Grundlagen der Technischen...

Leseprobe

Dirk W. Hoffmann

Grundlagen der Technischen Informatik

ISBN (Buch): 978-3-446-44867-4

ISBN (E-Book): 978-3-446-44903-9

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Vorwort

Die Computertechnik hat in wenigen Jahrzehnten eine Entwicklung vollzogen, die in ihrerGeschwindigkeit und Intensität einzigartig ist. Setzten sich die ersten Computer noch ausvergleichsweise wenigen Schaltkreisen zusammen, so verrichten in jedem modernen Ar-beitsplatzrechner, Tablet-PC oder Smartphone Abermillionen von Transistoren ihren Dienstund führen in jeder Sekunde Milliarden von Berechnungen aus. Doch so rasant die Ent-wicklung der letzten Jahrzehnte auch war: Vergleichen wir die Maschinen der Pionierzeitmit unseren modernen Rechenboliden, so lassen sich eine Reihe von Grundprinzipien iden-tifizieren, die sich im Laufe der Zeit zwar weiterentwickelt, aber im Kern nicht veränderthaben. Diese Grundprinzipien, zusammen mit ihren modernen Ausprägungen, formen dasGebiet der technischen Informatik und sind Gegenstand des vorliegenden Buchs.

Geschrieben habe ich das Buch für Bachelor-Studenten der Fachrichtungen Informatik,Elektrotechnik, Informationstechnik und verwandter Studiengänge. Inhaltlich habe ichmich dabei an den typischen Lehrinhalten orientiert, die im Grundstudium an Hochschu-len und Universitäten vermittelt werden. Neben dem Grundlagenwissen aus den Gebietender Halbleitertechnik, der Zahlendarstellung und der booleschen Algebra werden die Ent-wurfsprinzipien kombinatorischer und sequenzieller Hardware-Komponenten bis hin zurBeschreibung moderner Prozessor- und Speicherarchitekturen vermittelt. Damit spannt dasBuch den Bogen von den mathematischen Grundlagen digitaler Schaltelemente bis hin zuden ausgefeilten Hardware-Optimierungen moderner Hochleistungscomputer.

Es ist mir ein besonderes Anliegen, den Stoff anwendungsorientiert und didaktisch anspre-chend zu vermitteln. Damit das Buch sowohl vorlesungsbegleitend als auch zum Selbst-studium eingesetzt werden kann, werden die Lehrinhalte aller Kapitel durch zahlreicheÜbungsaufgaben komplementiert. Des Weiteren habe ich zahlreiche Anwendungsbezügemit aufgenommen, um eine enge Verzahnung zwischen Theorie und Praxis zu erreichen.

Seit dem Erscheinen der letzten Auflage habe ich wieder zahlreiche Zuschriften erhalten,über die ich mich sehr gefreut habe. Namentlich bedanken möchte ich mich bei Herrn SvenBadke, Frau Ines Machinek und Herrn Prof. Dr. Martin Rumpler, die mich auf mehrere bis-her unentdeckte Fehler aufmerksam gemacht haben. Inzwischen erscheinen die Grundlagender technischen Informatik in der fünften Auflage, und ich bin weiterhin jedem aufmerksa-men Leser für Hinweise zu Verbesserungsmöglichkeiten oder Fehlern dankbar.

Karlsruhe, im August 2016 Dirk W. Hoffmann

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung 111.1 Was ist technische Informatik? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2 Vom Abakus zum Supercomputer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3 Wohin geht die Reise? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2 Halbleitertechnik 332.1 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.1.1 Atommodell von Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.1.2 Reine Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.1.3 Dotierte Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.2 Integrierte Schaltelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.2.1 Halbleiterdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.2.2 Bipolartransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.2.3 Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.3 Chip-Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.3.1 Produktion integrierter Schaltkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.3.2 Integrationsdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.4 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3 Zahlendarstellung und Codes 593.1 Zahlensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.2 Rechnerinterne Zahlenformate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.2.1 Darstellung natürlicher Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.2.2 Darstellung rationaler Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.3 Zahlencodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.3.1 Tetraden-Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.3.2 Fehlererkennende Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.4 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4 Boolesche Algebra 894.1 Axiomatisierung nach Huntington . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.1.1 Mengenalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914.1.2 Schaltalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.2 Boolesche Ausdrücke und Aussagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.2.1 Abgeleitete Operatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974.2.2 Erfüllbarkeit und Äquivalenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.2.3 Strukturelle Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.2.4 Dualitätsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

8 Inhaltsverzeichnis

4.3 Rechnen in booleschen Algebren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.3.1 Abgeleitete Umformungsregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.3.2 Vereinfachung boolescher Ausdrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114.3.3 Vollständige Operatorensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4.4 Normalformdarstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194.4.1 Konjunktive und disjunktive Normalform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194.4.2 Reed-Muller-Normalform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1224.4.3 Binäre Entscheidungsdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.5 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

5 Schaltnetze 1395.1 Grundlagen der Digitaltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

5.1.1 Schaltkreisfamilien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1405.1.2 MOS-Schaltungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1455.1.3 Lastfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

5.2 Schaltungssynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1565.2.1 Zweistufige Schaltungssynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1575.2.2 BDD-basierte Schaltungssynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1585.2.3 FDD-basierte Schaltungssynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

5.3 Formelsynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1615.3.1 Funktionale Formelsynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1615.3.2 Relationale Formelsynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1635.3.3 Definitorische Formelsynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

5.4 Komplexitätsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.5 Zeitverhalten digitaler Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

5.5.1 Signalausbreitung und -verzögerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1695.5.2 Störimpulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

5.6 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

6 Minimierung 1816.1 Minimierungsziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1826.2 Karnaugh-Veitch-Diagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

6.2.1 Minimierung partiell definierter Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1906.2.2 Konstruktion Hazard-freier Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1946.2.3 Minimierung mehrstelliger Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

6.3 Quine-McCluskey-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1976.4 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

7 Standardschaltnetze 2057.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2067.2 Multiplexer und Demultiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2067.3 Komparatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2137.4 Präfix-Logik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

Inhaltsverzeichnis 9

7.5 Addierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2187.5.1 Halb- und Volladdierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2187.5.2 Carry-ripple-Addierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2207.5.3 Carry-look-ahead-Addierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2217.5.4 Conditional-Sum-Addierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2247.5.5 Präfix-Addierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2277.5.6 Carry-save-Addierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

7.6 Inkrementierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2327.7 Subtrahierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2337.8 Multiplizierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

7.8.1 Matrixmultiplizierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2357.8.2 Carry-save-Multiplizierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2387.8.3 Wallace-Tree-Multiplizierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2417.8.4 Dadda-Tree-Multiplizierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

7.9 Barrel-Shifter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2497.10 Arithmetisch-logische Einheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2517.11 Programmierbare Logikbausteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2537.12 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

