Technische Grundlagen der Informatik WS 2008/2009 Klaus Kasper WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik
Inhalt Vorbemerkungen Einleitung TGI Strom und Spannung Ohmscher Widerstand und Ohmsches Gesetz Leistung und Energie Reihen- und Parallelschaltung WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 2
Studium 6 Semester / 7 Semester Pflichtveranstaltungen (Informatik, Mathematik, SuK, BWL) WP-Veranstaltungen Praxissemester Abschlussarbeit Evaluation der Lehre Mentorensystem WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 3
Organisation des Studiums Selbstständigkeit Eigenverantwortlichkeit Lerngruppen WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 4
Erkenntnis Thematik verstanden gestellte Aufgaben lösen sinnvolle Aufgabenstellungen generieren WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 5
Vorlesung Vorlesung (Wiederholung, neue Themen) Nachbearbeitung (Skripte, Folien, Literatur, Software, Forum, Tutorien) Fragen im Rahmen der Wiederholung Klausurvorbereitung WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 6
Organisation des Praktikums Betreuung: Michael Müller, Klaus Kasper Ort: D10 0.31 14-tägig (6 Praktikumstage) 2er Gruppen Vorbereitung: Umformungen, Schaltungsskizzen, Hintergrund nachlesen, Wahrheitstabellen, KV- Diagramme Durchführung: Aufgaben werden einzeln testiert Protokoll: kurze Darstellung der Experimente in vollständigen Sätzen, Diskussion von Problemen WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 7
Praktikum (Zug 1C) Montags 10:15 11:45 (Start X: 27.10.08, Start Y: 20.10.08) Dienstags 10:15 11:45 (Start X: 28.10.08, Start Y: 21.10.08) 6 Aufgaben Informationen zum Praktikum auf der TGI-Materialienseite WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 8
Praktikum (Zug 1D) Montags 14:15 15:45 (Start X: 27.10.08, Start Y: 20.10.08) Freitags 10:15 11:45 (Start X: 24.10.08, Start Y: 17.10.08) 6 Aufgaben Informationen zum Praktikum auf der TGI-Materialienseite WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 9
Digi Board WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 10
Schein Erfolgreiches Praktikum (Vorbereitung, Ausarbeitung, 6 Aufgaben) Praktikum ist Zulassungsbedingung für die Klausur Online Belegung der Klausur bis 25.01.09 Abmeldung bis 09.02.09 Klausur: Mo. 13.02.09, 14:15 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 11
Schichtenmodell WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 12
Stränge der Informatik Theoretische Informatik Technische Informatik Praktische Informatik Informatik vs. Computational Sciences WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 13
Technische Informatik an der Hochschule Darmstadt 1. Semester Technische Grundlagen der Informatik (3+1, 5 ECTS) Rechnerarchitektur (3+1, 5 ECTS) 2. Semester Mikroprozessorsysteme (3+1, 5 ECTS) Vertiefung Technische Informatik im WP-Bereich WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 14
Überblick TGI Strom/Spannung, Ohmsches Gesetz, Knotenregel, Maschenregel, Kapazitäten Dioden, Transistoren, logische Schaltungen Boolesche Algebra, Kürzungsregeln, Normalformen Minimierung: KV-Diagramme, Implikanten, algorithmische Verfahren Schaltungsynthese/Schaltungsanalyse WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 15
Überblick TGI Schaltnetze/Schaltwerke (Flip-Flop, Zähler, Speicher) Halbleiterspeicher (RAM, ROM) Zahlendarstellung (Ganzzahlen, Festkomma, Gleitkomma) Programmierbare Logikbausteine (CPLD, FPGA) Automaten (Moore, Mealy) Codierverfahren (Huffman-Codierung, Hamming-Codierung) Massenspeicher (HDD, CD, DVD) WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 16
Überblick Praktikum Strom/Spannung, Widerstand, Kapazität, Diode Logische Schaltungen, Transistor (FET) Addierer, Schaltnetz, boolesche Algebra Zähler, Schaltwerk, KV-Diagramme Halbleiterspeicher, Zahlendarstellung Programmierbarer Logikbaustein (CPLD), Moore-Automat WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 17
Literatur Schiffmann, W.; Schmitz, R.: Technische Informatik 1 & 2; Springer Verlag; 2003. Beuth, K.; Beuth, O.: Digitaltechnik; Vogel Fachbuch; 2003. Siemers, Ch.; Sikora, A. (Hrg.): Taschenbuch Digitaltechnik; Fachbuchverlag Leipzig; 2003. Fricke, K.: Digitaltechnik, Lehr- und Arbeitsbuch für Elektrotechniker und Informatiker; Vieweg; 2002. Urbanski, K.; Woitowitz, R.; Digitaltechnik; Springer; 2004 Mayer, R. S.: Technische Grundlagen der Informatik (Skript) Wietzke, J.: Digitaltechnik (Skript) WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 18
Software Animationen Tools zur Simulation digitaler Schaltungen www.digitalsimulator.de Campus-Lizenz Logix 1.1 Software und Lizenz bei Michael Müller (D10/0.33) nach Möglichkeit mit USB-Speicher WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 19
Unterstützung Forum und Materialien auf dem Moodle- Server der Hochschule (moodle.igdv.hda.de) Schlüssel: TGI Tutorien mit Silvia Krug WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 20
Einleitung WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 21
