TGI - Zusammenfassung behandelter Stoff PDF

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Zusammenfassung behandelter Stoff...

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Technische Grundlagen der Informatik (TGI) – 1 Allgemeines: Prof: Prof. Dr. Stefan Rapp Weitere Praktikumsbetreuuer: Wolfgang Maier und Rudi Scheitler Moodle Vorlesungen und Kurse – TGI 1: https://lernen.h-da.de/course/view.php?id=12885 Termine: • •

Möglichst Präsenzfrei, Praktikumsgruppen a 16 Teilnehmer. 3 SWS an Vorlesungen mit gelegentlich Praktika (siehe Kalender)

PVLs: • • • • •

(5) Praktika, von denen alle bestanden werden müssen Werden zu Hause per Maker-Track Boxen und Komponenten erledigt (Steckboards daheim) Aufgaben jeweils vorher im moodle Praktikumstermin mit Anwesenheitspflicht, Fehlen nur mit ärztlichem Attest Testat für Vorbereitung + Durchführung + Protokoll der Aufgabe Alle 5 Testate sind Voraussetzung für die Teilnahme der Prüfung

Prüfung: • •

Voraussichtlich: 26.02.2021 08:30 – 10:00 Klausurumfang: Viele Aufgaben – wenig Zeit!

Wir lernen: • •

die elementaren Bausteine, aus denen Computer aufgebaut sind die grundlegenden Prinzipien nach denen Computer funktionieren

Ausblick 2. Semester: Rechnerarchitektur (z.B. CPU) (3+1, 5 ECTS) Ausblick 3. Semester: Mikroprozessorsysteme (z.B. CPU und die Interaktion mit anderer Hardware im System) (3+1, 5 ECTS)

Inhalt Allgemeines: ............................................................................................................................................ 5 Grundlagen Elektrizität: ........................................................................................................................... 6 Ladung Q: ............................................................................................................................................ 6 Ohm’scher Widerstand R [Ω]: ............................................................................................................. 6 Strom I [A]: .......................................................................................................................................... 6 Spannung U [V]: ................................................................................................................................... 6 Gesetze in elektrischen Schaltungen ....................................................................................................... 7 Reihenschaltung: ................................................................................................................................. 7 Parallelschaltung: ................................................................................................................................ 7 1. Kirchhoffscher Satz – Knotenregel: ................................................................................................. 7 2. Kirchhoffscher Satz – Maschenregel: .............................................................................................. 8 Ohm’sches Gesetz: .............................................................................................................................. 8 Gleichspannung und Wechselspannung: ................................................................................................ 9 Wechselspannung: .............................................................................................................................. 9 Gleichspannung: .................................................................................................................................. 9 Passive Bauelemente für Schaltungen .................................................................................................. 10 Widerstand ........................................................................................................................................ 10 Kondensator und Kapazität ............................................................................................................... 10 Tiefpass: ......................................................................................................................................... 11 Hochpass: ...................................................................................................................................... 11 Aktive / Leitende Bauelemente für Schaltungen .................................................................................. 12 Arten von leitenden Bauelementen .................................................................................................. 12 Leiter:............................................................................................................................................. 12 Isolator: ......................................................................................................................................... 12 Halbleiter: ...................................................................................................................................... 12 Dotierung: ...................................................................................................................................... 12 Diode: ................................................................................................................................................ 13 Bipolar-Transistoren: ......................................................................................................................... 14 Feldeffekt–Transistor (MOSFET): ...................................................................................................... 15 Kurzer Exkurs: Oszilloskop ..................................................................................................................... 16 Logik – Bausteine ................................................................................................................................... 17 UND – Baustein – Konjunktion .......................................................................................................... 17 OR – Baustein – Disjunktion .............................................................................................................. 17 NOT – Baustein / Inverter – Negation ............................................................................................... 17 NAND – Baustein ............................................................................................................................... 18

