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Vorwort |
6 |
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Inhaltsverzeichnis |
8 |
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1 Einführung |
12 |
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1.1 Was ist technische Informatik? |
12 |
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1.2 Vom Abakus zum Supercomputer |
14 |
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Die ersten mechanischen Rechenhilfen |
14 |
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Die Schickard’sche Rechenuhr |
15 |
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Die Rechenmaschinen des Charles Babbage |
16 |
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Die elektrische Revolution |
18 |
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Die legendäre Z3 des Konrad Zuse |
18 |
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Die Harvard Mark I |
20 |
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Die ENIAC |
21 |
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Der Siegeszug des Transistors |
24 |
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Der erste Mikroprozessor |
28 |
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Die Entwicklung bis heute |
30 |
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1.3 Wohin geht die Reise? |
31 |
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2 Zahlendarstellung und Codes |
34 |
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2.1 Zahlensysteme |
35 |
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|
Konvertierung zwischen Zahlensystemen |
39 |
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2.2 Rechnerinterne Zahlenformate |
43 |
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2.2.1 Darstellung natürlicher Zahlen |
43 |
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Vorzeichenbitdarstellung |
45 |
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Einerkomplement |
46 |
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Zweierkomplement |
47 |
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2.2.2 Darstellung rationaler Zahlen |
49 |
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|
Festkommazahlen |
49 |
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Gleitkommazahlen |
50 |
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Die IEEE-754-Gleitkommaformate |
53 |
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2.3 Zahlencodes |
56 |
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2.3.1 Tetraden-Codes |
56 |
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Der BCD-Code |
57 |
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|
Der Stibitz-Code |
58 |
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Der Aiken-Code |
59 |
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|
Der Gray-Code |
59 |
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|
2.3.2 Fehlererkennende Codes |
60 |
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|
2.4 Zeichencodes |
62 |
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|
2.4.1 ASCII-Code |
62 |
|
|
2.4.2 ISO 8859 |
64 |
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|
2.4.3 Unicode |
65 |
|
|
2.5 Übungsaufgaben |
69 |
|
|
3 Boolesche Algebra |
74 |
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|
3.1 Axiomatisierung nach Huntington |
75 |
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|
3.1.1 Mengenalgebra |
76 |
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3.1.2 Schaltalgebra |
78 |
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|
3.2 Boolesche Ausdrücke und Aussagen |
80 |
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|
3.2.1 Abgeleitete Operatoren |
82 |
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|
3.2.2 Erfüllbarkeit und Äquivalenz |
85 |
|
|
3.2.3 Strukturelle Induktion |
87 |
|
|
3.2.4 Dualitätsprinzip |
90 |
|
|
3.3 Rechnen in booleschen Algebren |
94 |
|
|
3.3.1 Abgeleitete Umformungsregeln |
94 |
|
|
3.3.2 Vereinfachung boolescher Ausdrücke |
96 |
|
|
3.3.3 Vollständige Operatorensysteme |
102 |
|
|
3.4 Normalformdarstellungen |
104 |
|
|
3.4.1 Konjunktive und disjunktive Normalform |
104 |
|
|
3.4.2 Reed-Muller-Normalform |
107 |
|
|
3.4.3 Binäre Entscheidungsdiagramme |
109 |
|
|
3.5 Übungsaufgaben |