8 Schaltwerke 2658.1 Digitale Speicherelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

8.1.1 Asynchrone Speicherelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2678.1.2 Taktzustandsgesteuerte Speicherelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2718.1.3 Taktflankengesteuerte Speicherelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2748.1.4 Bevorrechtigte Eingänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2818.1.5 CMOS-Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

8.2 Vom Flipflop zum Schaltwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2858.2.1 Endliche Automaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2868.2.2 Schaltwerksynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

8.3 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

9 Standardschaltwerke 2999.1 Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

9.1.1 Auffangregister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3009.1.2 Schieberegister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3029.1.3 Universalregister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3049.1.4 Akkumulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

9.2 Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3089.2.1 Synchrone Binärzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3099.2.2 Asynchrone Binärzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3139.2.3 Mischzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3149.2.4 Instruktionszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

10 Inhaltsverzeichnis

9.3 Hauptspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3189.3.1 SRAM-Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3189.3.2 DRAM-Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3209.3.3 Fehlererkennung und -korrektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

9.4 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

10 Register-Transfer-Entwurf 33510.1 Entwurf komplexer Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

10.1.1 Operationswerksynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33810.1.2 Steuerwerksynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

10.2 Mikroprogrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34310.3 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

11 Mikroprozessortechnik 35111.1 Elemente eines Mikrorechners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352

11.1.1 Von-Neumann-Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35211.1.2 Aufbau der CPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

11.2 Ein einfacher Modellprozessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36011.3 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

12 Rechnerstrukturen 37712.1 Rechnerklassifikation nach Flynn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37812.2 Instruktionsarchitekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

12.2.1 CISC-Prozessoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38012.2.2 RISC-Prozessoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

12.3 Methoden zur Leistungssteigerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38812.3.1 Pipelining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38812.3.2 Cache-Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393

12.4 Leistungsbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39912.4.1 Maßzahlen zur Leistungsbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39912.4.2 Benchmarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402

12.5 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

A Notationsverzeichnis 411

B Abkürzungsverzeichnis 413

C Glossar 415

Literaturverzeichnis 433

Namensverzeichnis 437

Sachwortverzeichnis 439

2 Halbleitertechnik

In diesem Kapitel werden Sie . . .

n die elektrischen Eigenschaften von Halbleiterkristallen verstehen,

n mit der Diode und dem Transistor zwei grundlegende Halbleiterelemente kennen lernen,

n die Produktion integrierter Schaltkreise nachvollziehen.

Der dänische Physiker Niels Henrik Da-vid Bohr wurde 1885 in Kopenhagengeboren und zählt zu den bedeutends-ten Physikern des zwanzigsten Jahrhun-derts. Im Jahre 1922 wurde Bohr für sei-ne Verdienste um die Erforschung derStruktur der Atome und der von ihnenausgehenden Strahlung mit dem Nobel-preis ausgezeichnet. Zu seinen wichtigs-ten Hinterlassenschaften gehört zweifels-frei das Bohr’sche Atommodell, das neueErkenntnisse in den inneren Aufbau vonAtomen gewährte und zugleich als Weg-bereiter für die sich später entwickelndeQuantenmechanik angesehen wird.Das Modell von Bohr ist eine Weiterent-wicklung des Rutherford’schen Modells,das Elektronen wie winzige, den Atom-kern umkreisende Planeten interpretiertund damit im Widerspruch zur klassi-schen Elektrodynamik steht. Diese sagtaus, dass bewegende elektrische Ladun-gen einen Teil ihrer Energie als elektro-magnetische Welle abstrahlen. Genau ei-ne solche bewegliche Ladung stellt dasElektron dar. Aufgrund seiner Rotationum den Atomkern müsste dieses perma-nent an Energie verlieren und schließlichin den Atomkern stürzen.Bohr postulierte in seinem Modell dieExistenz von Schalen, auf denen sich dieElektronen mit unterschiedlichen Ener-gieniveaus verlustfrei bewegen können.Mit Hilfe dieses Modells war es erstmalsmöglich, viele chemische Reaktionen auferstaunlich einfache Weise physikalischzu erklären.Heute gilt das Bohr’sche Atommodell alsveraltet, da es im Widerspruch zu den mo-dernen Erkenntnissen der Quantenmecha-nik steht. Andere Modelle, wie z. B. dasOrbitalmodell, nehmen gegenwärtig des-sen Platz ein. Nichtsdestotrotz beschreibtdas Bohr’sche Atommodell die Eigen-schaften von Atomen und Elektronen sogenau, dass sich damit unter anderem daselektrische Verhalten von Halbleiterkris-tallen präzise erklären lässt.

34 2 Halbleitertechnik

2.1 Halbleiter

Der historische Rückblick in Kapitel 1 hat aufgezeigt, dass die Ent-wicklung der Computertechnik eng mit den Fortschritten im Bereichder integrierten Schaltungstechnik verbunden ist. Ohne die beeindru-ckenden Erfolge im Bereich der Hochintegration in der zweiten Hälftedes vorherigen Jahrhunderts wäre die Konstruktion von elektronischenGeräten, wie wir sie heute kennen und fast schon als selbstverständlicherachten, niemals Realität geworden. Im Detail betrachtet, setzen sichmoderne Mikrochips aus mehreren Millionen winziger Verknüpfungs-glieder zusammen, die in einem komplizierten Fertigungsprozess dichtgepackt auf ein kleines Stück Silizium aufgebracht werden. Dass wirheute technisch in der Lage sind, mikroskopisch kleine Schaltelementezu erzeugen, die zudem um viele Größenordnungen schneller schaltenals die lange Zeit dominierende Röhrentriode, haben wir den chemi-schen und physikalischen Eigenschaften einer ganz bestimmten Stoff-gruppe zu verdanken – den Halbleitern.

Halbleiter sind der Grundstoff mikroelektronischer Schaltungen und diedaraus gefertigten Transistoren spielen in der Computertechnik die glei-che Rolle wie die Nukleotide in der Genetik. Aufgrund ihrer immensenBedeutung wollen wir in diesem und den nächsten Abschnitten einengenaueren Blick auf die Grundbausteine wagen, aus denen sich sämt-liche modernen Hardware-Schaltungen zusammensetzen. Insbesonde-re werden wir die Frage klären, was Halbleiterelemente so einzigartigmacht und wie wir ihre besonderen Eigenschaften für die Konstruktionkomplexer Mikrochips nutzen können.

Im nächsten Abschnitt werden wir zunächst einen kleinen, aber unab-dingbaren Ausflug in die Chemie unternehmen und zunächst auf atoma-rer Ebene klären, wie sich Stromflüsse durch die Bewegung einzelnerElektronen im Detail erklären lassen. Auf den erworbenen Grundkennt-nissen aufbauend werden wir in den Abschnitten 2.2.1 bis 2.2.3 mitder Halbleiterdiode und dem Transistor die zentralen Bausteine kennenlernen, die in einem komplexen Zusammenspiel das Verhalten von Mi-krochips definieren, mit denen wir tagtäglich hundertfach in Berührungkommen.

