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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Definitionen und Begriffe der Informationsverarbeitung nach DIN 41859 und DIN 44300

Zusammenfassung
Viele Begriffe der Informationsverarbeitung sind genormt. Die wichtigsten und in diesem Buch am häufigsten gebrauchten sind nachfolgend zusammengestellt. Auführlich kann man sich in den einschlägigen Normen nach DIN und IEC informieren.
Bodo Morgenstern

2. Darstellung binärer Variablen durch elektrische Größen

Zusammenfassung
Logiksysteme zeichnen sich durch eine große Vielzahl und durch große Unterschiedlichkeit in der technischen Realisierung aus. Eine Übersicht gibt Bild 2.1. Bei elektronischen Systemen werden die binären Variablen allgemein durch zwei unterschiedliche elektrische Spannungsniveaus festgelegt, bei deren Wahl man im Prinzip völlig frei ist. Nebenbedingungen sind:
  • Die verwendeten Schaltkreise müssen die beiden Potentiale auch unter ungünstigsten Bedingungen einwandfrei erkennen und weiter verarbeiten können. Es sind daher keine festen Spannungen, sondern vielmehr Spannungsbereiche nötig, innerhalb derer sich das Signal befinden muß. Zwischen beiden Bereichen liegt ein verbotenes Gebiet.
  • Den speziellen Eigenschaften der verwendeten Bauelemente muß Rechnung getragen werden.
Bodo Morgenstern

3. Logische Verknüpfungsfunktionen I, Grundfunktionen

Zusammenfassung
Zur binären Signalverarbeitung existieren 3 logische Elementarfunktionen, auf die sich alle Schaltnetze (kombinatorischen Schaltungen) zurückführen lassen. Es sind dies die Funktionen Durch Hinzufügen einer zeitabhängigen Funktion, des Speichers, läßt sich jedes Schaltwerk (sequentielle Schaltung) realisieren.
Bodo Morgenstern

4. Logische Verknüpfungen II, Diodenlogik DL

Zusammenfassung
Die Diodenlogik (DL) enthält nur passive Bauelemente. Grundsätzlich sind positive und negative Logik möglich. DL in diskreter Technik hat nur geringe praktische Bedeutung, ist aber für das grundsätzliche Verständnis nützlich.
Bodo Morgenstern

5. Logische Verknüpfungen III, Transistorlogik

Zusammenfassung
Bei Verwendung von Bipolar-Transistoren stellt die Emitter-Grundschaltung die einfachste Form des Inverters dar. Bild 5.1a zeigt das Prinzipschaltbild mit einem NPN-Si-Transistor, und in Bild 5.1b…d sind Logiksymbol, Wahrheitstabelle und Arbeitstabelle dargestellt.
Bodo Morgenstern

6. Boolesche Algebra I, Grundzüge und Rechenregeln

Zusammenfassung
Eine geschlossene Darstellung logischer Probleme in algebraischer Form erfolgte erstmals von George Boole (1815 – 1864). Die Arbeiten wurden fortgesetzt von W. Hamilton (1788 – 1856) und Augustus de Morgan (1806 – 1871). Die Boolesche Algebra gliedert sich heute in 4 Teile (Bild 6.1).
Bodo Morgenstern

7. Boolesche Algebra II, Behandlung von Schaltnetzen

Zusammenfassung
Die Schaltalgebra läßt sich sehr vorteilhaft zur systematischen Behandlung von Schaltnetzen verwenden, wobei man in 3 große Teilkomplexe unterscheiden kann (Bild 7.1): Das Schwergewicht liegt normalerweise bei der Schaltnetzsynthese und der Schaltnetzvereinfachung, wobei die Vereinfachung der Synthese vorgeschaltet ist.
Bodo Morgenstern

8. Kippschaltungen

Zusammenfassung
Bei kombinatorischen Schaltungen (Schaltnetzen) wird das Ausgangssignal ausschließlich und zu jedem Zeitpunkt nur durch den Zustand der Eingangssignale zu diesem Zeitpunkt bestimmt.
Bodo Morgenstern

