Technische Informatik 1

Gebraucht man das Wort Technik (η τεχνη) in seiner ursprünglichen Bedeutung als Kunst oder Kunstfertigkeit, so sind die Computer unserer Tage in ihrer Anwendung und Konstruktion wahre Kunstwerke der Elektrotechnik. Es war ein weiter Weg von der ersten Beobachtung (Griechenland im 6. Jh. v. Chr) des eigenartigen Verhaltens von Bernstein, das zum Begriff Elektron (το ηλεκτ ϱον = Bernstein) und Elektrizität führte, bis zur Anwendung in der Elektrotechnik. Aber diese Beobachtung war der Anstoß für einen neuen Zweig der Naturwissenschaft, die Elektrizitätslehre. Im Laufe der Geschichte wurden weitere elektrische und magnetische Grundphänomene der Natur beobachtet. Aus diesen beobachteten Grundphänomenen wurden die zur Beschreibung der Elektrizität benutzten Grundbegriffe wie elektrische Ladung, elektrisches Feld, Spannung, Stromstärke u.a. hergeleitet. Mit diesen Begriffen werden die Grundlagen der Elektrotechnik und damit die physikalischen Grundlagen der elektronischen Rechenanlagen beschrieben, die in diesem Kapitel behandelt werden.

Die Leistungsfähigkeit heutiger Datenverarbeitungsanlagen wird wesentlich bestimmt durch den Entwicklungsstand der Halbleitertechnik. Zwei wichtige Erfindungen haben der Halbleitertechnik zu ihrer revolutionären Bedeutung ver-holfen: die Entwicklung des Transistors durch die Physiker John Bardeen, W.H. Brattain und W. Shockley in den Jahren 1948/49 und die Planar-Diffusions-technik zur Herstellung von Transistoren 1960, wodurch die Herstellung integrierter Schaltkreise möglich wurde.

Elektronische Verknüpfungs glieder werden aus Halbleiterbau elementen aufgebaut. Sie sind die Grundbausteine digitaler Datenverarbeitungssysteme. In ihnen werden binäre Schaltvariablen nach den Gesetzen der Schaltalgebra miteinander verknüpft. Die Werte binärer Schaltvariablen entsprechen der Zweiwertigkeit von Schalterzuständen (ein/aus). Diese Analogie und die Realisierungsmöglichkeit der Schaltalgebra mit Schaltern kommt in den Begriffen Schaltvariable und Schaltalgebra zum Ausdruck. Deshalb kann man sagen: In einem digitalen Datenverarbeitungssystem werden auf der physikalischen Ebene binäre Schaltvariable mit elektronischen Schaltern (Verknüpfungsgliedern) nach den Gesetzen der Schaltalgebra verknüpft.

Schaltnetze enthalten Verknüpfungsglieder und realisieren eine Schaltfunktion oder Vektorfunktion:

Neben den Verknüpfungsgliedern gehören Speicherglieder zu den Elementarbausteinen einer digitalen Rechenanlage. Speicherglieder können Schaltvariablen aufnehmen, speichern und abgeben (DIN 44300/90). Da nur die Verarbeitung von binären Schaltvariablen betrachtet wird, muß ein Speicherglied die Eigenschaft haben, eine Variable mit den Werten 0 und 1 aufnehmen zu können. Speicherglieder mit dieser Eigenschaft sind bistabile Kippglieder, auch Flipflops genannt. Ein bistabiles Kippglied kann, wie der Name sagt, zwei stabile Zustände einnehmen: einen Zustand 1, genannt Setzzustand, und einen Zustand 0, genannt Rücksetzzustand.

Schaltwerke sind wesentliche Funktionseinheiten eines Computers. Beispiele sind das Rechen- und das Leitwerk eines von NEUMANN-Rechners.

Die Erfindung des Transistors (1948) und die Integration dieser Bauelemente in einem Planarprozeß (1959) war der Beginn der Mikroelektronik. Durch die Planartechnik wurde es möglich, mehrere verschiedenartige elektrische Bauelemente auf einem gemeinsamen Träger zu einem Schaltkreis zu integrieren. Der Integrationsgrad ist mittlerweile soweit entwickelt, daß auf einem Träger (Chip) von ca. 100 mm² bis zu 5 Millionen Transistoren in einer integrierten Schaltung realisiert sind. Integrierte Schaltungen haben Schaltkreise mit diskreten Bauelementen fast vollständig ersetzt.