2.1.1 Atommodell von Bohr

Nach dem Bohr’schen Atommodell setzt sich ein einzelnes Atom ausProtonen, Neutronen und Elektronen zusammen. Protonen tragen eine

Niels Bohr (1885 – 1962)Albert Einstein (1879 – 1955)

Abbildung 2.1: Niels Bohr (links) imZwiegespräch mit Albert Einstein im Jahre1925.

Abbildung 2.2: Das Heliumatom. Im Kernbefinden sich je zwei Protonen und Neu-tronen, die im Bohr’schen Atommodell vonzwei Elektronen umkreist werden.

2.1 Halbleiter 35

positive, Elektronen eine negative Ladung. Beide weisen die exakt iden-tische Ladungsmenge auf, so dass ein Proton durch jeweils ein Elektronkompensiert wird. Der dritte atomare Baustein – das Neutron – ist la-dungsneutral und trägt ausschließlich zur Masse des Atoms bei. In allenchemischen Elementen ist die Beschaffenheit der drei Grundbausteinegleich. Einzig die zahlenmäßige Zusammensetzung von Protonen undNeutronen im Atomkern entscheidet, welches chemische Element wirletztendlich vor uns haben.

Im Normalzustand ist ein Atom nach außen ladungsneutral – es besitztgenauso viele Protonen wie Elektronen. Weicht die Zahl der Elektronenvon der Zahl der Protonen ab, so sprechen wir von einem Ion. Ein Ionist stets negativ oder positiv geladen, je nachdem, ob die Anzahl derElektronen die Anzahl der Protonen übersteigt oder umgekehrt.

Abbildung 2.2 demonstriert den schematischen Aufbau eines Helium-atoms im Bohr’schen Atommodell. Während je zwei Protonen und Neu-tronen den Atomkern bilden, befinden sich die beiden Elekronen in derAtomhülle. Diese besteht aus mehreren Schalen, auf denen sich dieElektronen um den Kern bewegen. Beachten Sie, dass die Skizze inAbbildung 2.2 bei weitem nicht maßstabsgetreu gezeichnet ist. In Wirk-lichkeit ist der Radius der Atomhülle rund 10.000 mal größer als derdes Kerns. Trotzdem trägt der Atomkern fast die komplette Masse einesAtoms. Obwohl Protonen und Neutronen eine unglaublich kleine Mas-se von 1 6725⇥10�24 g bzw. 1 6748⇥10�24 g besitzen, sind sie immernoch knapp 2000 mal schwerer als ein Elektron.

Ein wesentliches Merkmal des Bohr’schen Atommodells betrifft dieAbstände, in denen einzelne Elektronen den Atomkern umkreisen kön-nen. Anders als z. B. im Rutherford’schen Modell sind diese nicht be-liebig. Wie weiter oben angedeutet, wird der Atomkern durch mehrereSchalen eingehüllt, auf denen sich die verschiedenen Elektronen bewe-gen. Auf welcher Schale sich ein einzelnes Elektron befindet, wird ein-zig und alleine durch sein Energieniveau bestimmt. Elektronen auf deninneren Schalen besitzen ein niedrigeres, Elektronen auf den äußerenSchalen ein höheres Niveau. Das Energieniveau eines Elektrons ist kei-ne kontinuierliche Größe und kann nur ganz bestimmte, diskrete Werteannehmen. Dies ist der Grund, warum sich ein Elektron immer nur aufeiner bestimmten Schale, nie jedoch dazwischen befinden kann.

Zur besseren Unterscheidung wurden die verschiedenen Schalen imBohr’schen Atommodell mit Buchstaben versehen. Die innerste wirdals K-Schale, die zweite als L-Schale, die dritte als M-Schale usw. be-zeichnet. Die verschiedenen Schalen eines Atoms unterscheiden sich inder Anzahl der Elektronen, die sich zur gleichen Zeit darauf befinden

Abbildung 2.3: Vier Wasserstoffatome undein Kohlenstoffatom im Bohr’schen Atom-modell. Über die freien Valenzelektronenvereinigen sich die Atome zu einem stabi-len Methanmolekül (CH4).

Lei

tungsb

and

Val

enzb

and

Sper

rzone

Isolator Leiter

Energieniveau [eV]

Bin

dungs-

ener

gie

Abbildung 2.4: Bändermodell. Die ver-schiedenen Energieniveaus von Leitungs-und Valenzelektronen führen zu einer natür-lichen Zweiteilung auf der y-Achse.


können. So kann die K-Schale nur 2, die L-Schale und die M-Schaledagegen 8 Elektronen aufnehmen.

Abbildung 2.3 demonstriert die Elektronenanordnung am Beispiel vonKohlenstoff- und Wasserstoffatomen. In beiden ist die äußere Schalenicht vollständig besetzt. Die Elektronen auf der ungesättigten Scha-le werden Valenzelektronen genannt und bestimmen maßgeblich, wiesich ein Atom im Zuge einer chemischen Reaktion verhält. Atome sindstets bestrebt, den energetisch ärmsten Zustand anzunehmen und wer-den demnach versuchen, ihre äußeren Schalen zu vervollständigen. ImFalle von Kohlenstoff und Wasserstoff führt dies dazu, dass jeweils vierWasserstoffatome ihr freies Valenzelektron mit einem Kohlenstoffatomteilen und diesem dadurch zu einer gesättigten Schale verhelfen. AlsErgebnis entsteht ein Methan-Molekül (Erdgas, CH4). Wie bei allen an-deren chemischen Reaktionen auch, bleiben die inneren Atomschalendurch diese Vorgänge gänzlich unberührt.

Weiter oben haben wir herausgearbeitet, dass einzig und allein das Ener-gieniveau bestimmt, auf welcher Schale sich ein Elektron befindet. ImUmkehrschluss bedeutet dieses Ergebnis, dass ein Elektron durch dieAufnahme oder die Abgabe von Energie zwischen den Schalen hin-und herwechseln kann. Auf atomarer Ebene finden diese Vorgänge inder Tat fortwährend statt. Elektronen, die z. B. aufgrund thermischerErhitzung Energie aufnehmen, bewegen sich in Richtung der äußerenSchalen. Wird ein gewisses Energieniveau überschritten, so verliert dasElektron gänzlich seine Bindung und kann sich frei im Atomverbundbewegen. Aus dem ehemaligen Valenzelektron ist jetzt ein freies Lei-tungselektron geworden.

