Dirk W. HOFFMANN INFORMATIK // Zahlreiche
dirk w. HOFFMANNGRUNDLAGEN DERTECHNISCHENINFORMATIK5., aktualisierte AuflageIm Internet: Lösungen zu den Übungsaufgaben,Übungsblätter und weiteres Zusatzmaterial
HoffmannGrundlagen der Technischen Informatik
Dirk W. HoffmannGrundlagen derTechnischen Informatik5., aktualisierte AuflageMit 357 Bildern, 57 Tabellen und 93 Aufgaben
AutorProf. Dr. Dirk W. Hoffmann, Hochschule Karlsruhe, Fakultät für Informatik und WirtschaftsinformatikAlle in diesem Buch enthaltenen Programme, Verfahren und elektronischen Schaltungen wurden nach bestem Wissenerstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund ist das im vorliegenden Buch enthaltene Programm-Material mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor undVerlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht.Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohnebesondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und MarkenschutzGesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.Bibliografische Information Der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in derDeutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind imInternet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt.Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus,vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie,Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den§§ 53, 54 URG genannten Sonderfälle , reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet,vervielfältigt oder verbreitet werden. 2016 Carl Hanser Verlag MünchenLektorat: Mirja WernerHerstellung: Franziska KaufmannSatz: Dirk W. Hoffmann, KarlsruheCovergestaltung: Stephan RönigkDatenbelichtung, Druck und Bindung: Kösel, KrugzellAusstattung patentrechtlich geschützt. Kösel FD 351, Patent-Nr. 0748702Printed in GermanyISBN: 978-3-446-44867-4E-Book-ISBN: 978-3-446-44903-9www.hanser.de/computer
VorwortDie Computertechnik hat in wenigen Jahrzehnten eine Entwicklung vollzogen, die in ihrerGeschwindigkeit und Intensität einzigartig ist. Setzten sich die ersten Computer noch ausvergleichsweise wenigen Schaltkreisen zusammen, so verrichten in jedem modernen Arbeitsplatzrechner, Tablet-PC oder Smartphone Abermillionen von Transistoren ihren Dienstund führen in jeder Sekunde Milliarden von Berechnungen aus. Doch so rasant die Entwicklung der letzten Jahrzehnte auch war: Vergleichen wir die Maschinen der Pionierzeitmit unseren modernen Rechenboliden, so lassen sich eine Reihe von Grundprinzipien identifizieren, die sich im Laufe der Zeit zwar weiterentwickelt, aber im Kern nicht veränderthaben. Diese Grundprinzipien, zusammen mit ihren modernen Ausprägungen, formen dasGebiet der technischen Informatik und sind Gegenstand des vorliegenden Buchs.Geschrieben habe ich das Buch für Bachelor-Studenten der Fachrichtungen Informatik,Elektrotechnik, Informationstechnik und verwandter Studiengänge. Inhaltlich habe ichmich dabei an den typischen Lehrinhalten orientiert, die im Grundstudium an Hochschulen und Universitäten vermittelt werden. Neben dem Grundlagenwissen aus den Gebietender Halbleitertechnik, der Zahlendarstellung und der booleschen Algebra werden die Entwurfsprinzipien kombinatorischer und