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Springer-Lehrbuch
W. Schiffmann . R. Schmitz· J. Weiland
Technische Informatik Übungsbuch mit Diskette
Mit 200 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann Dipl.-Phys. Robert Schmitz Jürgen Weiland
Universität Koblenz-Landau, Institut für Physik Rheinau 3 - 4 D - 56075 Koblenz
ISBN 978-3-540-58039-3
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Technische Informatik / W. Schiffmann; R. Schmitz; J. Weiland.
Bd. 1 und 2 verf. von W. Schiffmann; R. Schmitz NE: Schiffmann, Wolfram; Schmitz, Robert; Weiland, Jürgen. Übungsbuch mit Diskette. - 1994 ISBN 978-3-540-58039-3 ISBN 978-3-662-10239-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-10239-8
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1994 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1994
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
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Satz: Reproduktionsfertige Vorlagen vom Autor SPIN: 10126743 6213020 - 5 4 3 2 1 0 - Gedruckt auf säurefreiem Papier
Vorwort
Dieses Übungsbuch zur Technischen Informatik entstand aus Lehrveranstaltungen, die wir seit mehreren Jahren an der Universität Koblenz für Informatikstudenten anbieten. Die positive Resonanz auf die beiden Lehrbücher, die unter dem gleichen Titel nun bereits in der zweiten Auflage vorliegen, ermunterte uns, auch ein entsprechendes Übungsbuch zu erstellen. Der vorliegende Übungsband sollte daher als Ergänzung zu den bei den Lehrbüchern SchiiJmannjSchmitz: Technische Informatik Bd. 1: Grundlagen der digitalen Elektronik sowie Bd. 2: Grundlagen der Computertechnik betrachtet werden.
Neben das theoretische Studium sollten Übungen treten, um einerseits die praktische Anwendung der Theorie zu verdeutlichen und andererseits ihr Verständnis zu vertiefen bzw. zu festigen. Mit der vorliegenden Auswahl von Aufgaben und Lösungen haben wir versucht, diesen beiden Aspekten gerecht zu werden. Wie in den beiden Lehrbücher beschränken wir uns auch hier auf die Grundlagen der Technischen Informatik. Es soll an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß wir damit nur einen Teil des gesamten Spektrum der Technischen Informatik abdecken können.
Digitale Informationsverarbeitung beruht auf der Darstellung von Daten durch elektrische Ströme oder Spannungen. Derart repräsentierte Daten können einfach und schnell übertragen, elektronisch verknüpft oder gespeichert werden. Die Grundlage für die Analyse dieser Vorgänge bildet also die Elektrotechnik. Wir haben uns deshalb bemüht, einige Aufgaben aus diesem Bereich zu finden, die für die Informatik von besonderem Interesse sind. Es folgen Aufgaben zu Halbleiterbauelementen und einfachen elektronischen Verknüpfungsgliedern.
Ein Schwerpunkt der Aufgaben konzentriert sich auf die Themenbereiche Schaltnetze und Schaltwerke, die die Basis aller digitalen Systeme zur Informationsverarbeitung bilden. Anhand der ausgewählten Aufgaben sollen vor allem verschiedene Methoden zur Analyse und Synthese dieser grundlegenden Funktionseinheiten von Computern eingeübt werden. Neben der Anwendung von KV-Tafeln, die eine Standardmethode zur Minimierung von Schaltfunktionen darstellen, wird auch das weniger geläufige Verfahren von Quine-McCluskey benutzt.
Während die meisten Aufgaben des Übungsbuchs sich auf den Band 1 der Lehrbücher beziehen, sind im letzten Kapitel die Aufgaben zur Computertechnik zusammengestellt. Ergänzend zu den Beispielen im Band 2 findet man hier weitere Aufgaben zu den Simulationsprogrammen opw und ralu, die auf der beiliegenden Diskette mitgeliefert werden. Mit Hilfe dieser beiden Programme können eigene Steueralgo-
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rithmen bzw. Mikroprogramme auf einer "virtuellen" Hardware praktisch erprobt werden. Um die Benutzung zu erleichtern, wurde eine fensterorientierte Schnittstelle für MSDOS-Rechner implementiert. Die Diskette enthält außerdem Hilfsprogramme zur Lösung der anderen Aufgaben aus dem Bereich Zahlendarstellung und asynchroner Kommunikation.
