Einführung in die Technische Informatik

334 Pages·2003·7.21 MB·German

by  o. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerhard H. Schildt

Springers LehrbUcher
der Informatik
Herausgegeben von
o. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerhard H. Schildt
Technische Universitat Wien
Springer-Verlag Wien GmbH
Gerhard H. Schildt
Alexander Redlein
Daniela Kahn
Einführung in die
Technische Informatik
Unter Mitarbeit von
lohann Klasek, Heinrich Pangratz
Ulrich Schmid
Springers Lehrbücher
der Informatik
Springer-Verlag Wien GmbH
o. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerhard H. Schildt
Univ.-Ass. Dr. Alexander Redlein
Daniela Kahn
Institut fUr Rechnergestutzte Automation
Technische Universitat, Wien, Osterreich
unter Mitarbeit von
Johann Klasek
Heinrich Pangratz
Ulrich Schmid
ISBN 978-3-211-83853-2 ISBN 978-3-7091-3750-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-3750-5
Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt.
Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdruckes, der
Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder
iihnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur
auszugsweiser Verwertung, vorbehalten.
© 2003 Springer-Verlag Wien
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Wien New York 2003
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeiehnungen usw. in diesem
Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nieht zu der Annahme, dass solche Na
men im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wa
ren und daher von jedermann benutzt werden durfen.
Produkthaftung: Samtliche Angaben in diesem Fachbuch/wissenschaftlichen Werk erfolgen
trotz sorgfaltiger Bearbeitung und Kontrolle ohne Gewiihr. Insbesondere Angaben uber Dosie
rungsanweisungen und Applikationsformen mussen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall
anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit uberpriift werden. Eine Haftung der Au
toren oder des Verlages aus dem Inhalt dieses Werkes ist ausgeschlossen.
Satz: Reproduktionsfertige Vorlage der Autoren
Gedruckt auf saurefreiem, chlorfrei gebleichtem Papier -TCF
SPIN: 10886911
Mit 224 Abbildungen
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet
uber <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
ISSN 0938-9504
Meinem verehrten Lehrer Prof. Dr.-Ing. Hans Fricke
( apt. Professor an der Technischen Universitiit Braunschweig)
gewidmet
Vorwort
Fur euch, Kinder der Wissenschaft und der Weisheit,
haben wir dieses geschrieben. Erforschet das Buch
und suchet euch unsere Ansicht zusammen, die wir
verstreut und an mehreren Orten dargetan haben;
was euch an einem Orte verborgen bleibt, das haben
wir an einem anderen offengelegt,
damit es fassbar werde fUr eure Weisheit.
Heinrich Cornelius Agrippa von Nettesheim,
"De occulta philosophia".
Das vorliegende Buch "Technische Informatik" wendet sich sowohl an Studierende der In
formatik als auch an Ingenieure und Entwickler aus der Praxis. Es entstand aus Skripten zur
Vorlesung "EinfUhrung in die Technische Informatik", die wir an der Technischen Universitat
Wien fUr Informatikstudierende halten. Es schlie:Bt sich nahtlos an das Lehrbuch "Informatik
Grundlagen" von Blieberger, Burgstaller und Schildt an. Unser Anliegen ist es, fUr den Be
reich der technischen Informatik weiterfUhrend zu zeigen, wie man elektronische Bauelemente
fUr Computersysteme einsetzen kann. Der dargebotene Stoff solI den Leser in die Lage ver
set zen, die technischen Moglichkeiten und Grenzen solcher Systeme zu erkennen. Dadurch solI
dem Studierenden das Wissen vermittelt werden, Leistungsmerkmale heutiger Rechnersysteme
angemessen zu beurteilen. Wer auch immer heute Computersysteme einsetzt, die seinen personli
chern Anforderungsprofil entsprechen sollen, muss entscheiden, was fUr ihn effizient und zugleich
kostengiinstig ist. Daher ist es notig, sowohl Hardware-als auch Softwareaspekte umfassend ken
nenzulernen. Das Grundwissen dafiir wird in diesem Buch vermittelt. Der prasentierte Stoff ist
fUr Informatikstudierende ohne besondere Kenntnisse der Elektrotechnik aufbereitet. Wo immer
es notwendig war, elektrotechnische Grundkenntnisse mit einzubeziehen, haben wir versucht,
dieses so einfach wie moglich darzustellen. Fiir die Lektiire geniigen Grundkenntnisse der Physik
und Mathematik. Dem vorliegenden Band ist das Buch "Informatik Aufgaben und Losungen"
zugeordnet, in dem Aufgaben und zugehOrige Losungen dargestellt sind.