9. Codierung I, Zahlensysteme

Zusammenfassung
Eingangs wollen wir einige wichtige Definitionen zur Codierung (nach DIN 44300) erörtern.
Bodo Morgenstern

10. Codierung II, binäre Codierung von Ziffern und Zahlen

Zusammenfassung
In der Digitaltechnik haben Codes die Aufgabe, digitale Zeichen (Zahlen, Buchstaben, Sonderzeichen) durch physikalische Zustandsgrößen (Spannungen, Ströme, Frequenzen, Schalterstellungen, Magnetisierungszustände, Lichtsignale etc.) darzustellen. Aus Gründen der Sicherheit und der Einfachheit werden fast ausschließlich binäre Zustände verwendet. Die binäre Codierung dient somit der Übertragung und Verarbeitung von Daten in Form von binären Worten.
Es gibt keinen optimalen Allzweckcode. Die Wahl eines geeigneten binären Codes wird wesentlich durch die Forderungen bestimmt, die sich aus den Eigenschaften des Datenverarbeitungssystems ergeben. Ein Code für arithmetische Operationen hat beispielsweise anders auszusehen als einer für Übertragungsoperationen auf Leitungen oder ein Code zur digitalen Meßwerterfassung von mechanischen Großen. Bild 10. 1 zeigt eine schematische Übersicht über die wichtigsten Codes. Die Schematisierung ist insofern unvollständig, als eine Reihe von Codes gemeinsame Eigenschaften besitzen, die dieses Schema nicht zum Ausdruck bringt.
Bodo Morgenstern

11. Codierung III, Codierung und Datenkanal

Zusammenfassung
Bild 11.1 zeigt das Prinzip einer störungsbehafteten, digitalen Nachrichtenübertragung. Sie beinhaltet 2 verschiedene Arten von Codierung bzw. Decodierung mit unterschiedlicher Wirkung.
Bodo Morgenstern

12. Codierung IV, Datensicherung

Zusammenfassung
Bei der Übertragung binär codierter Informationen über Nachrichtenkanäle treten allgemein Störungen auf, die die Nachricht verändern. Diese Veränderungen führen entweder zu Flankenverzerrungen, zu Impulseinbrüchen oder zu Fehlern bei den Codeelementen.
Bodo Morgenstern

13. Impulszähler (Zähler)

Zusammenfassung
Impulszähler, kurz Zähler genannt, sind Schaltungen, die nach n Eingangsimpulsen an den Ausgängen binäre Informationen abgeben, deren Zuordnung zu n vom Zählcode abhängt. Impulszähler sind neben den kombinatorischen Schaltungen Grundbausteine der Digitaltechnik. Sie haben ein breites Anwendungsspektrum in der Meß-, Steuerungs-, Regelungs- und Rechentechnik. Zähler werden aus dynamisch ansteuerbaren Flipflops aufgebaut. Zur Ansteuerung der Flipflops wird neben der Eingangsinformation in der Regel ein Takt benötigt, der die Informationseingabe auslöst.
Bodo Morgenstern

14. Registerschaltungen

Zusammenfassung
Flipflops sind nicht nur in Zählschaltungen unentbehrlich, sondern sie bilden auch die Grundlage für Registerschaltungen. Register dienen zur kurzzeitigen Speicherung kleiner Mengen digitaler Informationen. Sie haben deshalb häufig eine Speicherkapazität, die der Länge eines Wortes entspricht. Im Gegensatz zu Strukturspeichern (Magnetspeicher, Papierspeicher, Film, Compact Disc CD u. a.) bleibt beim Register die Information in der Regel nur solange erhalten, wie die Schaltung mit Betriebsspannung versorgt wird. Register lassen sich vielseitig einsetzen. Bild 14.1 gibt eine schematische Übersicht.
Bodo Morgenstern