Das Buch besteht im wesentlichen aus zwei Teilen - den Aufgabenstellungen und den Musterlösungen. Diese Zweiteilung soll den Benutzer motivieren, zunächst selbständig eine Lösung zu erarbeiten und diese später anhand der Musterlösung zu überprüfen. Die Aufgaben sind gemäß den Themen in den bei den Lehrbüchern geordnet, so daß die zugrundeliegende Theorie parallel dazu erarbeitet werden kann. Teilweise bauen die Aufgaben auch aufeinander auf, was durch Querverweise gekennzeichnet ist. Jede Aufgabe trägt außerdem eine Kurzbezeichnung, um das dort behandelte Problem möglichst prägnant zu charakterisieren.
Die Lösungen zu den Aufgaben findet man im zweiten Teil des Buches. Natürlich handelt es sich dabei nicht um die Standardlösungen schlechthin. Es werden aber nicht nur einfach die Endergebnisse präsentiert, sondern wir haben uns bemüht, dem Leser unseren Lösungsweg verständlich und übersichtlich darzulegen. Dadurch hat man z.B. die Möglichkeit, jederzeit die Musterlösung zu verlassen, wenn der Einstieg in eine Lösung gefunden ist. Darüberhinaus wurden häufig alternative Lösungswege angegeben.
Im Anhang werden schließlich einige Hilfsmittel beschrieben, die für die Lösung bestimmter Aufgaben nützlich sind. Dabei handelt es sich meistens um abgeleitete Formeln, die bei ihrer Anwendung einige Zusatzrechnungen ersparen können.
Wie eingangs bereits bemerkt wurde, soll das Übungsbuch als eine Ergänzung zu den beiden Lehrbücher betrachtet werden. Da diese ausführliche Literaturhinweise zur erforderlichen Theorie enthalten, haben wir hier auf ein Literaturverzeichnis verzichtet.
Ein Sachverzeichnis am Ende des Übungsbuchs erleichtert den Zugriff auf Aufgaben und Lösungen zu bestimmten Themengebieten.
Für die Hilfe, das Buch mit dem U.TEJX-Formatiersystem zu setzen, möchten wir uns besonders bei Frau Paul bedanken. Frau Schubert und Herrn Dr. Merkle vom Springer-Verlag sei für die gute und freundliche Zusammenarbeit gedankt. Weiterhin danken wir allen unseren Familienangehörigen, Freunden und Kollegen deren Zuspruch und Ermunterung uns angespornt hat. Wir danken auch Prof. Dr. H. Druxes, Leiter des Instituts für Physik, daß er unsere Arbeit unterstützt hat. Wir hoffen, daß dieses Buch bei vielen Studenten und Interessierten Anklang findet.