1m ersten Abschnitt zur Hardware werden logische Schaltungen behandelt. Hier werden auch
besonders wichtige signalverarbeitende elektronische Schaltungen erlautert. Daran anschlie:Bend
werden Grundlagen der Entwurfssprache VHDL ( Very High Speed Integrated Circuit Hard
ware Description Language) vorgestellt. Dem folgt ein Kapitel iiber Mikroprozessoren mit der
Darstellung von Moore- und Mealy-Schaltwerken. Hier danken wir Prof. Pangratz fUr die Be
reitstellung seines Skriptums "Rechnerstrukturen", aus dem wir die Beitrage iiber Mealy- und
Moore-Schaltwerke entnommen haben. Anschlie:Bend betrachten wir Computersysteme mit Pro
zessoren, Speichern und peripheren Geraten.
1m zweiten Abschnitt werden Betriebssysteme und Systemsoftware behandelt. Besondere Be
deutung kommt dabei den Programmprozessen, der Speicherverwaltung und der Interprozess
Kommunikation zu. Wir haben ganz gezielt darauf verzichtet, auf ein besonderes Betriebssystem
einzugehen, sondern wollten vielmehr die grundsatzlichen Mechanismen eines Betriebssystems
darstellen. Hierzu haben wir besonders Herrn Univ.-Prof. Dr. U. Schmid fiir den Beitrag zu dem
viii
Abschnitt "Betriebssysteme" zu danken, den wir wiederholt in mehrere Aufiagen aufgenommen
haben.
Unser Dank gebuhrt weiter Herm Dipl.-Ing. J. Klasek fur die abschnittsweise Durchsicht
und teilweise Uberarbeitung des Abschnittes "Betriebssysteme und Systemsoftware" im Buch
"Informatik" (dritte Aufiage). Diesen Abschnitt haben wir nochmals angepasst.
Das vorliegende Buch wendet sich sowohl an Fachkrafte aus Wirtschaft und Industrie als
auch an Studierende der Informatik. Das Ziel dieses Buches ist es, dem kunftigen Informatiker
ingenieurmiilliges Wissen auf dem Gebiet der technischen Informatik zu vermitteln.
Wann immer man ein Buch schreibt, so gilt auch hier der Grundsatz aus dem Bereich der
Software-Entwicklung, "dass Software niemals wirklich fehlerfrei ist" (engl. "Software will never
be errorfree"). Das trifft ebenso auch fUr das vorliegende Buch zu. Dieser Erfahrung sind wir
auch bei der Verfassung dieses Buches gefolgt und haben deshalb eine e-mail-Adresse unter
[email protected]
eingerichtet, wo wir gem Korrekturen und Anregungen von unseren Lesem erwarten.
Unser besonderer Dank gilt Herm Ch. Mi:irz und Herm Th. Volpini fUr die Erstellung des
Manuskriptes und der zahlreichen Abbildungen. Daruber hinaus haben wir dem Verlag -vertreten
durch Frau Schilgerius -fur die bisherige sehr erfolgreiche Zusammenarbeit besonders zu danken.
