Einführung in die Technische Informatik (eBook)

Vorwort 6
Vorwort zur 2. Auflage 8
Inhaltsverzeichnis 10
1 Einleitung 15
Hardware 18
2 Logische Schaltungen 21
2.1 Grundbegriffe 21
2.1.1 Fan Out 25
2.1.2 Schaltkreisfamilien 27
2.1.3 Signalnamen und Signalverbindungen 28
2.2 Realisierung von Funktionen 29
2.2.1 Halbaddierer 30
2.2.2 Volladdierer 31
2.2.3 Codierer 33
2.2.4 Decodierer 35
2.2.5 Multiplexer 36
2.2.6 Demultiplexer 38
2.3 Sequenzielle Logik 38
2.3.1 Latches 39
2.3.2 Register 44
2.3.3 Zähler 48
2.4 Signalverarbeitende elektronische Schaltungen 51
2.4.1 Operationsverstärker 51
2.4.2 Komparatoren 53
2.4.3 Torschaltungen 55
2.4.4 Schmitt-Trigger 56
2.4.5 Zero-Crossing-Detector 62
2.4.6 Univibrator 62
2.4.7 Signalgeneratoren 64
2.4.8 Analog-Digital-Umsetzer 69
2.5 Halbleiterspeicher 71
2.5.1 Tabellenspeicher 71
2.5.2 Tristate Outputs 74
2.5.3 Open-Collector-Schaltungen 75
2.5.4 Speicherbausteine 76
2.5.5 Funktionsspeicher (ASICs) 78
Weiterführende Literatur 81
3 VHDL 83
3.1 Entwurfssichten 83
3.2 Entwurfsebenen 85
3.2.1 Systemebene 85
3.2.2 Algorithmische Ebene 85
3.2.3 Register-Transfer-Ebene 85
3.2.4 Logikebene 85
3.2.5 Schaltkreisebene 86
3.2.6 Der Aufbau einer VHDL-Beschreibung 87
3.3 Bestandteile einer VHDL-Beschreibung 88
3.3.1 Entwurfssichten in VHDL 88
3.3.2 Entwurfsebenen in VHDL 89
3.3.3 Design-Methodik mit VHDL 90
3.3.4 Die Sprache VHDL 91
3.3.5 Der Aufbau eines VHDL-Modells 91
3.4 Beispiele 92
3.4.1 (2-von-3) Voter 92
3.4.2 Siebensegment-Decoder 93
3.4.3 Input-Synchronisation 94
3.4.4 Tasten-Entpreller 96
3.5 Bewertung von VHDL 98
Weiterführende Literatur 100
Internetverweise 100
4 Mikroprozessoren 101
4.1 Endliche Automaten 101
4.2 Das Moore-Schaltwerk 106
4.2.1 Schaltwerk 107
4.2.2 Die Grundschaltung des Moore-Schaltwerkes 107
4.2.3 Schaltwerksbeschreibung durch den Zustandsgraphen 109
4.2.4 Alternativen zum Zustandsgraph 112
4.2.5 Realisierung mit ( 1 aus n) und dichter Zustandscodierung 113
4.2.6 Der zeitliche Ablauf im Moore-Schaltwerk 117
4.2.7 Synchronisierung von asynchronen Eingangssignalen 118
4.2.8 Systematische Schaltwerksentwicklung 119
4.3 Das Mealy-Schaltwerk 130
4.3.1 Die Schaltung eines Mealy-Schaltwerks 130
4.3.2 Beschreibung des Mealy-Schaltwerkes durch den Zustandsgraphen 132
4.3.3 Mealy-Moore-Transformation 133
4.3.4 Die maximale Taktfrequenz des Mealy-Schaltwerkes 134
4.3.5 Überwachung einer Einschaltreihenfolge 135
4.3.6 Erkennen der Eingangsfolge 1011 137
4.4 Prozessoren 139
4.4.1 Arithmetic Logic Unit 140
4.4.2 Register File und Busverbindungen 143
4.4.3 Speicheranbindung 146
4.4.4 Control Unit 149
4.4.5 Mikro-Programm 153
4.4.6 Very Large Scale Integration (VLSI) 156
Weiterführende Literatur 156
5 Computersysteme 157
5.1 Prozessoren 157