Koblenz, im Juni 1994
Wolfram Schiffmann Robert Schmitz J ürgen Weiland
Inhaltsverzeichnis
Teil I - Aufgaben 1
1 Grundlagen der Elektrotechnik 3 Aufgabe 1: Punktladungen ..... 3 Aufgabe 2: Elektronenstrahlröhre .. 4 Aufgabe 3: Kapazität eines Koaxialkabels 5 Aufgabe 4: Wechselschalter ........ 5 Aufgabe 5: Elektronenbeweglichkeit in Metallen. 5 Aufgabe 6: Widerstandsnetzwerk 1 7 Aufgabe 7: Widerstandsnetzwerk 2 . 7 Aufgabe 8: Maschenregel ...... 8 Aufgabe 9: Zwei Spannungsquellen . 8 Aufgabe 10: Strom- und Spannungsfehlerschaltung . 9 Aufgabe 11: Meßbereichserweiterung ... 9 Aufgabe 12: Dreieck- und Sternschaltung 9 Aufgabe 13: Wheatstonebrücke 10 Aufgabe 14: Lorentzkraft 10 Aufgabe 15: Effektivwert 11 Aufgabe 16: Oszilloskop . 13 Aufgabe 17: Induktion . . 13 Aufgabe 18: Kondensatoraufladung . 14 Aufgabe 19: Signalübergangszeiten . 14 Aufgabe 20: Re-Glied . . . . . . . . 14 Aufgabe 21: Impulse auf Leitungen. 15 Aufgabe 22: Datenübertragung 15
2 Halbleiterbauelemente 17 Aufgabe 23: Bändermodell ....... 17 Aufgabe 24: Diodenkennwerte messen 17 Aufgabe 25: Diodenkennlinien erstellen 17 Aufgabe 26: Freilaufdiode . . . . . 18 Aufgabe 27: Zenerdiode ...... 18 Aufgabe 28: Transistor-Kennlinie. 19
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3 Elektronische Verknüpfungsglieder Aufgabe 29: RTL-NICHT-Glied
Aufgabe 30: TTL-Glieder
4 Schalt netze
Aufgabe 31: Schaltnetz mit 3 Variablen
Aufgabe 32: Vierstufiges Schaltnetz Aufgabe 33: Dreistufiges Schaltnetz Aufgabe 34: NAND-Logik ..... .
Aufgabe 35: NOR-Logik ...... . Aufgabe 36: Analyse eines TTL-Bausteines Aufgabe 37: Synthese mit 4 Variablen
Aufgabe 38: Implikation ....
Aufgabe 39: Quine-McCluskey
Aufgabe 40: Lastkontrolle . . . Aufgabe 41: Paritätsbit .... Aufgabe 42: I-Bit Volladdierer Aufgabe 43: 4-Bit Subtrahierer. Aufgabe 44: Normalform-Paralleladdierer
Aufgabe 45: Multiplizierer . Aufgabe 46: I-Bit ALU ......... .
Aufgabe 47: Multiplexer ......... . Aufgabe 48: Dual- zu Siebensegmentdekoder
Aufgabe 49: Hazards .
5 Speicherglieder Aufgabe 50: Dynamische Eintransistor-Speicherzelle
Aufgabe 51: RS-Kippglied ............ .
Aufgabe 52: D-Kippglied ............ . Aufgabe 53: Übergangsfunktion des JK-Flipflop Aufgabe 54: JK-Master-Slave-Kippglied ....
Aufgabe 55: D-Kippglied mit Taktflankensteuerung
6 Schaltwerke Aufgabe 56: Schaltwerk mit JK-Flipflops Aufgabe 57: Asynchrones Schaltwerk.
Aufgabe 58: 2-Bit-Synchronzähler
Aufgabe 59: 3-Bit-Synchronzähler
Aufgabe 60: Johnsonzähler . Aufgabe 61: Serienaddierer .