Um ein Elektron aus dem Atom zu lösen, muss die sogenannte Bin-dungsenergie aufgebracht werden. Diese unterscheidet sich erheblichzwischen den verschiedenen chemischen Substanzen. In klassischenIsolatoren wie z. B. Hartgummi, ist die aufzubringende Energiemengeso groß, dass selbst bei hohen Temperaturen nur wenige Elektronen die-sen Sprung schaffen. Kurzum: Ein Stromfluss kommt so gut wie nichtzustande. In elektrischen Leitern wie z. B. Kupfer oder Silber, reichthingegen eine sehr geringe Energiemenge aus, um freie Leitungselek-tronen zu erzeugen.

Besonders deutlich wird der Unterschied zwischen Isolatoren und Lei-tern im Bändermodell. Tragen wir die möglichen Energieniveaus einesElektrons, wie in Abbildung 2.4 gezeigt, auf der y-Achse eines Dia-gramms auf, so lässt die Unterscheidung in Leitungs- und Valenzelekt-ronen eine natürliche Zweiteilung entstehen. Elektronen hohen Energie-niveaus befinden sich im Leitungsband, während sich Elektronen nied-

Lei

tungsb

and

Val

enzb

and

Bin

dungs-

ener

gie

Sper

rzone

Isolator Halbleiter Leiter

Energieniveau [eV]

Sper

rzone

Bin

dungs-

ener

gie

Abbildung 2.5: Einordnung von Halblei-tern im Bändermodell

Isolatoren

Material Widerstand

Hartgummi 1016 Wm

Bernstein 1014 Wm

Halbleiter

Material Widerstand

Silizium (rein) 102 Wm

Germanium (rein) 100 Wm

Germanium (dotiert) 10�4 Wm

Leiter

Material Widerstand

Platin 10�7 Wm

Silber 10�8 Wm

Tabelle 2.1: Über den spezifischen Wider-stand lassen sich Materialien in Isolatoren,Halbleiter und Leiter klassifizieren.

2.1 Halbleiter 37

rigen Niveaus im Valenzband befinden. Je mehr Bindungsenergie fürdie Freisetzung eines Elektrons aufgebracht werden muss, desto weiterklaffen das Leitungs- und das Valenzband auseinander. Zwischen bei-den Bändern entsteht eine Sperrzone, die keine einnehmbaren Energie-niveaus enthält und mit zunehmender Größe von immer weniger Elek-tronen überwunden werden kann. Wie zu erwarten, zeichnen sich guteIsolatoren durch eine große Sperrzone aus, während das Leitungs- unddas Valenzband in guten Leitern fast nahtlos ineinander übergehen.

2.1.2 Reine Halbleiter

Halbleiter sind spezielle Festkörper, die gleichsam als Isolator wie auchals elektrischer Leiter auftreten können. Ihre spezielle Eigenschaft ha-ben diese Stoffe der Energiemenge zu verdanken, die zur Freisetzungeines Valenzelektrons aufgebracht werden muss. Die Bindungsenergieliegt in einem Bereich, der groß genug ist, um das Material bei ge-ringen Temperaturen zu einem Isolator werden zu lassen, gleichzeitigaber klein genug ist, um bei mäßigen Temperaturen von einer größerenAnzahl von Elektronen überwunden zu werden. So reicht z. B. für denHalbleiter Germanium eine Temperatur von ca. 50� C aus, um eine guteelektrische Leitfähigkeit zu erreichen.

Abbildung 2.5 zeigt die Einordnung von Halbleitern in das Bändermo-dell. Die eingezeichnete Sperrzone befindet sich zwischen derer vonIsolatoren und jener von elektrischen Leitern. Eine exakte Einteilungvon Materialien in Leiter, Halbleiter und Isolatoren ist über deren spezi-fischen Widerstand r möglich (vgl. Tabelle 2.1). Materialien mit einemWert kleiner als 10�6 Wm bzw. größer als 1010 Wm gelten als Leiterbzw. als Isolator. Halbleiter besitzen einen spezifischen Widerstand, derzwischen diesen beiden Werten liegt.

Für den Bau elektronischer Schaltungen spielen insbesondere die Halb-leiterelemente Silizium (Si) und Germanium (Ge) eine Rolle. BeideElemente sind so beschaffen, dass ihre Leitfähigkeit durch äußere Ein-flüsse vergleichsweise einfach beeinflusst werden kann. Silizium stehtan Position 14 des Periodensystems und ist nach dem Sauerstoff daszweithäufigste Element in der Erdkruste. Die 14 Elektronen eines Sili-ziumatoms verteilen sich auf insgesamt 3 Schalen. Die innerste ist mit2 und die zweite mit 8 Elektronen vollständig gefüllt. Die M-Schale istmit 4 Valenzelektronen dagegen ungesättigt.

Im Verbund ordnen sich die Siliziumatome, wie in Abbildung 2.6 skiz-ziert, in Form eines Kristalgitters an. Um jedes Atom gruppieren sich 4

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Abbildung 2.6: Struktur des Siliziumkris-talls. Jedes Atom ist von 4 weiteren Atomenumgeben, die über jeweils zwei gemeinsamgenutzte Valenzelektronen eine stabile Ver-bindung herstellen.

+-

+-

+-

+-

Abbildung 2.7: Eigenleitung im Halblei-terkristall. Die freigesetzten Leitungselek-tronen richten sich im elektrischen Feldaus und wandern in Richtung der positi-ven Spannungsquelle. Die gleichzeitig ent-stehenden Elektronenlöcher bewegen sichin entgegengesetzter Richtung auf den Mi-nuspol zu.


weitere, die über je 2 gemeinsam genutzte Valenzelektronen eine festeBindung eingehen und die M-Schalen jedes Siliziumatoms damit auf ef-fektiv 8 Elektronen auffüllen. Aufgrund der regulären Struktur der Ato-manordnung sprechen wir in diesem Zusammenhang auch von einemEinkristall (single cristal). Anders als in der schematischen Zeichnungsuggeriert, ordnen sich die einzelnen Atome in der Realität dreidimen-sional an. Bei der skizzierten Struktur handelt es sich um ein verein-fachtes zweidimensionales Modell, das für unsere Anschauungszweckejedoch völlig ausreichend ist.

Die Struktur des Siliziumkristalls entspricht jener des Diamanten. BeideMaterialien unterscheiden sich jedoch erheblich in der Bindungsener-gie, die zum Heraustrennen eines Elektrons benötigt wird. Um ein Elek-tron des Siliziumkristalls in das Leitungsband zu heben, ist eine Energievon ca. 1,1 eV ausreichend. In der wesentlich stabileren Diamantstruk-tur muss mit 6 eV bereits mehr als die fünffache Energie aufgebrachtwerden, um ein Elektron von einem einzelnen Kohlenstoffatom zu tren-nen. Diese hohe Energiemenge macht den Diamant zu einem exzellen-ten Isolator – wenn auch zu einem sehr kostspieligen.

