Grundlagen der Technischen Informatik (GTI) / Digitaltechnik (DT) 1 ...

Grundlagen der Technischen Informatik (GTI) /
Digitaltechnik (DT)
1. Einführung
Prof. Dr. Marco Platzner
Fachgebiet Technische Informatik
GTI/DT.1 Version-06.04.10
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http://de.wikipedia.org
Was ist Technische Informatik ?
Die technische Informatik beschäftigt sich als eines der Hauptgebiete der Informatik
mit den hardwaretechnischen Grundlagen von Rechen- und Kommunikationssystemen.
Ihre Wurzeln liegen in der Elektrotechnik, insbesondere in der Digitaltechnik, sowie in
der Logik und der diskreten Mathematik.
Im Bereich der Schalttechnik lassen sich dabei die Grundlagen der technischen
Informatik kaum von der Digitaltechnik unterscheiden. Auf der anderen Seite ergeben
sich auch fließende Übergänge zur praktischen Informatik. Die verschwimmenden
Grenzen in diesem Bereich ergeben sich aus der Möglichkeit, jeglichen Algorithmus
potentiell auch durch feste Schaltungen realisieren zu können.
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Mikroprozessor
Core i7 (Intel)
Supercomputer
BlueGene (IBM)
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Computersysteme
MacBook Pro
(Apple)
Spielekonsole
PlayStation 3 (Sony)
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Eingebettete Computersysteme
• Auf einen Anwendungsbereich spezialisiert und in einen technischen
Kontext eingebunden
Motorsteuerung
ABS
• Informationstechnologie: Zusammenwachsen von
Informationsverarbeitung und Kommunikation
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Infotainment
Klimaanlage
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Software
Hardware
Höhere Programmiersprachen
Assemblersprache
Betriebssystem
Instruktionssatz-Architektur
Mikroarchitektur
(Register-Transfer Ebene)
Logikschaltungen
Transistoren
Geometrie
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Computer- Schichtenmodell
Grundlagen der
Rechnerarchitektur /
Technische Informatik
Grundlagen der Technischen
Informatik / Digitaltechnik
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Warum Technische Informatik für ...
... Informatiker / Ingenieurinformatiker / Elektro- & Informationstechniker
• Der Aufbau und die Funktionsweise von Computersystemen ist nicht
nur eine wichtige Grundlage für die Informations-, Mikrosystem- und
Automatisierungstechnik, sondern hat auch starke Auswirkungen auf
Systemsoftware und die Programmierparadigmen.
• Im Bereich der eingebetteten Systeme und der Informationstechnologie
beschäftigt man sich oft mit der Grenze zwischen Hardware
und Software. Das ist ein wichtiger Arbeitsmarkt, speziell für Europa.
Der Entwicklungsbedarf an eingebetteter Software wird in den
kommenden Jahren drastisch steigen.
• Der Entwurf, die Optimierung und der Test von digitaler Hardware,
speziell die Automatisierung dieser Schritte (Electronic Design
Automation) ist ein Betätigungsfeld für Absolventen aller obigen
Studienrichtungen.
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Informatik: Eingebettete Systeme und Systemsoftware (ESS)
Master-
Studium
5./6. Semester
4. Semester
3. Semester
2. Semester
Hardware/Software
Codesign
Eingebettete
Systeme
Vertiefungsfächer
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Verteilte Systeme
Konzepte und Methoden der Systemsoftware
Grundlagen der Rechnerarchitektur (GRA)
Rechnernetze
Grundlagen der Technischen Informatik (GTI)
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Master-
Studium
Studienmodell
Mikroelektronik
5./6. Semester
Vertiefung
Mikrosystemtechnik
4. Semester
3. Semester
2. Semester
Elektrotechnik: Mikrosystemtechnik und Mikroelektronik
Schaltungstechnik
(Pflicht)
Wahlpflichtkatalog,
z.B.