Aufgabe 62: Entwurfsschritte
Inhaltsverzeichnis
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Inhaltsverzeichnis IX
Aufgabe 63: Synchronzähler . 46 Aufgabe 64: Modulo-4 Zähler. 46 Aufgabe 65: Schieberegister . . 47 Aufgabe 66: Mikroprogrammsteuerwerk 47 Aufgabe 67: 4-Bit Synchronzähler . . . 48 Aufgabe 68: Umschaltbarer 3-Bit-Synchronzähler 49
Aufgabe 69: PLA-Baustein . . . . . . 49 Aufgabe 70: 8421-BCD-Code Tester. 50
7 Computertechnik 51 Aufgabe 71: Dualzahlen . . . . . . . . . . . . 51 Aufgabe 72: Hexadezimalzahlen . . . . . . . . 51 Aufgabe 73: Umwandlung natürlicher Zahlen 51 Aufgabe 74: Umwandlung gebrochener Zahlen 52 Aufgabe 75: Subtraktion von Dualzahlen 52 Aufgabe 76: Zweierkomplement . . . . . . . . . 53 Aufgabe 77: Subtraktionsprogramm . . . . . . 53 Aufgabe 78: Multiplikation und Division in dualer Darstellung 53 Aufgabe 79: Multiplikationsprogramm . . . . . . . . . . . . . . 53 Aufgabe 80: Zahlenbereichsüberschreitung beim Zweierkomplement . 53 Aufgabe 81: 8-Bit Subtraktionen im Dualsystem 54 Aufgabe 82: Befehlssatz eines Prozessors. 55
Aufgabe 83: Fahrenheit nach Celsius. . . . . . . 56 Aufgabe 84: Briggscher Logarithmus. . . . . . . 56 Aufgabe 85: Exponent für Gleitkommaformat nach IEEE-754 . 57 Aufgabe 86: Gleitkomma-Multiplikation . . 57 Aufgabe 87: Analyse von CISC-Assembler. . . . . . 57 Aufgabe 88: CISC versus RISC . . . . . . . . . . . . 58 Aufgabe 89: Virtueller Speicher mit paging-Technik 59 Aufgabe 90: Asynchrone Übertragung . . . . . . . . 60
Teil 11 - Lösungen 61
1 Grundlagen der Elektrotechnik 63 Lösung 1: Punktladungen . . . . . . 63
Lösung 2: Elektronenstrahlröhre . . 66
Lösung 3: Kapazität eines Koaxialkabels . 68 Lösung 4: Wechselschalter. . . . . . . . . 69 Lösung 5: Elektronenbeweglichkeit in Metallen 71 Lösung 6: Widerstandsnetzwerk 1 ....... 72
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Lösung 7: Widerstandsnetzwerk 2
Lösung 8: Maschenregel . . . . . .
Lösung 9: Zwei Spannungsquellen .
Lösung 10: Strom- und Spannungsfehlerschaltung
Lösung 11: Meßbereichserweiterung ...
Lösung 12: Dreieck- und Sternschaltung .
Lösung 13: Wheatstonebrücke.
Lösung 14: Lorentzkraft
Lösung 15: Effektivwert
Lösung 16: Oszilloskop.
Lösung 17: Induktion .
Lösung 18: Kondensatoraufladung
Lösung 19: Signalübergangszeiten
Lösung 20: RC-Glied ...... .
Lösung 21: Impulse auf Leitungen
Lösung 22: Datenübertragung.
2 Halbleiterbauelemente Lösung 23: Bändermodell
Lösung 24: Diodenkennwerte messen .
Lösung 25: Diodenkennlinien erstellen
Lösung 26: Freilaufdiode . . . . .
Lösung 27: Zenerdiode ..... .
Lösung 28: Transistor-Kennlinie
3 Elektronische Verknüpfungsglieder
Lösung 29: RTL-NICHT -Glied
Lösung 30: TTL-Glieder.
4 Schalt netze Lösung 31: Schaltnetz mit 3 Variablen
Lösung 32: Vierstufiges Schaltnetz
Lösung 33: Dreistufiges Schaltnetz
Lösung 34: NAND-Logik .... .
Lösung 35: NOR-Logik ..... .
Lösung 36: Analyse eines TTL-Bausteines .
Lösung 37: Synthese mit 4 Variablen.
Lösung 38: Implikation
Lösung 39: Quine-McCluskey .
Lösung 40: Lastkontrolle .
Lösung 41: Paritätsbit .....
Inhaltsverzeichnis
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Inhaltsverzeichnis
Lösung 42: I-Bit Volladdierer ...... . Lösung 43: 4-Bit Subtrahierer ..... .
Lösung 44: Normalform-Paralleladdierer .
Lösung 45: Multiplizierer
Lösung 46: I-Bit ALU .......... .
Lösung 47: Multiplexer ......... .
Lösung 48: Dual- zu Siebensegmentdekoder .