sequenzieller Hardware-Komponenten bis hin zurBeschreibung moderner Prozessor- und Speicherarchitekturen vermittelt. Damit spannt dasBuch den Bogen von den mathematischen Grundlagen digitaler Schaltelemente bis hin zuden ausgefeilten Hardware-Optimierungen moderner Hochleistungscomputer.Es ist mir ein besonderes Anliegen, den Stoff anwendungsorientiert und didaktisch ansprechend zu vermitteln. Damit das Buch sowohl vorlesungsbegleitend als auch zum Selbststudium eingesetzt werden kann, werden die Lehrinhalte aller Kapitel durch zahlreicheÜbungsaufgaben komplementiert. Des Weiteren habe ich zahlreiche Anwendungsbezügemit aufgenommen, um eine enge Verzahnung zwischen Theorie und Praxis zu erreichen.Seit dem Erscheinen der letzten Auflage habe ich wieder zahlreiche Zuschriften erhalten,über die ich mich sehr gefreut habe. Namentlich bedanken möchte ich mich bei Herrn SvenBadke, Frau Ines Machinek und Herrn Prof. Dr. Martin Rumpler, die mich auf mehrere bisher unentdeckte Fehler aufmerksam gemacht haben. Inzwischen erscheinen die Grundlagender technischen Informatik in der fünften Auflage, und ich bin weiterhin jedem aufmerksamen Leser für Hinweise zu Verbesserungsmöglichkeiten oder Fehlern dankbar.Karlsruhe, im August 2016Dirk W. Hoffmann
SymbolwegweiserDefinitionSatz, Lemma, Korollar---Leichte Übungsaufgabe---Mittelschwere Übungsaufgabe---Schwere ÜbungsaufgabeLösungen zu den ÜbungsaufgabenIn wenigen Schritten erhalten Sie die Lösungen zu den Übungsaufgaben:1. Gehen Sie auf die Seite www.dirkwhoffmann.de/TI2. Geben Sie den neben der Aufgabe abgedruckten Webcode ein3. Die Musterlösung wird als PDF-Dokument angezeigt
Inhaltsverzeichnis1 Einführung1.1Was ist technische Informatik? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.2Vom Abakus zum Supercomputer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.3Wohin geht die Reise? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111113302 Halbleitertechnik2.1Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.1.1Atommodell von Bohr . . . . . . .2.1.2Reine Halbleiter . . . . . . . . . .2.1.3Dotierte Halbleiter . . . . . . . . .2.2Integrierte Schaltelemente . . . . . . . . . .2.2.1Halbleiterdioden . . . . . . . . . .2.2.2Bipolartransistoren . . . . . . . . .2.2.3Feldeffekttransistoren . . . . . . .2.3Chip-Fertigung . . . . . . . . . . . . . . .2.3.1Produktion integrierter Schaltkreise2.3.2Integrationsdichte . . . . . . . . .2.4Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . .333434373941414246515157583 Zahlendarstellung und Codes3.1Zahlensysteme . . . . . . . . . . . . . .3.2Rechnerinterne Zahlenformate . . . . .3.2.1Darstellung natürlicher Zahlen3.2.2Darstellung rationaler Zahlen .3.3Zahlencodes . . . . . . . . . . . . . . .3.3.1Tetraden-Codes . . . . . . . .3.3.2Fehlererkennende Codes . . . .3.4Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . .5960676773808084864 Boolesche Algebra4.1Axiomatisierung nach Huntington . .4.1.1Mengenalgebra . . . . . . .4.1.2Schaltalgebra . . . . . . . . .4.2Boolesche Ausdrücke und Aussagen .4.2.1Abgeleitete Operatoren . . .4.2.2Erfüllbarkeit und Äquivalenz4.2.3Strukturelle Induktion . . . .4.2.4Dualitätsprinzip . . . . . . .89. 90. 91. 93. 95. 97. 100. 102. 105.