Vertiefungsfächer
Mikrosystemtechnik
Qualitätssicherung für (WP)
µelektronische Systeme (WP)
Technische Informatik (TI) Laborpraktikum B
Digitaltechnik (DT)
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Entwurf µelektronischer
Systeme (WP)
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Master-
Studium
5./6. Semester
4. Semester
3. Semester
2. Semester
Ingenieurinformatik - Elektrotechnik / Maschinenbau
Projektgruppe Informatik
Projektgruppe E-Technik
Praktikum Ingenieurinformatik
Konzepte und Methoden der Systemsoftware
Grundlagen der Rechnerarchitektur (GRA)
Grundlagen der Technischen Informatik (GTI)
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Wahlpflichtfächer
Wahlpflichtfächer E-Technik/Informatik
z.B. Mikrosystemtechnik und Mikroelektronik
Schaltungstechnik Entwurf µelektronischer
Mikrosystemtechnik
Systeme
Qualitätssicherung für
µelektronische Systeme
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• http://www.upb.de/cs/gti-dt.html
– Unterlagen, aktuelle Informationen zur Lehrveranstaltung, Mailverteiler
• Übung
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Organisation
– Beginn: 03. Mai 2010
– kleine Übungsgruppen (max. 20 Personen)
– Aufgaben vorher lösen, bei der Übung an der Tafel vorrechnen und diskutieren
– In den Übungen kann bis zu 5% Bonus erreicht werden.
– Eine Gruppe hat alle 2 Wochen 2 Stunden Übungen. Es gibt insgesamt 7
verschiedene Termine pro Woche und somit 14 Gruppen.
– Übungstermine und Räume auf der web page
Bitte melden Sie sich über die web page für eine Übungsgruppe an
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• Praktikum
– Beginn: 17. Mai 2010
– Rechnerübungen mit 1-2 Personen pro Arbeitsstation
– VHDL-Entwurf, Simulation und Test von digitalen Schaltungen
– Im Praktikum kann bis zu 5% Bonus erreicht werden.
– Das Praktikum wird in Blockform mit 10 Gruppen durchgeführt.
– Praktikumstermine auf der web page, Praktikumsraum ist P1.7.09
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Organisation
Bitte melden Sie sich über die web page für eine Praktikumsgruppe an
• Wichtig (!)
– zu den Übungen und zum Praktikum vorbereitet kommen
– die Aufgabenstellungen ausgedruckt mitbringen
• Klausuren
– Ende SS10 und Ende WS10/11
– der Bonus aus den Übungen und dem Praktikum wird zur Klausur addiert
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Das Betreuerteam
• Vorlesung: Marco Platzner, P1.7.08.1, 60-5250, platzner@upb.de
• Übungen:
Koordinator: Jörg Stöcklein, F1.319, 60-6492, ozone@upb.de
Gruppenleiter: Andreas Martens, Michael Schnittger,
Matthias Strotmeier, Jürgen Tessmann
• Praktikum:
Koordinator: Heiner Giefers, P1.7.08.3, 60-5395, hgiefers@upb.de
Gruppenleiter: Viktor Fröse, Heiner Giefers, Rüdiger Ibers,
Sebastian Meisner
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• Vorlesung/Übung
� John P. Hayes. Introduction to Digital Logic Design.
Addison-Wesley, 1993, ISBN 0-201-15461-7.
Alternativen:
• Praktikum
� John F. Wakerly. Digital Design: Principles and Practices.
Pearson, 4. Edition, 2006, ISBN: 0-13-186389-4 .
� Randy H. Katz, Gaetano Borriello. Contemporary Logic Design.
Pearson, 2. Edition, 2005, ISBN: 0-13-127830-4.
� M. Morris Mano, Charles R. Kime, Logic and Computer Design
Fundamentals. 4. Edition, Pearson, 2008, ISBN: 0-13-198926-X.
� Literatur / Links zu VHDL auf der web page
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Literatur
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Einige grundlegende Begriffe
• Informationen werden durch (Mess-)Grössen dargestellt. In der
Technik sind die meisten interessierenden Grössen Funktionen der
Zeit und werden Signale genannt.
Beispiel
190
160
130
100
Blutdruck [mmHg]
8:00 9:00 10:00 11:00
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Zeit [h]
• Sowohl der Wert der Messgrösse als auch die Zeit können
kontinuierlich oder diskret sein.
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Analog und Digital
• Wert-kontinuierliche Grössen können innerhalb eines definierten
Wertebereichs jeden beliebigen Wert annehmen, wert-diskrete
Grössen nur eine endliche Anzahl von Werten.
• Zeit-kontinuierliche Grössen haben zu jedem beliebigen Zeitpunkt
einen Messwert, zeit-diskrete Grössen nur zu bestimmten Zeitpunkten.
• Wenn sowohl der Wert als auch die Zeit kontinuierlich sind, spricht
man von einem analogen Signal bzw. einer analogen Darstellung.