NOR – Baustein.................................................................................................................................. 18 XOR - Baustein: .................................................................................................................................. 19 XNOR - Baustein: ............................................................................................................................... 19 Logik – Boolsche Algebra ....................................................................................................................... 20 Logik – Wahrheitstabellen..................................................................................................................... 21 Logik – Normalformen und Minimalformen ......................................................................................... 22 Minimalform: ..................................................................................................................................... 22 DNF und KNF ..................................................................................................................................... 22 DMF und KMF .................................................................................................................................... 22 Minimierungsverfahren – KV-Diagramme ........................................................................................ 23 2er KV-Diagramme: ....................................................................................................................... 23 3er KV-Diagramme: ....................................................................................................................... 24 4er KV-Diagramme: ....................................................................................................................... 25 Implikanten........................................................................................................................................ 26 Schaltnetze: ........................................................................................................................................... 27 Schaltwerke: .......................................................................................................................................... 27 Addieren mit Binärzahlen: ..................................................................................................................... 28 Addition im Binärsystem: .................................................................................................................. 28 Addition mit Schaltungen: ................................................................................................................. 28 Halbaddierer .................................................................................................................................. 28 Volladdierer ................................................................................................................................... 29 Flipflops: ................................................................................................................................................ 30 Active-High und Active-Low .............................................................................................................. 30 Übersicht Arten von FF ...................................................................................................................... 31 Rückkopplung Flipflops ..................................................................................................................... 32 NOR-SR-FF ..................................................................................................................................... 32 NAND-SR-FF ................................................................................................................................... 32 Taktgesteuerte / Zustandsgesteuerte Flipflops ................................................................................ 33 NAND-RS-FF ................................................................................................................................... 33 Flankengesteuerte Flipflops .............................................................................................................. 34 D Flipflops .......................................................................................................................................... 35 JK Flipflops ......................................................................................................................................... 36 MS-JK Flipflops................................................................................................................................... 37 Zähler..................................................................................................................................................... 38 Asynchroner 3 Bit Zähler mit D-FF .................................................................................................... 38 Asynchroner 4 Bit Zähler mit JK-FF (negativ flankengesteuert) ........................................................ 39

Synchroner 4 Bit Zähler mit JK-FF (negativ flankengesteuert) .......................................................... 40 Synchroner 3 Bit Zähler mit D-FF und Folgeschaltungen .................................................................. 42 Endliche Automaten .............................................................................................................................. 44 Mealy Automaten und Schaltungen: ................................................................................................. 45 Moore Automaten und Schaltungen: ................................................................................................ 46 Übergangstabellen für Automaten: .................................................................................................. 46 Auffangregister ...................................................................................................................................... 48 Schieberegister ...................................................................................................................................... 48 Ladbares Schieberegister ...................................................................................................................... 49 Multiplexer ............................................................................................................................................ 49 Demultiplexer ........................................................................................................................................ 50 Tri-State-Gatter ..................................................................................................................................... 51 Speicher ................................................................................................................................................. 52 Random Access Memorys (RAM) ...................................................................................................... 52 Statische RAMs (SRAM) ..................................................................................................................... 52 Dynamische RAMs (DRAM) ............................................................................................................... 53 ROMs – Read-Only-Memory ................................................................................................................. 54 Andere Zahlendarstellungen und Kenngrößen ..................................................................................... 55 Dezimalzahlen ................................................................................................................................... 55 Binärzahlen ........................................................................................................................................ 55 Ganze Binärzahlen ............................................................................................................................. 56 Negative Binärzahlen – Einerkomplement ........................................................................................ 56 Negative Binärzahlen – Zweierkomplement ..................................................................................... 57 Addition und Subtraktion .................................................................................................................. 58 Addition und Subtraktion im Zweierkomplement ............................................................................ 59 Normalisierung .................................................................................................................................. 59 Kommazahlen .................................................................................................................................... 60 Fest- und Gleitkommazahlen ............................................................................................................ 60 Little Endian und Big Endian .................................................................................................................. 61 Hexadezimalzahlen............................................................................................................................ 62

Allgemeines: Die technische Informatik besitzt Berührungspunkte zur Elektrotechnik und Mathematischen Logik. In der technischen Informatik steht die Hardware im Vordergrund. Ausblick behandelte Gebiete der generellen Informatik:

Moores Gesetz: • • • •

Verdopplung der Schaltkreise und Verarbeitungsleistung pro Chip alle 18 Monate (1975) Vervierfachung der Speichergröße alle 3 Jahre Verdopplung der Speicherleistung alle 10 Jahre Seit 50 Jahren gültige Prognose / Gesetz: Immer mehr Transistoren und somit Verarbeitungsmöglichkeiten.

Erfindung des Transistors und Integration digitaler Schaltkreise haben die Welt – wie kaum eine andere Entwicklung – verändert.