5.1.1 Maschinen-Code 157
5.1.2 Adressierungsarten 168
5.1.3 Architekturen 172
5.1.4 Parallelverarbeitung innerhalb eines Rechners 174
5.1.5 CISC versus RISC 179
5.2 Speicher 180
5.2.1 Interleaved Memory 181
5.2.2 Caches 183
5.2.3 Direct Memory Access (DMA) 188
5.2.4 Controller und Co-Prozessoren 189
5.2.5 Interconnection 191
5.3 Periphere Geräte 192
5.3.1 Externspeicher 193
5.3.2 Dialoggeräte 199
5.4 USB und FireWire 205
5.4.1 USB-Datenübertragung 207
5.4.2 USB-Hardware-Architektur 209
5.4.3 USB Kommunikation 211
5.4.4 FireWire 215
Weiterführende Literatur 217
Internetverweise 218
Netzwerke 219
6 Aufbau 221
6.1 Netzwerktypen 221
6.2 Circuit- und Packet-Switching 222
6.3 Standardisierung 223
Weiterführende Literatur 225
Internetverweise 225
7 Architekturen 226
7.1 OSI Reference Model 228
7.2 Kabel und Stecker 232
7.2.1 BNC und Thin Ethernet 232
7.2.2 Twisted Pair und RJ-45 232
7.3 LAN und WAN 233
7.3.1 ARPANET 233
7.3.2 Ethernet 234
7.3.3 Fast Ethernet 235
7.3.4 Token Ring 235
7.3.5 WaveLAN 237
7.4 Digital Subscriber Line (DSL) 239
7.4.1 Funktionsweise 239
7.4.2 Bluetooth 240
7.4.3 ADSL und SDSL 241
Weiterführende Literatur 241
8 Protokolle 242
8.1 Internet Protocol (IP) 242
8.1.1 TCP 250
8.1.2 UDP 251
8.2 IPv6 252
Weiterführende Literatur 254
Internetverweise 254
Betriebssysteme und Systemsoftware 255
9 Übersicht 257
9.1 Ziele und Funktionen von Betriebssystemen 257
9.2 Betriebssystemschnittstelle zwischen Benutzer und Computersystem 258
9.3 Betriebssystemaufrufe 259
9.4 Betriebssystem-Struktur 260
9.4.1 Konsistente Schichtung 261
9.4.2 Quasikonsistente Schichtung 261
9.4.3 Schichtenmodell 261
Weiterführende Literatur 263
10 Prozesse 264
10.1 Parallelität 266
10.2 Prozesshierarchien 268
10.3 Prozesszustände 270
10.4 Threads 276
10.5 Scheduling 281
10.5.1 Prozess-Scheduling 282
10.5.2 Thread-Scheduling 285
10.5.3 Job-Scheduling 286
Weiterführende Literatur 287
Internetverweise 287
11 Interprozess-Kommunikation 288
11.1 Server-Prozesse 288
11.2 Synchrone Methoden 293
11.2.1 Semaphore 294
11.2.2 Message Passing 298
11.2.3 H ¨ ohere Mechanismen 301
11.3 Asynchrone Methoden 301
11.4 Deadlocks 302
Weiterführende Literatur 304
12 Speicherverwaltung 306
12.1 Virtuelle Adresszuordnung 309
12.2 Physikalische Adresszuordnung 314
12.2.1 Swapping 314
12.2.2 Paging 317
12.2.3 Segmentierung 321
Weiterführende Literatur 324
13 Ressourcen-Management 325
13.1 Objektorientierung in Betriebssystemen 325
13.2 Device-Unabhängigkeit 326
13.3 File Management 328
Weiterführende Literatur 342
14 Sicherheit 343
14.1 Zugriffsschutz 345
14.2 Zugrffskontrolle 347
14.3 Design Prinzipien 350
14.4 Trusted Computing 350
Weiterführende Literatur 352
15 Schlussbetrachtung 353
Stichwortverzeichnis 355