84.34.44.5InhaltsverzeichnisRechnen in booleschen Algebren . . . . . . . . .4.3.1Abgeleitete Umformungsregeln . . . . .4.3.2Vereinfachung boolescher Ausdrücke . .4.3.3Vollständige Operatorensysteme . . . . .Normalformdarstellungen . . . . . . . . . . . . .4.4.1Konjunktive und disjunktive Normalform4.4.2Reed-Muller-Normalform . . . . . . . .4.4.3Binäre Entscheidungsdiagramme . . . .Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 Schaltnetze5.1Grundlagen der Digitaltechnik . . . . . . . .5.1.1Schaltkreisfamilien . . . . . . . . .5.1.2MOS-Schaltungstechnik . . . . . . .5.1.3Lastfaktoren . . . . . . . . . . . . .5.2Schaltungssynthese . . . . . . . . . . . . . .5.2.1Zweistufige Schaltungssynthese . . .5.2.2BDD-basierte Schaltungssynthese . .5.2.3FDD-basierte Schaltungssynthese . .5.3Formelsynthese . . . . . . . . . . . . . . . .5.3.1Funktionale Formelsynthese . . . . .5.3.2Relationale Formelsynthese . . . . .5.3.3Definitorische Formelsynthese . . .5.4Komplexitätsanalyse . . . . . . . . . . . . . .5.5Zeitverhalten digitaler Schaltungen . . . . . .5.5.1Signalausbreitung und -verzögerung5.5.2Störimpulse . . . . . . . . . . . . .5.6Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . 1581591611611631641671691691711756 Minimierung6.1Minimierungsziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.2Karnaugh-Veitch-Diagramme . . . . . . . . . . . . .6.2.1Minimierung partiell definierter Funktionen6.2.2Konstruktion Hazard-freier Schaltungen . .6.2.3Minimierung mehrstelliger Funktionen . . .6.3Quine-McCluskey-Verfahren . . . . . . . . . . . . .6.4Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181182186190194196197201.2052062062132157 Standardschaltnetze7.1Motivation . . . . . . . . . . .7.2Multiplexer und Demultiplexer7.3Komparatoren . . . . . . . . .7.4Präfix-Logik . . . . . . . . . .
2342352382412462492512532568 Schaltwerke8.1Digitale Speicherelemente . . . . . . . . . . . . .8.1.1Asynchrone Speicherelemente . . . . . .8.1.2Taktzustandsgesteuerte Speicherelemente8.1.3Taktflankengesteuerte Speicherelemente8.1.4Bevorrechtigte Eingänge . . . . . . . . .8.1.5CMOS-Implementierung . . . . . . . .8.2Vom Flipflop zum Schaltwerk . . . . . . . . . . .8.2.1Endliche Automaten . . . . . . . . . . .8.2.2Schaltwerksynthese . . . . . . . . . . .8.3Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . .2652662672712742812822852862892939 Standardschaltwerke9.1Register . . . . . . . . . . . . .9.1.1Auffangregister . . . .9.1.2Schieberegister . . . . .9.1.3Universalregister . . . .9.1.4Akkumulatoren . . . .9.2Zähler . . . . . . . . . . . . . .9.2.1Synchrone Binärzähler .9.2.2Asynchrone Binärzähler9.2.3Mischzähler . . . . . .9.2.4Instruktionszähler . . 7.117.12Addierer . . . . . . . . . . . . . . .7.5.1Halb- und Volladdierer . . .7.5.2Carry-ripple-Addierer . . m-Addierer7.5.5Präfix-Addierer . . . . . .7.5.6Carry-save-Addierer . . . .Inkrementierer . . . . . . . . . . . .Subtrahierer . . . . . . . . . . . . .Multiplizierer . . . . . . . . . . . .7.8.1Matrixmultiplizierer . . . .7.8.2Carry-save-Multiplizierer ultiplizierer .Barrel-Shifter . . . . . . . . . . . .Arithmetisch-logische Einheit . . . .Programmierbare Logikbausteine . .Übungsaufgaben . . . . . . . . . . .
