Grundlagen der Technischen Informatik

Allgemeines

Mobile Computer sind allgegenwärtig, künstliche Intelligenz soll immer mehr unserer Alltagsprozesse optimieren und automatisieren, ohne Internet wären wir alle am Ende - so oder ähnlich könnte man die beginnenden 2020er Jahr zusammenfassen. Technisch möglich macht dies allerdings im Wesentlichen die Integration einer millionenfachen Anzahl von Bauteilen auf einem einzigen, nur wenige Quadratzentimeter großen Siliziumchip sowie die geschickte Anordnung dieser Transistoren zu vollständigen Rechenmaschinen.

Grundlage aller heutigen elektronischen Rechner, vom einfachen digitalen Mobiltelefon über das Smartphone oder den Desktop-PC bis hin zu Supercomputern für die Berechnung der Wettervorhersage, ist die Automatisierung mühsamer und langweiliger Rechenschritte. Ausgehend vom Rechnen führt diese Vorlesung in die Grundlagen der sogenannten technischen Informatik ein, die das Fundament der eigentlichen Rechner- und Kommunikationsarchitekturen moderner Computersysteme bilden.

Die Themen sind hierbei unter anderem:

  1. Geschichtliche Entwicklung des (digitalen) Rechnens
  2. Ziffern und Zahlensysteme, Umrechnung von Zahlensystemen
  3. Ganze Zahlen, Komplemente, Fest- und Fließkommazahlen
  4. Boolesche Algebra und deren Rechengesetze, Schaltalgebra
  5. Verfahren der Schaltungsminimierung
  6. Technischer Aufbau (CMOS) von Gattern (NAND, NOR)
  7. Grundlegende Speicherelemente (Latches, Flip-Flops, SRAM, DRAM)
  8. Arithmetische Schaltungen (Addierer, Subtrahierer, Multiplikation)
  9. Synthese von Schaltnetzen und -werken, Automaten
  10. Verhaltens- und Strukturbeschreibung mittels VHDL
  11. Programmierbare Logikfelder (PLAs, FPGAs)
  12. Von-Neumann-Rechner und Hardware-/Software-Schnittstelle

Lernziele

Die Studierenden beherrschen verschiedene Zahlensysteme, können zwischen diesen Umrechnen und deren Darstellungen in Rechenmaschinen erläutern. Die Studierenden kennen die formalen Grundlagen digitaler Schaltungen. Sie können die Schaltalgebra aus der booleschen Algebra ableiten. Mit Hilfe der Schaltalgebra können sie beliebige Schaltfunktionen entwerfen. Sie können Verfahren der Schaltungsminimierung anwenden und grundlegende kombinatorische und sequentielle Schaltungen benennen. Sie können die technischen Grundlagen von Schaltungen erläutern. Sie können die theoretischen Konzepte von Automaten erklären und für den Entwurf von Rechenwerk und Steuerwerk einfacher Maschinen nutzen. Die Studierenden können einfache Schaltungen mit Hilfe von programmierbaren Logikfeldern umsetzen und deren Funktionsweise erläutern. Die Studierenden können das Verhalten und die Strukturen von digitalen Schaltungen und einfachen Rechnern mit Hilfe einer Hardwarebeschreibungssprache modellieren. Die Studierenden können ein einfaches theoretische Modell einer Rechenmaschine mit Hard- und Softwareschnittstelle beschreiben. In Übungen wenden die Studierenden die in der Vorlesungen vermittelten Inhalte auf konkrete Bespiele an und führen Berechnungen und Algorithmen manuell durch. Im Laborprojekt lernen die Studierenden die theoretisch erworbenen Grundlagen und die manuell erprobten Algorithmen anhand von Versuchsaufbauten praktisch in Verhaltensbeschreibungen und Schaltungen umzusetzen.

Leistungsnachweise und Notenbildung

Die Modulprüfung besteht aus einer benoteten Klausur. Die Teilnahme an der Prüfung setzt eine unbenotete Vorleistung voraus.

Literatur

  1. Rechnerarchitektur : von der digitalen Logik zum Parallelrechner (Andrew S. Tanenbaum; Todd Austin)
  2. Digital design and computer architecture (David Money Harris, Sarah L. Harris)
  3. Entwurf von digitalen Schaltungen und Systemen mit HDLs und FPGAs : Einführung mit VHDL und SystemC (Frank Kesel; Ruben Bartholomä)
  4. Halbleiter-Schaltungstechnik (Ulrich Tietze; Christoph Schenk; Eberhard Gamm)
  5. Rechnerorganisation und Rechnerentwurf : die Hardware/Software-Schnittstelle (David A. Patterson; John L. Hennessy. Wiss. Bearb. der dt. Ausg.: Walter Hower)
  6. Systemintegration : vom Transistor zur großintegrierten Schaltung (Kurt Hoffmann)
  7. Technische Informatik : eine einführende Darstellung (Bernd Becker; Paul Molitor)
  8. Computerarchitektur : Strukturen, Konzepte, Grundlagen (Andrew S. Tanenbaum)
  9. Mikroprozessortechnik und Rechnerstrukturen (Thomas Flik)
  10. Principles of digital design (Daniel D. Gajski)
  11. Rechneraufbau und Rechnerstrukturen (Walter Oberschelp und Gottfried Vossen)
  12. Boolean reasoning : the logic of Boolean equations (Frank Markham Brown)
  13. The principles of computer hardware