Durch die Brown’sche Molekularbewegung besitzt jedes Elektron einegewisse Schwingungsenergie, die bei Raumtemperatur im Bereich von0 025 eV liegt. Der exakte Wert variiert zwischen den einzelnen Ato-men, so dass es dem ein oder anderen Elektron immer wieder gelingt,die Bindungsenergie zu überwinden und in das Leitungsband zu gelan-gen. Steigt oder sinkt die Temperatur, so nimmt mit der thermischenEnergie auch die Elektronendichte im Leitungsband kontinuierlich zubzw. ab. In einem Siliziumkristall befinden sich bei 50� C bereits 1010

freie Elektronen pro cm3 im Leitungsband. Verglichen mit den klassi-schen elektrischen Leitern ist diese Elektronendichte trotzdem gering.Hier kommt im Durchschnitt auf jedes der ca. 1022 Atome pro cm3 einfreies Leitungselektron.

Die Freisetzung von Elektronen ist der Schlüssel für die elektrischeLeitfähigkeit des Halbleiterkristalls. Für jedes herausgetrennte Elek-tron entsteht eine Bindungslücke, die auch als Elektronenloch oder alsDefektelektron bezeichnet wird. Die gleichzeitige Entstehung von Lei-tungselektronen und Löchern wird mit dem Begriff der Paarbildungumschrieben. Diese hat einen entscheidenden Einfluss auf die Ladungs-verteilung innerhalb des Kristalls. Wechselt ein Elektron in das Lei-tungsband, so hinterlässt es ein positiv geladenes Ion, das seinerseitsanziehend auf die umliegenden Elektronen wirkt. Entsprechend häufigwird das entstandene Loch entweder durch ein freies Leitungselektronoder durch ein benachbart freigesetztes Elektron aufgefüllt. Wir spre-chen in diesem Fall von einer Rekombination.

Abbildung 2.8: Eigenleitung einmal an-ders. Die Bewegung der Ladungsträger lässtsich bildlich mit dem Auffüllen einer Ki-noreihe vergleichen. Während die Besucher(Elektronen) von links nach rechts durchdie Reihe rücken, scheinen die freien Sit-ze (Elektronenlöcher) trotz ihrer stationärenMontage von rechts nach links zu wandern.

Si Si Si

Si P Si

Si Si Si

Abbildung 2.9: Struktur eines Elektronen-überschussleiters (n-Leiter). Durch den ge-zielten Einbau von Phosphoratomen wer-den zusätzliche Valenzelektronen in das Si-liziumgitter eingebracht. Diese können sichnahezu ungehindert durch die Kristallstruk-tur bewegen.

2.1 Halbleiter 39

Legen wir an den Halbleiterkristall ein elektrisches Feld an, so findetein gerichteter Stromfluss statt. Wie in Abbildung 2.7 gezeigt, werdendie freigesetzten Elektronen durch das elektrische Feld in Richtung desPluspols getrieben. Da wir die Elektronenlöcher ohne Probleme als po-sitive Ladungsträger interpretieren können, erzeugen diese einen Lö-cherstrom, der dem Elektronenstrom entgegengesetzt ist. Obwohl diepositiv geladenen Ionen in Wirklichkeit fest in das Kristallgitter inte-griert sind und sich selbst nicht von der Stelle bewegen, ist es für dieAnschauung vollkommen korrekt, sich den Löcherstrom als einen Flusspositiv geladener Ladungsträger vorzustellen (vgl. Abbildung 2.8).

Die Fähigkeit eines Halbleiters, über die Bildung freier Elektronen undDefektelektronen einen Stromfluss zu erzeugen, wird als Eigenleitungbezeichnet. Wie oben angedeutet, nimmt die Paarbildung mit zuneh-mender thermischer Energie stark zu, so dass Halbleiter mit wachsen-der Temperatur zu einem immer besseren Leiter werden. Von den klas-sischen elektrischen Leitern kennen wir diese Eigenschaft nicht. Hierstehen sich die Leitungselektronen bei zunehmender Molekularbewe-gung gegenseitig wie Hindernisse im Weg und sorgen dafür, dass dieLeitfähigkeit mit zunehmenden Temperaturen kontinuierlich sinkt.

2.1.3 Dotierte Halbleiter

In einem reinen Siliziumkristall kommen Elektronen und Defektelek-tronen in gleicher Anzahl vor. Wird dieses Gleichgewicht durch einegezielte Verunreinigung des Trägermaterials gestört, so lässt sich dieelektrische Leitfähigkeit des Kristalls erheblich verbessern. Der Vor-gang der Verunreinigung wird als Dotierung und die entstehende Kris-tallstruktur als dotierter Halbleiter bezeichnet.Als erstes dotiertes Halbleitermaterial betrachten wir den Elektronen-überschussleiter. Dieser entsteht, indem Fremdatome in das Kristallgit-ter eingebaut werden, die über ein zusätzliches Valenzelektron verfü-gen. Wie ein solches Gitter aussehen kann, demonstriert Abbildung 2.9am Beispiel eines mit Phosphor verunreinigten Siliziumkristalls. DasPhosphoratom besitzt 5 Valenzelektronen in der M-Schale und damiteines mehr als das Siliziumatom (vgl. Abbildung 2.10). Von den 5 Va-lenzelektronen werden nur 4 für den Einbau in das Kristallgitter benö-tigt. Das überschüssige fünfte Elektron ist nur schwach eingebunden.Geringe Energiemengen reichen aus, um es zu lösen und zu einem frei-en Ladungsträger werden zu lassen.

Aufgrund ihrer elektronenspendenen Funktion werden die künstlicheingebauten Phosphoratome als Donatoren bezeichnet. Da in einem sol-

Si Si Si

Si Al Si

Si Si Si

Abbildung 2.11: Struktur eines Elektro-nenmangelleiters (p-Leiter). Durch den ge-zielten Einbau von Aluminiumatomen ent-stehen künstliche Elektronenlöcher, die wiepositive Ladungsträger wirken.