Grundlagen Elektrizität: Ladung Q: Spannung entsteht durch eine Trennung von positiver und negativer Ladung Q und dem daraus resultierenden elektrisches Feld. Die Anziehungskraft dieses Feldes (Spannung) verursacht den Stromfluss.

Ohm’scher Widerstand R [Ω]: Ein Widerstand R ist die Masse, die vom Stromfluss unabhängig vom Verbraucherelement als eine Art Damm überquert / gebrochen werden muss – es verursacht und staut eine elektrische Spannung auf, bis der Strom durchfließt. Die Einheit des Widerstands wird in Ohm [Ω] / [V/A] angegeben.

Strom I [A]: Die gerichtete Bewegung von elektrischen Ladungsträgern bezeichnet man als elektrischen Strom I. Die Einheit von elektrischem Strom I ist Ampère [A]. Der elektrische Strom I ist die Ladungsmenge Q, die in einem Zeitabschnitt t den Leistungsquerschnitt durchfließt.

Spannung U [V]: Die elektrische Spannung U ist die treibende Kraft, welche die Ladungsbewegung und damit Strom verursacht. Die Einheit der elektrischen Spannung ist Volt [V] Spannung [U] = Widerstand [R] * elektrischer Strom [I]

Gesetze in elektrischen Schaltungen Reihenschaltung: - In Reihe geschaltete Elemente in einem Stromkreis werden vom selben Strom und sinkender Spannung durchflossen. - Gesamtwiderstand = Summe der einzelnen Widerstände - Gesamtspannung = Summe der einzelnen Spannungen

Parallelschaltung: - Parallel geschaltete Elemente in einem Stromkreis werden vom aufgeteilten Strom und gleicher Spannung durchflossen.

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1. Kirchhoffscher Satz – Knotenregel: - Die Summe der Ströme eines Knotens einer Schaltung ergeben immer 0 • Der Strom verteilt sich in einem Knotenpunkt in alle Richtungen So viel wie reinfließt, fließt auch wieder hinaus

Keine wachsende oder sinkende Ladung in einem Knotenpunkt möglich!

2. Kirchhoffscher Satz – Maschenregel: - Die Summe aller Spannungen innerhalb einer Masche ergibt immer • Für jede Spannung gibt es eine entsprechende Ursprünglich gegenlaufende Gegenspannung mit der Gesamtsumme 0.

Ohm’sches Gesetz: Der Strom ändert sich proportional zur Spannung. Den Proportionalitätsfaktor R nennt man elektrischen Widerstand mit der Einheit Ohm und dem Formelzeichen Ω.

Gleichspannung und Wechselspannung: Wechselspannung: Wechselspannung ändert Polarität in einer festen Periode von + zu – Sinusförmig. Die Periode einer Wechselspannung wird mit Frequenz f beschrieben. Liegt z.B. an europäischen Steckdosen an.

Periode: Eine komplette Schwingung (z.B. von oben bis oben)

Gleichspannung: Gleichspannung hat eine feste Polarität in einer festen Periode. Für empfindliche elektronische Geräte muss die Wechselspannung der Steckdosen oft in feste Gleichspannung umgeformt werden, um Kurzschlüsse und Überlastungen zu verhindern.

Passive Bauelemente für Schaltungen Wir lernen jetzt nach und nach alle mögliche Bauelemente für spätere Schaltungen kennen – spätere Schaltungen bauen alle darauf auf. Das mit den Schaltungen eskaliert zusammen mit diesen und Logikelementen noch richtig hart (Keine Sorge, kommen auch gleich…).

Widerstand Bauelement mit einzigem Sinn zur Spannungsregulierung. Nur eine Masse unterschiedlicher Höhe zur Zwischenschaltung in anderen Bauelementen. Ein Widerstand fängt schützend Spannung ab.

Kondensator und Kapazität Der Kondensator ist ein ladungsspeicherndes Element, bestehend aus zwei Elektroden. Besteht aus 2 Elektroden, die durch nichtleitendes Dielektrikum getrennt sind. Verantwortlich für Ladungsspeicherung und Regulierung / Ausgleich von Spannungsschwankungen (z.B. Wechselspannung ausgleichen) -> Spannungsstabilisierung

Kapazität C eines Kondensators ist der Quotient aus L...