• Wenn sowohl der Wert als auch die Zeit diskret sind, spricht man von
einem digitalen Signal bzw. einer digitalen Darstellung.
(lat. digitus=Finger)
• Manche Signale sind natürlicherweise analog und manche digital.
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Digitale Systeme
• Digitale Systeme findet man zB in Computern, Steuerungen,
Audio/Video-Playern, Digitalkameras, Mobiltelefonen, Autos, ...
• Es besteht ein starker Trend weg von der analogen und hin zur
digitalen Signalverarbeitung.
• Vorteile von digitalen gegenüber analogen Systemen
– Wirtschaftlichkeit (in grossen Stückzahlen sehr günstig herstellbar)
– Reproduzierbarkeit
– Langzeitstabilität
– Datenkompression möglich
– Digitale Speichermedien vorhanden
– Programmierbarkeit
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Binäre Systeme
• Binäre Systeme sind digitale Systeme, die zur Darstellung von
Signalen nur zwei unterschiedliche Symbole verwenden.
– oft bezeichnet mit ‘0’ und ‘1’
• Binäre Systeme haben sich in der Technik gegenüber anderen
digitalen Systemen (zB ternären Systemen) durchgesetzt, weil
– es effizientere technische Realisierungen gibt
– Informationsverarbeitung oft mit binären Entscheidungen (Ja/Nein) zu tun hat
• Ein bit (binary digit) stellt die kleinste Einheit der Information dar.
– Eine binäre Variable ist Träger von einem bit Informationsmenge.
– Durch Zusammenfassen mehrerer binärer Variablen zu einer Binärzahl lassen
sich beliebige diskrete Wertemengen abbilden, zB kann ein Nibble (4 bit) 16
verschiedene Werte abbilden:
( ) ( 3 2 1 0
b
) 3b2b1b
0 = b 2 3 ⋅ 2 + b2
⋅ 2 + b1
⋅ 2 + b0
⋅2
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Umwandlung Analog / Digital
• Will man analoge Signale mit digitalen Systemen (Computer) verarbeiten,
muss man eine analog-digital Wandlung vornehmen. Diese
erfolgt in 2 Schritten:
1. zeit-kontinuierlich → zeit-diskret (Abtastung in regelmässigen Abständen)
190
160
130
100
Blutdruck [mmHg]
8:00 9:00 10:00 11:00
• Nyquist-Shannon Abtasttheorem
Zeit [h]
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Das abgetastete Signal ist
wertkontinuierlich und zeitdiskret
(alle 30 Minuten ein
Messwert).
– Tastet man das analoge Signal mit mindestens der doppelten maximalen
Signalfrequenz ab, ist mit der Abtastung kein Informationsverlust verbunden
(man kann das ursprüngliche analoge Signal wieder herstellen).
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2. wert-kontinuierlich → wert-diskret (Quantisierung)
190
160
130
100
Blutdruck [mmHg]
8:00 9:00 10:00 11:00
• Quantisierungsfehler
Zeit [h]
Umwandlung Analog / Digital
– Mit der Quantisierung ist immer ein Informationsverlust verbunden. Aus der
Folge von diskreten Werten lässt sich das ursprüngliche analoge Signal nicht
wieder herstellen. Je mehr diskrete Werte (bits) verwendet werden, umso
kleiner wird der Quantisierungsfehler.
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Das quantisierte Signal ist wertund
zeitdiskret (alle 30 Minuten
ein Messwert in {100,115,130,
145,160,175,190}).
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Lernziele
• Vorlesung
Theorie und Anwendung der Booleschen Algebra und endlicher
Automaten auf den Hardwareentwurf, Grundlagen und Realisierung
von Logikelementen, Entwurf kombinatorischer und sequentieller
Logik, Entwurf auf der Register-Transfer Ebene
• Übungen
Vertiefung des Vorlesungsstoffs durch Ausarbeitung von Beispielen
• Praktikum
Erfahrungen mit einer modernen Hardware-Entwurfsumgebung,
praktische Fertigkeiten in VHDL, selbständiges Arbeiten alleine
oder in 2-er Gruppen
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1. Einführung
2. Modelle der Logikebene
3. Kombinatorische Logik
4. Entwurf Kombinatorischer Logik
5. Sequentielle Logik
6. Entwurf Sequentieller Logik
7. Technologische Realisierung
8. Binäre Zahlen und Codes
9. Register-Transfer Ebene
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Inhalt der Vorlesung
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