109.39.4InhaltsverzeichnisHauptspeicher . . . . . . . . . . . . . .9.3.1SRAM-Speicher . . . . . . . .9.3.2DRAM-Speicher . . . . . . . .9.3.3Fehlererkennung und -korrekturÜbungsaufgaben . . . . . . . . . . . . .10 Register-Transfer-Entwurf10.1 Entwurf komplexer Systeme . . .10.1.1 Operationswerksynthese10.1.2 Steuerwerksynthese . .10.2 Mikroprogrammierung . . . . .10.3 Übungsaufgaben . . . . . . . . .318318320327330.33533633834034334911 Mikroprozessortechnik11.1 Elemente eines Mikrorechners . . .11.1.1 Von-Neumann-Architektur11.1.2 Aufbau der CPU . . . . . .11.2 Ein einfacher Modellprozessor . . .11.3 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . .35135235235636037412 Rechnerstrukturen12.1 Rechnerklassifikation nach Flynn . . . . . .12.2 Instruktionsarchitekturen . . . . . . . . . .12.2.1 CISC-Prozessoren . . . . . . . . .12.2.2 RISC-Prozessoren . . . . . . . . .12.3 Methoden zur Leistungssteigerung . . . . .12.3.1 Pipelining . . . . . . . . . . . . .12.3.2 Cache-Speicher . . . . . . . . . .12.4 Leistungsbewertung . . . . . . . . . . . . .12.4.1 Maßzahlen zur Leistungsbewertung12.4.2 Benchmarks . . . . . . . . . . . .12.5 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . .377378379380384388388393399399402405.A Notationsverzeichnis411B Abkürzungsverzeichnis413C 437Sachwortverzeichnis439
1 Einführung„The first microprocessor only had 22 hundred transistors. We are looking at something a million times thatcomplex in the next generations – a billion transistors.What that gives us in the way of flexibility to design products is phenomenal.“Gordon E. Moore, Intel Corporation1.1Was ist technische Informatik?Blicken wir auf die Entwicklung der letzten hundert Jahre zurück, sohat keine andere technische Innovation unser Leben mehr verändert alsdie Erfindung des Computers, wie wir ihn heute kennen. Die Geschwindigkeit, mit der die digitale Revolution immer größere Bereiche unserestäglichen Lebens erobert und umgestaltet hat, ist nicht nur in der Retrospektive atemberaubend. Die Auswirkungen sind heute tief bis in unserkulturelles und gesellschaftliches Leben zu spüren. Ob wir wollen odernicht: Wir stehen heute an der Schwelle des ubiquitären Computerzeitalters und haben sie in manchen Bereichen auch schon überschritten.Mit der Fortsetzung der kontinuierlich voranschreitenden Miniaturisierung und der zunehmenden Vernetzung verschiedenster Geräte ist derComputer von morgen allgegenwärtig und in vielen Fällen nicht einmalmehr als solcher zu erkennen.Hand in Hand mit der sich rasant entwickelnden Computertechnikwuchs gleichermaßen die Bedeutung der Informatik, die sich in kürzester Zeit von einer Nischendisziplin zu einer eigenständigen Wissenschaft entwickeln konnte (vgl. Abbildung 1.1). Eine ihrer Kernsäulen istdie technische Informatik, die sich grob gesprochen mit dem Entwurf,der logischen Struktur und der technischen Realisierung von ComputerHardware beschäftigt.Ausgehend von der elementaren Hardware-Komponente des Logikgatters beschäftigt sich die technische Informatik mit der Konstruktion
121 EinführungI N F O R MAT I oprozessorenFormale eInformatikAusführlich behandeltEndliche tischeInformatikMultimediaSimulationKünstliche �hrend behandeltAbbildung 1.1: Die vier Säulen der Informatikkomplexer Digitalschaltungen. Hierzu gehören einfache Schaltnetze genauso wie komplexe, mit Speicherelementen angereicherte Schaltwerke.Durch das wechselseitige Zusammenspiel von Millionen von Schaltelementen sind wir heute in der Lage, Systeme mit einer Komplexität zukonstruieren, die noch vor nicht allzu langer Zeit als unmöglich erachtetwurde. Nichtsdestotrotz lässt sich selbst das komplexeste System stetsauf die gleichen Grundprinzipien zurückführen. Die folgenden Kapitelwerden diese in ein helleres Licht rücken und den Leser praxisnah indie technische Funktionsweise moderner Computersysteme einführen.Die technische Informatik ist eng mit der theoretischen Informatik verzahnt. Viele der dort entwickelten Konzepte aus den Bereichen der Codierungstheorie, Logik und der endlichen Automaten dienen uns als dasmathematische Fundament zur Beschreibung von Computer-Hardware.In entsprechender Weise werden wir uns auch in diesem Buch mitetlichen Teilaspekten dieser Disziplin beschäftigen. Doch bevor wirvollends in die Welt der Bits und Bytes eintauchen, wollen wir einenkurzen Streifzug durch die junge, aber bewegte Geschichte der Computertechnik wagen und uns mit der Frage beschäftigen, wohin die Reisein den nächsten Jahren führen wird.