15. Impulssynchronisation, Races und Hazards

Zusammenfassung
Eine in der Praxis häufig zu lösende Aufgabe ist die Kommunikation zwischen zwei digitalen Systemen ohne gemeinsame Zeitbasis, wie z. B. zwischen einem Rechner und einer asynchron arbeitenden Daten-Ein/Ausgabe. Hierbei müssen die Daten der langsameren Einheit mit dem Systemtakt der schnelleren Einheit synchronisiert werden. Das kann auf verschiedene Arte und Weise geschehen. In einfacheren Anwendungen geht es manchmal darum, Impulsflanken um eine definierte Zeit zu verzögern. Die Verzögerung kann sich auf die Vorderflanke, auf die Rückflanke oder auf beide Flanken beziehen. Hierfür lassen sich vorteilhaft Monoflops verwenden.
Bodo Morgenstern

16. Digital-Analog-Umsetzer (D/A-U)

Zusammenfassung
Obwohl die Digital-Analog-Umsetzer (D/A-U) innerhalb eines digitalen Prozeßverarbeitungssystems am Ende der Signalkette zu finden sind (vgl. Kapitel 17), wollen wir sie bei unseren Betrachtungen an den Anfang stellen, weil wir bei der Behandlung des Gegenstücks, der Analog-Digital-Wandler (A/D-U) auf die Kenntnis von D/A-U zurückgreifen müssen. Viele A/D-U beinhalten nämlich D/A-U in Form von Rückkoplungsgliedern. Wir werden auch die Kenngrößen von D/A-U erst im Kapitel 17 zusammen mit denen der A/D-U erörtern, weil sie weitgehend identisch sind.
Bodo Morgenstern

17. Analog/Digital-Umsetzer A/D-U

Zusammenfassung
Für die Erfassung, Darstellung und Verarbeitung physikalischer Größen sind analoge und digitale Methoden möglich. In der Natur kommen praktisch nur analoge Meßgrößen vor. Sie lassen sich im Rahmen der technischen Möglichkeiten beliebig genau erfassen. Einfache analoge Geräte (z.B. Drehzeigerinstrument, Thermometer) erfüllen dabei mehrere Funktionen. Sie erfassen die zu messende Größe (das Drehzeigerinstrument befindet sich in einem entsprechenden Stromkreis, das Thermometer im Temperaturfeld), sie verarbeiten sie (Umsetzung der Stromstärke oder Spannung in einen Zeigerausschlag oder der Temperatur in eine Quecksilberfadenlänge), und sie bringen das Ergebnis zur Anzeige.
Bodo Morgenstern

18. Abtast-Halte-Glieder (Track and Hold T/H, Sample and Hold S/H)

Zusammenfassung
Abtast-Halte-Glieder sind häufig genutzte Verstärkerstufen in der digitalen Datenerfassung, der Datenübertragung und der analogen Signalverarbeitung. Der angelsächsische Sprachgebrauch unterscheidet zwischen Sample-and-Hold-Amplifier S/H-A (abtasten und halten) und Track-and-Hold-Amplifier (folgen und halten). Beide Typen zeigen unterschiedliches Verhalten, obwohl sie im praktischen Sprachgebrauch häufig nicht genau genug auseinandergehalten werden.
Bodo Morgenstern

19. Digitalfilter

Zusammenfassung
Der Begriff Filter im Sinne der Elektrotechnik stammt aus der analogen Signalverarbeitung. Filter dienen allgemein dazu, elektrische Signale von einer Form in eine andere zu überführen; speziell erfüllen sie aber meistens die Funktion, aus einem Frequenzgemisch bestimmte Spektralbereiche herauszuholen oder sie zu unterdrücken. Infomationstheoretisch stellt die Filterung die Faltung eines beliebigen, zeitabhängigen Signals mit der Stoßantwort des Filters dar. Die Theorie der klassischen analogen Filter existiert seit vielen Jahrzehnten, hat sich ständig weiterentwickelt und soll nicht Thema dieses Kapitels sein.
Bodo Morgenstern

20. Programmierbare Logische Schaltungen (Programmable Logic Devices, PLD)

Zusammenfassung
Schaltungen mit großem Komplexitätsgrad bereiten sowohl im analogen als auch im digitalen Bereich bezüglich ihrer Optimierung besonders dann Probleme, wenn man sie mit Standard-ICs in SSI (small scale Integration) realisieren will, wie das bis Mitte der siebziger Jahre vorwiegend erforderlich war:
  • hoher Platzbedarf,
  • große Versorgungsleistung,
  • Zuverlässigkeitsprobleme durch viele Löt- und Steckverbindungen.
Bodo Morgenstern