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Real-time natural language translation. Imagine being able to speak to someone in a foreign country and having your conversation translated real-time. Facial recognition that works accurately and instantaneously. Imagine being able to capture faces as people enter an airport and match them in real-time against a database of known terrorists, and having a turnstile lock if there is a match. Auto chauffeur. Imagine a car that takes a verbal command for a destination, and can drive you there via the least congested route in the safest possible manner. Quelle: http://www.intel.com/technology/mooreslaw/index.htm WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 24
Aktuelle Entwicklung Verdopplung der Schaltkreise pro Chip alle 18 Monate (1965: Verdoppelung alle 12 Monate). Verdopplung der Verarbeitungsleistung der Prozessoren alle 18 Monate. Vervierfachung der Speichergröße alle 3 Jahre. Verdopplung der Speicherleistung alle 10 Jahre. Doppelte Leistung zum gleichen Preis in weniger als zwei Jahren. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 25
Strom und Spannung WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 26
Einfacher elektrischer Schaltkreis I U WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 27
Strom/Spannung U I Die Einheit des Stroms ist Ampère (A). Die Einheit der Spannung ist Volt (V). Die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern bezeichnet man als elektrischen Strom I. I ist die Ladungsmenge dq, die in einem Zeitabschnitt dt den Leitungsquerschnitt durchfließt. Die elektrische Spannung U ist die treibende Kraft, die den Strom I verursacht. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 28
Modell für Strom/Spannung Druck entspricht der Spannung U. Wasser entspricht der Ladungsmenge Q. Fluss ist definiert als Wasser/Zeit. Fluss entspricht dem Strom I. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 29
Ohmscher Widerstand und Ohmsches Gesetz WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 30
Messung von Strom und Spannung Ampèremeter: möglichst geringer Innenwiderstand. Voltmeter: möglichst hoher Innenwiderstand. Warum? WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 31
Ohmscher Widerstand (R) Der Strom durch einen Verbraucher ist abhängig von der Größe der treibenden Spannung. Sind die Eigenschaften eines Verbrauchers unabhängig von dem durch ihn fließenden Strom, spricht man von einem Ohmschen Widerstand. Es gilt das Ohmsche Gesetz: Der Strom ändert sich proportional zur Spannung. Den Proportionalitätsfaktor R nennt man elektrischen Widerstand mit der Einheit Ohm (Ω). WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 32
Ohmsches Gesetz Bei einer gegebenen Spannung U ist der Strom I durch einen Ohmschen Widerstand R begrenzt. Es gilt das Ohmsche Gesetz: U I = U = R I R = R U I WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 33
Analogie U R I I U I 1/R I R U U WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 34
Leistung und Energie WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 35
SI-Einheiten SI: internationales Einheitensystem (Système international d unités). Wurde 1960 eingeführt und ist bspw. In der EU im amtlichen und geschäftlichen Verkehr vorgeschrieben. Sieben Basiseinheiten: Meter (m), Kilogramm (kg), Sekunde (s), Ampère (A), Kelvin (K), Mol (mol), Candela (cd). Die Basisgrößen sind international definiert. Alle weiteren Größen und Einheiten werden abgeleitet. Beispiel: 1V=1kg m 2 /A s 3 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 36
Elektrische Leistung (P) Die elektrische Leistung P ist das Produkt aus Spannung U und Strom I. Die SI-Einheit der Leistung ist Watt (W). P[W] = U[V] I[A] WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 37
Kleine Übung Warum gilt für die Leistung P R an einem Ohmschen Widerstand R 2 P = I R P R = U I = R I I = R I 2 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 38
Energie Die Energie W ist eine über ein Zeitintervall integrierte Leistung. Die SI-Einheit für Energie ist Joule (J) bzw. Wattsekunde (Ws). W = t t 2 1 P(t)dt für eine zeitlich konstante Leistung gilt W = P (t t ) 2 1 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 39
Reihen- und Parallelschaltung WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 40
Reihenschaltung In Reihe geschaltete Bauelemente sind vom selben Strom durchflossen. Der Gesamtwiderstand ist die Summe der Einzelwiderstände. Die Gesamtspannung ist die Summe der Einzelspannungen über den Einzelwiderständen. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 41
Reihenschaltung R I = U ges R ges = n i= 1 n i= 1 U i = R I + R I + + R I = 1 2 n R i WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 42
Parallelschaltung Parallel geschaltete Bauelemente liegen an derselben Spannung. Der Kehrwert des Gesamtwiderstandes ist die Summe der Kehrwerte der Einzelwiderstände. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 43
Parallelschaltung U R ges I ges n i= 1 I i = I + I + + I 1 2 n = U / R + U / R + U / R = U n i= 1 n 1 1 R = = = R ges i= 1 i 1 2 n 1 R i WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 44