinen Babbages Differenzenmaschine für mathematische Tafeln (1822) 33

34 Rechnerentwurf: Programmierbare Rechensysteme Programm ALU Steuerwerk Speicher 34

35 Rechnerentwurf Überblick Eingebettete Systeme Allgemeine Rechensysteme Dedizierte Rechensysteme Schickhards Rechenmaschine 35

36 Technische Informatik - Perspektiven 36

37 Technische Informatik - Eine Erkenntnis 37

38 Technische Informatik - Berufschancen Über 98 Prozent aller produzierten Prozessoren sind in eingebetteten Systemen versteckt und fallen erst dann auf, wenn sie nicht korrekt funktionieren und selbst das wird oftmals noch abgefangen. [BITKOM, 2010] In der deutschen Industrie arbeiten aktuell rund Hardund Software-Entwickler direkt an Embedded Systems. [BITKOM, 2012] Methodischer Hintergrund: Realzeitverarbeitung (z.b. Brake by Wire!) Ereignissteuerung Parallelität Kommunikationsprotokolle Hardware-Software-Co-Design 38