Gerhard H. Schildt Alexander Redlein Daniela Kahn
Pressbaum Klostemeu burg Brunn am Gebirge
Pressbaum, Februar 2003
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
Hardware 5
2 Logische Schaltungen 7
2.1 Grundbegriffe ... 7
2.1.1 Fan In und Fan Out 10
2.1.2 Schaltkreisfamilien . 12
2.1.3 Signalnamen und Signalverbindungen 13
2.2 Realisierung von Funktionen 14
2.2.1 Halbaddierer 15
2.2.2 Volladdierer . 16
2.2.3 Codierer 18
2.2.4 Decodierer 20
2.2.5 Multiplexer . 21
2.2.6 Demultiplexer. 23
2.3 Sequenzielle Logik .. 23
2.3.1 Latches (Flip-Flops) 24
2.3.2 Register ....... 29
2.3.3 Zahler ........ 33
2.4 Signalverarbeitende elektronische Schaltungen . 36
2.4.1 Operationsverstarker . 36
2.4.2 Komparatoren 38
2.4.3 Torschaltungen . . . . 39
2.4.4 Schmitt-Trigger .... 40
2.4.5 Zero-Crossing-Detector 46
2.4.6 Univibrator ....... 46
2.4.7 Signalgeneratoren ... 48
2.4.8 Analog-Digital-Umsetzer. 52
2.5 Halbleiterspeicher. . . . 54
2.5.1 Tabellenspeicher ..... 55
2.5.2 Tristate Outputs ..... 57
2.5.3 Open-Collector-Schaltungen . 59
2.5.4 Speicherbausteine ..... 60
2.5.5 Funktionsspeicher (ASICs) 62
3 VHDL 67
3.1 Entwurfssichten . 67
3.2 Entwurfsebenen . 69
3.2.1 Systemebene 69
3.2.2 Algorithmische Ebene 69
3.2.3 Register-Transfer- Ebene 69
x INHALTSVERZEICHNIS
3.2.4 Logikebene ............... . 69
3.2.5 Schaltkreisebene ............ . 70
3.2.6 Der Aufbau einer VHDL-Beschreibung . 71
3.3 Bestandteile einer VHDL-Beschreibung . 72
3.3.1 Entwurfssichten in VHDL .. 72
3.3.2 Entwurfsebenen in VHDL .. 73
3.3.3 Design-Methodik mit VHDL 74
3.3.4 Die Sprache VHDL . . . . . . 75
3.3.5 Der Aufbau eines VHDL-Modells 75
3.4 Bewertung von VHDL 76
4 ~ikroprozessoren 79
4.1 Endliche Automaten 79
4.2 Das Moore-Schaltwerk 85
4.2.1 Schaltwerk .. 85
4.2.2 Die Grundschaltung des Moore-Schaltwerkes 86
4.2.3 Schaltwerksbeschreibung durch den Zustandsgraphen 87
4.2.4 Alternativen zum Zustandsgraph . . . . . . . . . . . . 91
4.2.5 Realisierung mit ,,(1 aus n)" und "dichter" Zustandscodierung 91
4.2.6 Der zeitliche Ablauf im Moore-Schaltwerk . . . . . . 95
4.2.7 Synchronisierung von asynchronen Eingangssignalen 96
4.2.8 Systematische Schaltwerksentwicklung . 97
4.3 Das Mealy-Schaltwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.1 Die Schaltung eines Mealy-Schaltwerks. . . . . . . . 108
4.3.2 Beschreibung des Mealy-Schaltwerkes durch den Zustandsgraphen 110
4.3.3 Mealy-Moore-Transformation............. 111
4.3.4 Die maximale Taktfrequenz des Mealy-Schaltwerkes 112
4.3.5 Uberwachung einer Einschaltreihenfolge 113
4.3.6 Erkennen der Eingangsfolge 1011 115
4.4 Prozessoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . II 7
4.4.1 Arithmetic Logic Unit . . . . . . . . 118
4.4.2 Register File und Busverbindungen . 122
4.4.3 Speicheranbindung. 125
4.4.4 Control Unit . . . . . . . . . . . . . 128
4.4.5 Mikro-Programm........... 132
4.4.6 Very Large Scale Integration (VLSI) 135
5 Computersysteme 137
5.1 Prozessoren......... 137
5.1.1 Maschinen-Code .. 137
5.1.2 Adressierungsarten . 148
5.1.3 Architekturen .... 152
5.1.4 Parallelverarbeitung innerhalb eines Rechners . 154
5.1.5 CISC versus RISC . 159
5.2 Speicher........... 161
5.2.1 Interleaved Memory 162
5.2.2 Caches........ 163
5.2.3 Direct Memory Access (DMA) 168
5.2.4 Controller und Co-Prozessoren 169
5.2.5 Interconnection. 172
5.3 Periphere Gerate ... 173
5.3.1 Externspeicher 173
5.3.2 Dialoggerate . 182