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Vorwort
6
Inhaltsverzeichnis
8
1 Einführung
14
1.1 Was ist technische Informatik?
14
1.2 Vom Abakus zum Supercomputer
16
1.3 Wohin geht die Reise?
33
2 Halbleitertechnik
36
2.1 Halbleiter
37
2.1.1 Atommodell von Bohr
37
2.1.2 Reine Halbleiter
40
2.1.3 Dotierte Halbleiter
42
2.2 Integrierte Schaltelemente
44
2.2.1 Halbleiterdioden
44
2.2.2 Bipolartransistoren
45
2.2.3 Feldeffekttransistoren
49
2.3 Chip-Fertigung
54
2.3.1 Produktion integrierter Schaltkreise
54
2.3.2 Integrationsdichte
60
2.4 Übungsaufgaben
61
3 Zahlendarstellung und Codes
62
3.1 Zahlensysteme
63
3.2 Rechnerinterne Zahlenformate
71
3.2.1 Darstellung natürlicher Zahlen
71
3.2.2 Darstellung rationaler Zahlen
77
3.3 Zahlencodes
84
3.3.1 Tetraden-Codes
84
3.3.2 Fehlererkennende Codes
88
3.4 Zeichencodes
90
3.4.1 ASCII-Code
90
3.4.2 ISO 8859
92
3.4.3 Unicode
93
3.5 Übungsaufgaben
97
4 Boolesche Algebra
102
4.1 Axiomatisierung nach Huntington
103
4.1.1 Mengenalgebra
104
4.1.2 Schaltalgebra
106
4.2 Boolesche Ausdrücke und Aussagen
108
4.2.1 Abgeleitete Operatoren
110
4.2.2 Erfüllbarkeit und Äquivalenz
113
4.2.3 Strukturelle Induktion
115
4.2.4 Dualitätsprinzip
118
4.3 Rechnen in booleschen Algebren
122
4.3.1 Abgeleitete Umformungsregeln
122
4.3.2 Vereinfachung boolescher Ausdrücke
124
4.3.3 Vollständige Operatorensysteme
130
4.4 Normalformdarstellungen
132
4.4.1 Konjunktive und disjunktive Normalform
132
4.4.2 Reed-Muller-Normalform
135
4.4.3 Binäre Entscheidungsdiagramme
137
4.5 Übungsaufgaben
146
5 Schaltnetze
152
5.1 Grundlagen der Digitaltechnik
153
5.1.1 Schaltkreisfamilien
153
5.1.2 MOS-Schaltungstechnik
158
5.1.3 Lastfaktoren
168
5.2 Schaltungssynthese
169
5.2.1 Zweistufige Schaltungssynthese
170
5.2.2 BDD-basierte Schaltungssynthese
171
5.2.3 FDD-basierte Schaltungssynthese
172
5.3 Formelsynthese
174
5.3.1 Funktionale Formelsynthese
174
5.3.2 Relationale Formelsynthese
176
5.3.3 Definitorische Formelsynthese
177
5.4 Komplexitätsanalyse
180
5.5 Zeitverhalten digitaler Schaltungen
182
5.5.1 Signalausbreitung und -verzögerung
182
5.5.2 Störimpulse
184
5.6 Übungsaufgaben
189
6 Minimierung
194
6.1 Minimierungsziele
195
6.2 Karnaugh-Veitch-Diagramme
199
6.2.1 Minimierung partiell definierter Funktionen
203
6.2.2 Konstruktion Hazard-freier Schaltungen
207
6.2.3 Minimierung mehrstelliger Funktionen
209
6.3 Quine-McCluskey-Verfahren
211
6.4 Übungsaufgaben
216
7 Standardschaltnetze
220
7.1 Motivation
221
7.2 Multiplexer und Demultiplexer
221
7.3 Komparatoren
228
7.4 Präfix-Logik
230
7.5 Addierer
233
7.5.1 Halb- und Volladdierer
233
7.5.2 Carry-ripple-Addierer
235
7.5.3 Carry-look-ahead-Addierer
236
7.5.4 Präfix-Addierer
239
7.5.5 Carry-save-Addierer
241
7.6 Inkrementierer
244
7.7 Subtrahierer
245
7.8 Multiplizierer
246
7.8.1 Matrixmultiplizierer
247
7.8.2 Carry-save-Multiplizierer
250
7.8.3 Wallace-Tree-Multiplizierer
253
7.8.4 Dadda-Tree-Multiplizierer
258
7.9 Barrel-Shifter
261
7.10 Arithmetisch-logische Einheit
263
7.11 Programmierbare Logikbausteine
265
7.12 Übungsaufgaben
268
8 Schaltwerke
276
8.1 Digitale Speicherelemente
277
8.1.1 Asynchrone Speicherelemente
278
8.1.2 Taktzustandsgesteuerte Speicherelemente
282
8.1.3 Taktflankengesteuerte Speicherelemente
285
8.1.4 Bevorrechtigte Eingänge
292
8.1.5 CMOS-Implementierung
293
8.2 Vom Flipflop zum Schaltwerk
296
8.2.1 Endliche Automaten
297
8.2.2 Schaltwerksynthese
300
8.3 Übungsaufgaben
304
9 Standardschaltwerke
310
9.1 Register
311
9.1.1 Auffangregister
311
9.1.2 Schieberegister
313
9.1.3 Universalregister
315
9.1.4 Akkumulatoren
316
9.2 Zähler
319
9.2.1 Synchrone Binärzähler
320
9.2.2 Asynchrone Binärzähler
324
9.2.3 Mischzähler
325
9.2.4 Instruktionszähler
327
9.3 Hauptspeicher
329
9.3.1 SRAM-Speicher
329
9.3.2 DRAM-Speicher
331
9.3.3 Fehlererkennung und -korrektur
338
9.4 Übungsaufgaben
341
10 Register-Transfer-Entwurf
346
10.1 Entwurf komplexer Systeme
347
10.1.1 Operationswerksynthese
349
10.1.2 Steuerwerksynthese
351
10.2 Mikroprogrammierung
354
10.3 Übungsaufgaben
360
11 Mikroprozessortechnik
362
11.1 Elemente eines Mikrorechners
363
11.1.1 Von-Neumann-Architektur
363
11.1.2 Aufbau der CPU
367
11.2 Ein einfacher Modellprozessor
371
11.3 Übungsaufgaben
385
12 Rechnerstrukturen
388
12.1 Rechnerklassifikation nach Flynn
389
12.2 Instruktionsarchitekturen
390
12.2.1 CISC-Prozessoren
391
12.2.2 RISC-Prozessoren
395
12.3 Methoden zur Leistungssteigerung
399
12.3.1 Pipelining
399
12.3.2 Cache-Speicher
404
12.4 Leistungsbewertung
410
12.4.1 Maßzahlen zur Leistungsbewertung
410
12.4.2 Benchmarks
413
12.5 Übungsaufgaben
416
Anhang
422
A Symbolschema der DIN 40900
424
B Notationsverzeichnis
428
C Gesetze der Schaltalgebra
430
D Abkürzungsverzeichnis
432
Literaturverzeichnis
434
Namensverzeichnis
438
Sachwortverzeichnis
440
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