19K

20Ca

21Sc

22Ti

23V

24Cr

25Mn

26Fe

27Co

28Ni

29Cu

30Zn

31Ga

32Ge

33As

34Se

35Br

36Kr

37Rb

38Sr

39Y

40Zr

41Nb

42Mo

43Tc

44Ru

45Rh

46Pd

47Ag

48Cd

49In

50Sn

51Sb

52Te

53I

54Xe

55Cs

56Ba

72Hf

73Ta

74W

75Re

76Os

77Ir

78Pt

79Au

80Hg

81Tl

82Pb

83Bi

84Po

85At

86Rn

87Fr

88Ra

104Rf

105Db

106Sg

107Bh

108Hs

109Mt

110Ds

111Rg

11Na

12Mg

3Li

4Be

1H

13Al

14Si

15P

16S

17Cl

18Ar

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

2He

57La

58Ce

59Pr

60Nd

61Pm

62Sm

63Eu

64Gd

65Tb

66Dy

67Ho

68Er

69Tm

70Yb

71Lu

89Ac

90Th

91Pa

92U

93Np

94Pu

95Am

96Cm

97Bk

98Cf

99Es

100Fm

101Md

102No

103Lr

IA1

IIA2

IIIB3

IVB4

VB5

VIB6

VIIB7 8

VIIIB9 10

IB11

IIB12

IIIA13

IVA14

VA15

VIA16

VIIA17

VIIIA18

112Uub

Abbildung 2.10: Das Periodensystem. Die Elemente der dritten, vierten und fünften Hauptgruppe spielen für die Halbleiter-technik eine zentrale Rolle. Um die gewünschte elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, werden die Trägersubstanzen Silizium(Si) bzw. Germanium (Ge) mit Elementen der dritten bzw. der fünften Hauptgruppe gezielt verunreinigt (dotiert). Die Dotie-rung mit Bor (B), Indium (In), Aluminium (Al) oder Gallium (Ga) lässt ein p-Gebiet entstehen, während die Verunreinigungmit Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) oder Bismut (Bi) ein n-Gebiet erzeugt.

chen Halbleiterkristall mehr Elektronen als Elektronenlöcher vorhandensind, spielen erstere die Rolle des Majoritätsträgers und letztere die desMinoritätsträgers. Aufgrund des negativen Vorzeichen des Majoritäts-trägers sprechen wir im Falle eines Elektronenüberschussleiters auchvon einem n-Leiter.

Wird der Siliziumträger nicht mit Elementen aus der fünften, sondernmit Elementen aus der dritten Hauptgruppe des Periodensystems do-tiert, so entsteht ein Elektronenmangelleiter. Die in Frage kommendenElemente Bor, Indium, Aluminium oder Gallium besitzen mit 3 Valenz-elektronen in der M-Schale ein Elektron weniger als der Silizium- oderder Germaniumträger. Wie in Abbildung 2.11 demonstriert, erzeugt derEinbau der Fremdatome künstliche Löcher innerhalb des Kristallgitters.Diese können Elektronen an sich ziehen und werden aufgrund dieser Ei-genschaft als Akzeptoren bezeichnet. Anders als im Falle des n-Leitersspielen jetzt nicht mehr die Elektronen, sondern die Elektronenlöcherdank ihrer zahlenmäßigen Überlegenheit die Rolle des Majoritätsträ-gers. Gemäß ihrer positiven Ladung sprechen wir jetzt von einem p-Leiter.

Sachwortverzeichnis

Symbole2-Bit-Prädiktion, 3932-aus-5-Code, 842421-Code, 837-Segment-Anzeige, 80, 13574210-Code, 84, 858421-Code, 81

AAbakus, 13, 415Abgeleiteter Operator, 97Abhängige Variable, 94Absolute Adressierung, 381Absoluter Sprung, 317Absorptionsgesetz, 109Addierer, 218, 415

Carry-look-ahead-, 221, 263Carry-ripple-, 220, 263Carry-save-, 229Conditional-Sum-, 224Präfix-, 227serieller, 333

Additionssystem, 60, 415Adressbus, 356, 360, 415Adressdecoder, 320Adresse, 254Adressierung

absolute, 381indirekte, 381postinkrementierende, 386relative, 381speicherindirekte, 382

Adressierungsart, 381, 415Adressierungsgranularität, 318Adressmodifikator, 347Adressmultiplexing, 323Adresspin, 323Äquivalenz, 100

Äquivalenz-Operation, 99Aiken-Code, 81, 83Akkumulator, 305, 337, 415Akzeptor, 40, 286, 415Algorithmus

Euklidischer, 375Allgemeingültigkeit, 100Allzweckregister, 415Alphabet

Ausgabe-, 286Eingabe-, 286

Alpha-Teilchen, 328, 334Analytische Maschine, 16Anstiegszeit, 170Antivalenz-Operation, 99Antivalenzfunktion, 125, 157, 215Arabisches System, 61Architektur

Big-Endian-, 68EM64T-, 380Harvard-, 20, 353, 361IA-32-, 380IA-64-, 380Little-Endian-, 68Load-Store-, 385PowerPC-, 386Von-Neumann-, 352x86-, 379

Arithmetisch-logische Einheit, 251, 415ASCC, 19Assembler, 353, 415Assembler-Sprache, 416Assoziativer Cache, 396Assoziativgesetz, 110Asynchroner Zähler, 313, 330Asynchrones RS-Latch, 267Atom, 34Auffangregister, 300, 416Auflösungsgenauigkeit, 75, 77Aufzugssteuerung, 343, 350

Ausdruckäquivalenter, 100allgemeingültiger, 100boolescher, 96erfüllbarer, 100tautologischer, 100

Ausführungsphase, 359Ausgabealphabet, 286Ausgabefunktion, 286Ausgaberegister, 337Ausgabeschaltnetz, 290Ausgangslastfaktor, 155Ausgangssignal, 140Automat

Akzeptor, 286endlicher, 286Mealy-, 288Moore-, 288Transduktor, 286

Axiomevon Huntington, 90von Robbins, 91

BBack-end of line, 54Backus-Naur-Form, 356Bändermodell, 36Bank, 324Bank select, 326Barrel-Shifter, 249, 259, 416Basis, 43, 61, 416Basistechnologie, 140

ECL, 141MOS, 141TTL, 140

Baumstruktur, 96BCD-Code, 81, 192, 259, 416BDD, 125, 158Bedingter Sprung, 343, 363

440 Sachwortverzeichnis

Befehlsausführungspekulative, 392

Befehlsdecoder, 251Befehlsholphase, 359Befehlssatz, 352, 416Benchmark, 402, 416

Dhrystone-, 403Eispack-, 404Lapack-, 404Linpack-, 401, 404natürlicher, 403SPEC-, 404synthetischer, 403Whetstone-, 403

Benchmark-Kollektion, 402Berechnungsmodell

universelles, 352, 363Bevorrechtigte Eingänge, 416Bevorrechtigter Eingang, 281Bidirektionaler Zähler, 308Big-Endian, 416Big-Endian-Architektur, 68Bindungsenergie, 36, 416Bindungslücke, 38Bindungspriorität, 99Binärcode, 416Binärcodiertes Dezimalsystem, 80Binäres Entscheidungsdiagramm, 125,

158, 416geordnetes, 126reduziertes, 127

Binärsystem, 62, 416Binärzähler, 308Bipolartransistor, 416Biquinär-Code, 84, 85Bit, 67, 416Blockbildung, 189

inverse, 193Blockmultiplikation, 338, 349, 417Blue tape, 55Bohr’sches Atommodell, 34Boolesche Algebra, 90, 417