118 |
|
|
4 Schaltnetze |
124 |
|
|
4.1 Grundlagen der Digitaltechnik |
125 |
|
|
4.2 Schaltungssynthese |
130 |
|
|
4.2.1 Zweistufige Schaltungssynthese |
131 |
|
|
4.2.2 BDD-basierte Schaltungssynthese |
132 |
|
|
4.2.3 FDD-basierte Schaltungssynthese |
133 |
|
|
4.3 Formelsynthese |
135 |
|
|
4.3.1 Funktionale Formelsynthese |
135 |
|
|
4.3.2 Relationale Formelsynthese |
137 |
|
|
4.3.3 De.nitorische Formelsynthese |
138 |
|
|
4.4 Komplexitätsanalyse |
141 |
|
|
4.5 Zeitverhalten digitaler Schaltungen |
143 |
|
|
4.5.1 Signalausbreitung und -verzögerung |
143 |
|
|
4.5.2 Störimpulse |
145 |
|
|
4.6 Übungsaufgaben |
150 |
|
|
5 Minimierung |
154 |
|
|
5.1 Minimierungsziele |
155 |
|
|
5.2 Karnaugh-Veitch-Diagramme |
159 |
|
|
5.2.1 Minimierung partiell de.nierter Funktionen |
163 |
|
|
5.2.2 Konstruktion Hazard-freier Schaltungen |
167 |
|
|
5.2.3 Minimierung mehrstelliger Funktionen |
169 |
|
|
5.3 Quine-McCluskey-Verfahren |
171 |
|
|
Konstruktion der Primimplikantentafel |
172 |
|
|
Konstruktion einer minimalen Überdeckung |
172 |
|
|
Minimierung partiell definierter Funktionen |
174 |
|
|
5.4 Übungsaufgaben |
176 |
|
|
6 Standardschaltnetze |
182 |
|
|
6.1 Motivation |
183 |
|
|
6.2 Multiplexer und Demultiplexer |
183 |
|
|
Multiplexer |
184 |
|
|
6.3 Komparatoren |
190 |
|
|
6.4 Präfix-Logik |
192 |
|
|
6.5 Addierer |
195 |
|
|
6.5.1 Halb- und Volladdierer |
195 |
|
|
6.5.2 Carry-ripple-Addierer |
197 |
|
|
6.5.3 Carry-look-ahead-Addierer |
198 |
|
|
6.5.4 Präfix-Addierer |
201 |
|
|
6.5.5 Carry-save-Addierer |
203 |
|
|
6.6 Inkrementierer |
206 |
|
|
6.7 Subtrahierer |
207 |
|
|
6.8 Multiplizierer |
208 |
|
|
6.8.1 Matrixmultiplizierer |
209 |
|
|
6.8.2 Carry-save-Multiplizierer |
212 |
|
|
6.9 Barrel-Shifter |
215 |
|
|
6.10 Arithmetisch-logische Einheit |
217 |
|
|
6.11 Programmierbare Logikbausteine |
219 |
|
|
6.12 Übungsaufgaben |
222 |
|
|
7 Schaltwerke |
230 |
|
|
7.1 Digitale Speicherelemente |
231 |
|
|
7.1.1 Asynchrone Speicherelemente |
232 |
|
|
Asynchrones RS-Latch |
232 |
|
|
7.1.2 Taktzustandsgesteuerte Speicherelemente |
236 |
|
|
Synchrones RS-Latch |
237 |
|
|
Synchrones D-Latch |
237 |
|
|
7.1.3 Takt.ankengesteuerte Speicherelemente |
239 |
|
|
Synchrones RS-Flip.op |
241 |
|
|
Synchrones D-Flip.op |
242 |
|
|
Synchrones T-Flip.op |
243 |
|
|
Synchrones JK-Flip.op |
244 |
|
|
7.1.4 Bevorrechtigte Eingänge |
246 |
|
|
7.2 Vom Flipflop zum Schaltwerk |
247 |
|
|
7.2.1 Endliche Automaten |
248 |
|
|
7.2.2 Schaltwerksynthese |
251 |
|
|
7.3 Übungsaufgaben |
255 |
|
|
8 Standardschaltwerke |
260 |
|
|
8.1 Register |
261 |
|
|
8.1.1 Auffangregister |
261 |
|
|
8.1.2 Schieberegister |
263 |
|
|
8.1.3 Universalregister |
265 |
|
|
8.1.4 Akkumulatoren |
266 |
|
|
8.2 Zähler |
269 |
|
|
8.2.1 Synchrone Binärzähler |
270 |
|
|
8.2.2 Asynchrone Binärzähler |
274 |
|
|
8.2.3 Mischzähler |
275 |
|
|
8.2.4 Instruktionszähler |
277 |
|
|
8.3 Hauptspeicher |
279 |
|
|
8.3.1 SRAM-Speicher |
279 |
|
|
8.3.2 DRAM-Speicher |
281 |
|
|
8.3.3 Fehlererkennung und -korrektur |
288 |
|
|
8.4 Übungsaufgaben |
291 |
|
|
9 Register-Transfer-Entwurf |
296 |
|
|
9.1 Entwurf komplexer Systeme |
297 |
|
|
9.1.1 Operationswerksynthese |
299 |
|
|
9.1.2 Steuerwerksynthese |
301 |
|
|
9.2 Mikroprogrammierung |
304 |
|
|
9.3 Übungsaufgaben |
310 |
|
|
10 Mikroprozessortechnik |
312 |
|
|
10.1 Elemente eines Mikrorechners |
313 |
|
|
10.1.1 Von-Neumann-Architektur |
313 |
|
|
10.1.2 Aufbau der CPU |
317 |
|
|
10.2 Ein einfacher Modellprozessor |
321 |
|
|
10.3 Übungsaufgaben |
335 |
|
|
11 Rechnerstrukturen |
338 |
|
|
11.1 Rechnerklassi.kation nach Flynn |
339 |
|
|
11.2 Instruktionsarchitekturen |
340 |
|
|
11.2.1 CISC-Prozessoren |
341 |
|
|
11.2.2 RISC-Prozessoren |
345 |
|
|
11.3 Methoden zur Leistungssteigerung |
349 |
|
|
11.3.1 Pipelining |
349 |
|
|
11.3.2 Cache-Speicher |
354 |
|
|
11.4 Leistungsbewertung |
360 |
|
|
11.4.1 Maßzahlen zur Leistungsbewertung |
360 |
|
|
11.4.2 Benchmarks |
363 |
|
|
11.5 Übungsaufgaben |
366 |
|
|
Anhang |
372 |
|
|
A Symbolschema der DIN 40900 |
374 |
|
|
B Notationsverzeichnis |
378 |
|
|
C Gesetze der Schaltalgebra |
380 |
|
|
D Abkürzungsverzeichnis |
382 |
|
|
E Glossar |
384 |
|
|
Literaturverzeichnis |
416 |
|
|
Index |
422 |
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