131.2 Vom Abakus zum Supercomputer1.2Vom Abakus zum Supercomputer1012 1010 108 106 104 102 1001011 109 107 105 103 101Die ersten mechanischen Rechenhilfen5 1 Wir beginnen unseren Streifzug durch die Geschichte im elften Jahrhundert vor Christus. Etwa zu dieser Zeit wird in China mit dem Suan pandie erste mechanische Rechenhilfe entwickelt – der sogenannte Abakus. Obwohl das auf den ersten Blick primitiv anmutende Rechenbrettnicht viel mit der heutigen Computertechnik verbindet, stellt der Abakus einen bedeutenden Schritt in Richtung des maschinellen Rechnensdar und ist mit sein
2016 Carl Hanser Verlag München Lektorat: Mirja Werner Herstellung: Franziska Kaufmann Satz: Dirk W. Hoffmann, Karlsruhe Covergestaltung: Stephan Rönigk Datenbelichtung,Druck und Bindung:Kösel, Krugzell Ausstattung patentrechtlich geschützt. Kösel FD 351, Patent-Nr. 0748702 Printed in G
Phone: (828) 430 - 4510 Fax: (828) 430 - 4620 e-mail: info@Hoffmann-USA.com www.Hoffmann-USA.com Version: 05-2018 H M Hoffmann Machine Company, Inc. 1386 Drexel Road Valdese, NC 28690 - USA Ph: (828) 430 - 4510 www.Hoffmann-USA.com Operating and Maintenance Manual HOFFMANN X - 18 manual dovetail routing machine OFFMANN achine
Hoffmann Machine Programme 12 Dovetail Routing Machines MU-Basis, X_line, eXess, MF-4 14 PU-Basis 18 PP-Basis 22 Double Mitre Saws . The Hoffmann Key 4 The System 4 The Range of Hoffmann Keys 6 Applications of the Hoffmann Key 8 The Know-How is already in the system 10 Fox Floor Key 11 Engineering Services and 34 Customers Specific .
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(c) FH Köln - Institut für Informatik - Hans L. Stahl Grundlagen Informatik 19% BWL Math. 9% WI spezial 29% Neigung 17% Querschnitt 5% Praxistätigkeit 7% Abschlussarbeit 14% Wirtschaftsinformatik Spezielle BWL Informationsmanagement Betriebl. Anwendungssysteme Theoretische Informatik, Al
The Hoffmann Dovetail Routing Machine model X-20 is designed solely to process material for the Hoffmann Dovetail Joining System. This machine is to be used only to process material for Hoffmann Dovetail Keys, size W-1, W-2 and W-3. USE OF THIS MACHINE FOR ANY OTHER OPERATION IS DANGEROUS AND WILL VOID THE WARRANTY. The manufacturer cannot be
The Hoffmann Dovetail Routing Machine models PP2-TAB and PP2-TAB/4 is designed solely to process material for the Hoffmann Dovetail Joining System. This machine is to be used only to process material for Hoffmann Dovetail Keys, size W-1, W-2 and W-3. USE OF THIS MACHINE FOR ANY OTHER OPERATION IS DANGEROUS AND WILL VOID THE WARRANTY.
The Hoffmann Dovetail Routing Machine model PU2-TL is designed solely to process material for the Hoffmann Dovetail Joining System. This machine is to be used only to process material for Hoffmann Dovetail Keys, size W-1, W-2, W-3 and W-4. USE OF THIS MACHINE FOR ANY OTHER OPERATION IS DANGEROUS AND WILL VOID THE WARRANTY.
PROGRAMI I STUDIMIT Administrim Publik ID MATURE Piket e grumbulluara 201519800030 9.39 201418500072 9.08 201418300019 8.97 201418300020 8.78 201418500152 8.69 201461700004 8.67 201418200012 8.60 201418200004 8.54 201418200002 8.51 201418300004 8.43 201418200005 8.43 201418500092 8.40 201418500015 8.37 201418500131 8.32 203343900033 8.30 201418500021 8.21 201519400032 8.06 201417600080 8.04 .