21. Speicherwerke (Datenspeicher)

Zusammenfassung
Speicherwerke (im Sinne unserer Betrachtungen hier: Datenspeicher für binäre, digitale Daten) sind unverzichtbarer Bestandteil eines jeden Computers; sie dienen darüberhinaus generell dazu, kurzzeitig anfallende Signale dauerhaft oder zumindest für eine definierte Zeit festzuhalten. Speicherwerke bestehen aus einzelnen Speicherzellen, die fortlaufend numeriert sind und deshalb über Adressen angesprochen werden können.
Bodo Morgenstern

22. Vergleicher und Rechenwerke (Arithmetisch-Logische Einheit ALU)

Zusammenfassung
Vergleicher sind arithmetische Rechenwerke, die kein zahlenmäßiges Ergebnis liefern, sondern lediglich eine logische Aussage in Form eines Ja- oder Nein-Signals darüber, ob eine gegebene Zahl A (dual, BCD oder denär) größer, gleich oder kleiner als ein Vergleichswert B ist. Sie werden außer in Rechenwerken - den Arithmetisch-Logischen Einheiten (ALU) von CPUs - z. B. auch in der Regelungstechnik, in Wiegeeinrichtungen etc. - eingesetzt.
Bodo Morgenstern

23. Digitale Schaltwerke, mikroprogrammierte Steuerungen

Zusammenfassung
In den Kapiteln 4 und 5 sowie 6 und 7 wurden kombinatorische Netzwerke (Schaltnetze) behandelt, die ausschließlich aus logischen Grundfunktionen (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR) realisiert sind. Im Kapitel 13 haben wir Zähler (Schaltwerke) besprochen, deren Modulus ebenfalls durch kombinatorische Netzwerke bestimmt wird, die Rückführungen in irgendeiner Form darstellen. Im allgemeinen Sinne liegen jeweils Zuordnerfunktionen zugrunde. Zuordnerfunktionen benötigt man beispielsweise in den Steuer- und Operationswerken von Rechnern (Befehlsdekoder) und für viele sonstige Zwecke. Sind die Booleschen Verknüpfungsfunktionen beim Entwurf eines Systems nach der Vereinfachung immer noch aufwendig, kompliziert und unübersichtlich, so bietet die Verwendung von mikroprogrammierten Schaltwerken viele Vorteile.
Bodo Morgenstern

24. Grundlagen digitaler Rechenautomaten (Digitalrechner)

Zusammenfassung
Analogrechner sind Geräte, die analoge Größen (Strom, Spannung, Druck usw.) kontiniuierlich verarbeiten und analoge Ergebnisse liefern.
Bodo Morgenstern

25. Mikrocomputer (Micro Computer Units, MCUs)

Zusammenfassung
Im Kapitel 24 haben wir schon darauf hingewiesen, daß - ganz grob betrachtet - im Prinzip keine wesentlichen Unterschiede in der Architektur und der Arbeitsweise von Rechnern der verschiedenen Größenordnungen bestehen. Das trifft jedoch keinesfalls für Details zu. Abgesehen vom gemeinsamen Merkmal, daß jeder Rechner über eine bestimmte Mindestkonfiguration verfügen muß, unterscheiden sich die Strukturen einzelner Typen so stark, daß eine umfassende, allgemein gültige Behandlung unmöglich ist. Hier spielen unter anderem Wortlänge, Befehlsvorrat, Rechengeschwindigkeit und Preis eine entscheidende Rolle. So ist es beispielsweise schwierig, den Funktionsablauf innerhalb der CPU detailliert zu behandeln, ohne daß man sich dabei auf einen bestimmten Typ festlegt. Die Klassifizierung bezüglich der Anzahl von Bits bezieht sich in der Regel auf den Datenbus. Adreßbus- und Steuerbusbreite weichen häufig davon ab.
Bodo Morgenstern

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