1 Einführung 11

1.1 Was ist technische Informatik? 11
1.2 Vom Abakus zum Supercomputer 13
1.3 Wohin geht die Reise? 30

2 Halbleitertechnik 33

2.1 Halbleiter 34
2.1.1 Atommodell von Bohr 34
2.1.2 Reine Halbleiter 37
2.1.3 Dotierte Halbleiter 39
2.2 Integrierte Schaltelemente 41
2.2.1 Halbleiterdioden 41
2.2.2 Bipolartransistoren 42
2.2.3 Feldeffekttransistoren 46
2.3 Chip-Fertigung 51
2.3.1 Produktion integrierter Schaltkreise 51
2.3.2 Integrationsdichte 57
2.4 Übungsaufgaben 58

3 Zahlendarstellung und Codes 59

3.1 Zahlensysteme 60
3.2 Rechnerinterne Zahlenformate 67
3.2.1 Darstellung natürlicher Zahlen 67
3.2.2 Darstellung rationaler Zahlen 73
3.3 Zahlencodes 80
3.3.1 Tetraden-Codes 80
3.3.2 Fehlererkennende Codes 84
3.4 Übungsaufgaben 86

4 Boolesche Algebra 89

4.1 Axiomatisierung nach Huntington 90
4.1.1 Mengenalgebra 91
4.1.2 Schaltalgebra 93
4.2 Boolesche Ausdrücke und Aussagen 95
4.2.1 Abgeleitete Operatoren 97
4.2.2 Erfüllbarkeit und Äquivalenz 100
4.2.3 Strukturelle Induktion 102
4.2.4 Dualitätsprinzip 105
4.3 Rechnen in booleschen Algebren 109
4.3.1 Abgeleitete Umformungsregeln 109
4.3.2 Vereinfachung boolescher Ausdrücke 111
4.3.3 Vollständige Operatorensysteme 117
4.4 Normalformdarstellungen 119
4.4.1 Konjunktive und disjunktive Normalform 119
4.4.2 Reed-Muller-Normalform 122
4.4.3 Binäre Entscheidungsdiagramme 125
4.5 Übungsaufgaben 133

5 Schaltnetze 139

5.1 Grundlagen der Digitaltechnik 140
5.1.1 Schaltkreisfamilien 140
5.1.2 MOS-Schaltungstechnik 145
5.1.3 Lastfaktoren 155
5.2 Schaltungssynthese 156
5.2.1 Zweistufige Schaltungssynthese 157
5.2.2 BDD-basierte Schaltungssynthese 158
5.2.3 FDD-basierte Schaltungssynthese 159
5.3 Formelsynthese 161
5.3.1 Funktionale Formelsynthese 161
5.3.2 Relationale Formelsynthese 163
5.3.3 Definitorische Formelsynthese 164
5.4 Komplexitätsanalyse 167
5.5 Zeitverhalten digitaler Schaltungen 169
5.5.1 Signalausbreitung und -verzögerung 169
5.5.2 Störimpulse 171
5.6 Übungsaufgaben 175

6 Minimierung 181

6.1 Minimierungsziele 182
6.2 Karnaugh-Veitch-Diagramme 186
6.2.1 Minimierung partiell definierter Funktionen 190
6.2.2 Konstruktion Hazard-freier Schaltungen 194
6.2.3 Minimierung mehrstelliger Funktionen 196
6.3 Quine-McCluskey-Verfahren 197
6.4 Übungsaufgaben 201

7 Standardschaltnetze 205

7.1 Motivation 206
7.2 Multiplexer und Demultiplexer 206
7.3 Komparatoren 213
7.4 Präfix-Logik 215
7.5 Addierer 218
7.5.1 Halb- und Volladdierer 218
7.5.2 Carry-ripple-Addierer 220
7.5.3 Carry-look-ahead-Addierer 221
7.5.4 Conditional-Sum-Addierer 224
7.5.5 Präfix-Addierer 227
7.5.6 Carry-save-Addierer 229
7.6 Inkrementierer 232
7.7 Subtrahierer 233
7.8 Multiplizierer 234
7.8.1 Matrixmultiplizierer 235
7.8.2 Carry-save-Multiplizierer 238
7.8.3 Wallace-Tree-Multiplizierer 241
7.8.4 Dadda-Tree-Multiplizierer 246
7.9 Barrel-Shifter 249
7.10 Arithmetisch-logische Einheit 251
7.11 Programmierbare Logikbausteine 253
7.12 Übungsaufgaben 256

8 Schaltwerke 265

8.1 Digitale Speicherelemente 266
8.1.1 Asynchrone Speicherelemente 267
8.1.2 Taktzustandsgesteuerte Speicherelemente 271
8.1.3 Taktflankengesteuerte Speicherelemente 274
8.1.4 Bevorrechtigte Eingänge 281
8.1.5 CMOS-Implementierung 282
8.2 Vom Flipflop zum Schaltwerk 285
8.2.1 Endliche Automaten 286
8.2.2 Schaltwerksynthese 289
8.3 Übungsaufgaben 293

9 Standardschaltwerke 299

9.1 Register 300
9.1.1 Auffangregister 300
9.1.2 Schieberegister 302
9.1.3 Universalregister 304
9.1.4 Akkumulatoren 305
9.2 Zähler 308
9.2.1 Synchrone Binärzähler 309
9.2.2 Asynchrone Binärzähler 313
9.2.3 Mischzähler 314
9.2.4 Instruktionszähler 316
9.3 Hauptspeicher 318
9.3.1 SRAM-Speicher 318
9.3.2 DRAM-Speicher 320
9.3.3 Fehlererkennung und -korrektur 327
9.4 Übungsaufgaben 330

10 Register-Transfer-Entwurf 335

10.1 Entwurf komplexer Systeme 336
10.1.1 Operationswerksynthese 338
10.1.2 Steuerwerksynthese 340
10.2 Mikroprogrammierung 343
10.3 Übungsaufgaben 349

11 Mikroprozessortechnik 351

11.1 Elemente eines Mikrorechners 352
11.1.1 Von-Neumann-Architektur 352
11.1.2 Aufbau der CPU 356
11.2 Ein einfacher Modellprozessor 360
11.3 Übungsaufgaben 374

12 Rechnerstrukturen 377

12.1 Rechnerklassifikation nach Flynn 378
12.2 Instruktionsarchitekturen 379
12.2.1 CISC-Prozessoren 380
12.2.2 RISC-Prozessoren 384
12.3 Methoden zur Leistungssteigerung 388
12.3.1 Pipelining 388
12.3.2 Cache-Speicher 393
12.4 Leistungsbewertung 399
12.4.1 Maßzahlen zur Leistungsbewertung 399
12.4.2 Benchmarks 402
12.5 Übungsaufgaben 405

A Notationsverzeichnis 411
B Abkürzungsverzeichnis 413
C Glossar 415

Literaturverzeichnis 433
Namensverzeichnis 437
Sachwortverzeichnis 439