Lösung 49: Hazards
5 Speicherglieder Lösung 50: Dynamische Eintransistor-Speicherzelle .
Lösung 51: RS-Kippglied ........... .
Lösung 52: D-Kippglied ............ .
Lösung 53: Übergangsfunktion des JK-Flipfiop
Lösung 54: JK-Master-Slave-Kippglied ....
Lösung 55: D-Kippglied mit Taktfiankensteuerung
6 Schaltwerke Lösung 56: Schaltwerk mit JK-Flipfiops
Lösung 57: Asynchrones Schaltwerk
Lösung 58: 2-Bit-Synchronzähler .
Lösung 59: 3-Bit-Synchronzähler .
Lösung 60: Johnsonzähler ..
Lösung 61: Serienaddierer ..
Lösung 62: Entwurfsschritte .
Lösung 63: Synchronzähler . Lösung 64: Modulo-4 Zähler
Lösung 65: Schieberegister . .
Lösung 66: Mikroprogrammsteuerwerk .
Lösung 67: 4-Bit Synchronzähler ....
Lösung 68: Umschaltbarer 3-Bit-Synchronzähler
Lösung 69: PLA-Baustein ..... .
Lösung 70: 8421-BCD-Code Tester
7 Computertechnik Lösung 71: Dualzahlen .
Lösung 72: Hexadezimalzahlen . . . . . . . .
Lösung 73: Umwandlung natürlicher Zahlen.
Lösung 74: Umwandlung gebrochener Zahlen
Lösung 75: Subtraktion von Dualzahlen
Lösung 76: Zwei er komplement ....... .
XI
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XII Inhaltsverzeichnis
Lösung 77: Subtraktionsprogramm 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 206
Lösung 78: Multiplikation und Division in dualer Darstellung 206
Lösung 79: Multiplikationsprogramm 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 207
Lösung 80: Zahlenbereichsüberschreitung beim Zweierkomplement
Lösung 81: 8-Bit Subtraktionen im Dualsystem 0
Lösung 82: Befehlssatz eines Prozessors
Lösung 83: Fahrenheit nach Celsius
Lösung 84: Briggscher Logarithmus 0 0 0
Lösung 85: Exponent für Gleitkommaformat nach IEEE-754
Lösung 86: Gleitkomma-Multiplikation 0
Lösung 87: Analyse von CISC-Assembler 0 0 0 0 0 0
Lösung 88: CISC versus RISC 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Lösung 89: Virtueller Speicher mit Paging-Technik 0
Lösung 90: Asynchrone Übertragung 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Teil III - Anhang
A Wissenschaftliche Gleichungen
Ao1 Größengleichungen 0 0 0 0 0 0
Ao2 Einheitengleichungen 0 0 0 0 0
Ao3 Zugeschnittene Größengleichungen
BAnwend ungen des 0 hmschen Gesetzes Bol Spannungsteilerregel
Bo2 Stromteilerregel 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
C Anwendungen der Kirchhoffschen Sätze Co1 Maschenstromverfahren
D Schaltnetzentwurf Do1 Schaltnetzentwurf mit NAND-Gliedern
Do2 Schaltnetzentwurf mit NOR-Gliedern
E Simulationsprogramme
Eo1 Simulationsprogramm eines Operationswerks
E.1.1 Aufbau des Operationswerks
Eo1.2 Benutzung des Programms
E.1.3 Betriebsarten und Befehle
Interaktiv-Modus
Programm-Modus
Eo2 RALU-Simulation 0 0 0 0
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Inhaltsverzeichnis
E.2.1 Aufbau der RALU E.2.2 Benutzung des Programms E.2.3 Setzen von Registern . . . . E.2.4 Steuerwort der RALU ... E.2.5 Takten und Anzeigen der RALU E.2.6 Statusregister und Sprungbefehle . E.2.7 Kommentare und Verkettung von Befehlen
Sachverzeichnis
XIII
246 246 247 247
248 249 249
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