Mengenalgebra, 91Schaltalgebra, 90, 93

Boolesche Differenz, 130Boolesche Funktion, 94, 417Boolesche Konstanten, 417Boolescher Ausdruck, 96, 417

Branch prediction table, 393Brown’sche Molekularbewegung, 38Buffer, 170Bug, 20Bus, 417Bus-Knoten, 355Bus-Topologie, 355Byte, 67, 417

CCache, 393

assoziativer, 396-Block, 394-Controller, 393direkt abgebildeter, 394-Hit, 393, 395Level-n-, 394-Miss, 393, 395-Speicher, 417vollassoziativer, 409

Carry-Bit, 218, 358, 364Carry-look-ahead-Addierer, 221, 263,

417Carry-ripple-Addierer, 220, 263, 417Carry-save-Addierer, 229, 417Carry-save-Format, 229, 238, 417Carry-save-Multiplizierer, 238, 417Cell delay, 170Cell-Prozessor, 30Central processing unit, 27, 352, 356Charakteristik, 75, 417Charakteristische Funktion, 163, 418Chipausbeute, 53Chip select, 326Church’sche These, 363CISC, 405, 418CISC-Prozessor, 380Clock enable, 281CMOS-Schaltung, 151, 282CMOS-Technik, 418Code, 418

2-aus-5-, 842421-, 8374210-, 84, 858421-, 81Aiken-, 81, 83

BCD-, 81, 192, 259Biquinär-, 84, 85einschrittiger, 83Excess-3-, 81fehlererkennender, 84Glixon-, 88Gray-, 81, 83, 187, 288, 291Hamming-, 329m-aus-n-, 85mehrschrittiger, 83One-Hot-, 84, 85, 368progressiver, 83reflektierter Biquinär-, 84, 85Stibitz-, 81Walking-, 85

Code-Distanz, 85Column address strobe, 323Compiler, 353Conditional-Sum-Addierer, 224, 418Core microarchitecture, 30CPI-Wert, 401CPU, 27, 352, 356Current window pointer, 406

DD-Flipflop, 277D-Latch, 272Dadda-Tree-Multiplizierer, 246, 418Data line, 320Datenbus, 355, 418Datenfluss, 356

rückgekoppelter, 337Datenregister, 365Datenspeicher, 361Datenwort, 336Davio-Entwicklung

negative, 130positive, 130

DCTL, 142DDR-RAM, 326De Morgan’sche Regel, 107, 111

erweiterte, 134Decode, 359, 388Decoder, 212, 346Decodierphase, 359Defektdichte, 53


Defektelektron, 38Definitorische Form, 418Delay

Cell, 170Net, 171

Demultiplexer, 211, 257, 418Dezimalsystem, 61, 418

binärcodiertes, 80Dhrystone-Benchmark, 403Dicing, 55Die, 55Differenzenmaschine, 15Differenzenmethode, 15Digitaler Signalprozessor, 74, 251Digitaltechnik, 140DIMM, 321DIN

40900, 15766000, 97

Diode, 41, 418Direkte Kommunikation, 354Direkter Sprung, 363Disjunktion, 93Disjunktions-Matrix, 253Disjunktive Minimalform, 418Disjunktive Normalform, 119, 212, 419Displacement, 382, 419Distanz

Code-, 85Hamming-, 85, 329

Distributivgesetz, 91Division, 259Don’t-Care-Belegung, 192, 199, 419Donator, 39Doppelnegationsgesetz, 110Dot diagram, 244Dotierung, 39, 419Double-precision-Format, 77Drain, 47DRAM, 27, 320, 419DTL, 142Duale Gleichung, 107Dualer Operator, 108Dualitätsprinzip, 105, 107, 419Dynamische Sprungvorhersage, 393Dynamischer Hazard, 419Dynamischer Speicher, 320

EE-Flipflop, 296ECL-Technik, 141Eigenleitung, 39Ein-/Ausgabebaustein, 354Einerkomplement, 70, 419Eingabealphabet, 286Eingaberegister, 337Eingang

bevorrechtigter, 281-ssignal, 140-slastfaktor, 155

Einkristall, 38Einschrittiger Code, 83Einsmenge, 120, 419Einzelkernprozessor, 352Eispack-Benchmark, 404Electronic Design Automation, 171Elektron

Paarbildung, 38Rekombination, 38

Elektronenloch, 38Elektronenmangelleiter, 40Elektronenstrom, 39Elektronenüberschussleiter, 39Elementaroperatoren, 419Eliminationsgesetz, 109ELSI, 25EM64T, 419EM64T-Architektur, 380Emitter, 43Emitter-Basis-Strecke, 43Emitter-Kollektor-Strecke, 43Enable-Eingang, 213Encoder, 346Endlicher Automat, 286, 419Endlosschleife, 368ENIAC, 20Entscheidungsdiagramm, 419

Binäres, 125, 158funktionales, 130, 159

Entwicklungssatzvon Shannon, 127

Erfüllbarkeit, 100Erholzeit, 323ESI, 386

Espresso, 199Euklidischer Algorithmus, 375Excess-3-Code, 81Execute, 359, 388Exponent, 74, 420Extended-precision-Format, 79Extra-large-scale integration, 25

FFallzeit, 170Fan-In, 155Fan-Out, 155FDD, 130, 159FDIV-Bug, 74Feedback loop, 282Fehlererkennender Code, 84, 420Fehlererkennung, 327Fehlerkorrektur, 327Fehlerkorrigierender Code, 420Feldeffekttransistor, 47, 420Ferritkernspeicher, 24Festkommaformat, 18, 73, 420Festwertspeicher, 254FET, 47Fetch, 359, 388Finalzustand, 286Flächenbedarf, 184Flanke, 170Flankensteuerung, 274


FlaschenhalsVon-Neumann-, 356

Fließbandprinzip, 388Fließkommazahl, 74Flip-Chip-Verfahren, 56, 425Flipflop, 274, 420

D-, 277E-, 296JK-, 279Master-, 276RS-, 276Slave-, 276T-, 278

Floating state, 145Flynn-Taxonomie, 378, 420


Folgeadresse, 347Formelsynthese, 161, 420

definitorische, 164funktionale, 161relationale, 163

Freie Variable, 94Frequenzteiler, 310Front-end of line, 53Funktion

charakteristische, 163partielle, 190

Funktionales Entscheidungsdiagramm,130, 159, 420

Funktionseinheit, 337Funktions-Hazard, 174, 421Funktionstabelle, 94

GGate, 47Gatter, 156, 421Gatternetzliste, 157Gauß’sche Summenformel, 104, 223Gesetz von Moore, 32ggT, 375Gibi, 64Giga-scale integration, 25Gleichheitstest, 69Gleichung

duale, 107Gleitkommadivision, 74Gleitkommaformat, 18, 74, 421Glixon-Code, 88GPU, 74, 407Grafikprozessor, 74, 407Grammatik, 96Gray-Code, 81, 83, 187, 288, 291GSI, 25

HHalbaddierer, 218, 421Halbleiter, 34, 421

dotierter, 39reiner, 37

Hamming-Code, 329Hamming-Distanz, 85, 329, 421

Hamming-Würfel, 85Handshaking, 325Handshaking-Protokoll, 349Hardware-Schaltung, 140

Hazard-freie, 194Stromverbrauch, 174, 184Zeitverhalten, 169

Hardware-Schleife, 382Harvard-Architektur, 20, 353, 361, 421Harvard Mark I, 19Hazard, 171, 194, 421

-frei, 194dynamischer, 172funktionaler, 174Logik-, 194logischer, 172Pipeline-, 391statischer, 171

Hexadezimalsystem, 63, 421High-Pegel, 142High-Pegelbereich, 142Hilfsregister, 357Hitzesensor, 384Hochintegration, 140Huffman-Normalform, 290, 421Huntington’sche Axiome, 90, 421

II/O, 354IA-32-Architektur, 380, 422IA-64-Architektur, 380, 422Idempotenzgesetz, 109IEEE 754, 422IEEE-754, 77Implikationsoperator, 99, 118Indirekte Adressierung, 381Indirekte Kommunikation, 355Individualisierung, 253Induktion

strukturelle, 102vollständige, 102

Ingot, 51, 422Initialzustand, 286Inkrementierer, 232, 422Input/Output, 354Instabiler Zustand, 269

Instruktionsarchitektur, 379, 422CISC-, 380RISC-, 384

Instruktionsdecoder, 356, 368, 376, 422Instruktionsregister, 365Instruktionszähler, 316, 358, 365, 422Integrationsdichte, 57, 58, 422Integrierter Schaltkreis, 26Intel, 27Interleaving, 324Interrupt, 328Intervallgrenze, 75Inverses Element, 91Inversionszone, 49Ion, 35IPC-Wert, 401

JJFET, 47JK-Flipflop, 279

KKanallänge, 57, 58, 422Karnaugh-Veitch-Diagramm, 186, 422Kerbensystem, 60, 422kgV, 375Kibi, 64Koeffizienten-Matrix, 235Kofaktor, 422

negativer, 128positiver, 128

Kollektor, 43Kombinatorische Schaltung, 157Kommunikation

direkte, 354indirekte, 355

Kommutativgesetz, 91Komparator, 213, 259, 422Komplexgatter, 175Komplexitätsanalyse, 167Kondensator, 320, 327Konjunktion, 93Konjunktions-Matrix, 253Konjunktive Minimalform, 423Konjunktive Normalform, 119, 423


Konklusion, 99Konsistenzfunktion, 164Kontrollbus, 356Kontrollfluss, 356Korrektur-Tetrade, 82Kostenfunktion, 184, 423Kreuzprodukt, 407Kristallgitter, 37KV-Diagramm, 186

dreidimensionales, 196

LLabel, 348Ladung, 320, 327Lapack-Benchmark, 404Large-scale integration, 25Lastfaktor, 155Latch, 274, 423

D-, 272RS-, asynchrones, 267RS-, synchrones, 272

Laufzeit, 184Layer, 54Leckstrom, 151, 321Leistungsbewertung, 399Leitungsband, 36Leitungselektron, 36Level-n-Cache, 394Linpack-Benchmark, 401, 404Literal, 119, 423Little-Endian, 423Little-Endian-Architektur, 68Load-Store-Architektur, 385, 423Löcherstrom, 39Lochkarte, 16Lochstreifen, 18Logik

-ebene, 156-gatter, 156-polarität, 144-zelle, 156negative, 143positive, 143

Logik-Hazard, 172, 194, 423Logikpolarität, 423Low-Pegel, 142

Low-Pegelbereich, 142LSI, 25

Mm-aus-n-Code, 85Mainframe, 25Majoritätsträger, 40Makro, 368Manchester Mark I, 23Mantisse, 73, 423Maschinenbefehl, 423Master-Flipflop, 276Master-Slave-Flipflop, 276, 423Matrix

Disjunktions-, 253Koeffizienten-, 235Konjunktions-, 253

Matrixmultiplizierer, 235, 261, 423Maxterm, 119, 424Mealy-Automat, 288, 424Mebi, 64Medium-scale integration, 25Mehrkernprozessorsystem, 352Mehrphasentaktgeber, 365, 376Mehrschrittiger Code, 83Mengenalgebra, 91MFLOPS, 401Micromosaic, 25Mikroprogramm, 347, 384Mikroprogrammierung, 18, 343, 424Mikroprozessor, 27, 352, 356, 424Mikrorechner, 352MIMD, 378Minicomputer, 26Minimierung, 424

grafische, 186mehrstelliger Funktionen, 196partieller Funktionen, 190, 199tabellarische, 197

Minimierungsziel, 182Minoritätsträger, 40Minterm, 119, 212, 253, 424MIPS, 401Mischzähler, 314MISD, 378Mnemonic, 424

ModeNibble, 324Page, 324

Modellfunktionales, 156

Modellprozessor, 360Modulo-Operation, 375Moore’s law, 32Moore’sches Gesetz, 32, 424Moore-Automat, 288, 424MOS-Schaltung, 145MOS-Technik, 141, 424MOSFET, 424

n-Kanal-, 145p-Kanal-, 145

MSI, 25Multiple Instruction

Multiple Data, 378Single Data, 378

Multiplexer, 207, 256, 337, 424Multiplexing, 28Multiplikation, 259, 367Multiplizierer, 234, 424

Carry-save-, 238Dadda-Tree-, 246Matrix-, 235, 261Wallace-Tree-, 241

Multiprozessorsystem, 352, 395, 398MWIPS, 403

Nn-Kanal, 49n-Kanal-JFET, 47n-Leiter, 40Nachkommanormalisierung, 76NaN, 79NAND-Funktion, 99Napierstäbchen, 14Negation, 93, 252Negationskreis, 157Negationstheorem, 106Negative Logik, 143, 424Negative-Bit, 364Negative-Flag, 358Net delay, 171Netzliste, 157


Neunerkomplement, 82, 85Neutrales Element, 91Nibble mode, 324NMOS-Schaltung, 148NMOS-Technik, 425NOR-Funktion, 99NOR-Gatter, 268Normalform, 102, 425

disjunktive, 119, 212konjunktive, 119Reed-Muller-, 122

Normalisierung, 425Nachkomma-, 76Vorkomma-, 76

Normalisierungsregel, 76Not a number, 79NP-hart, 199Nullmenge, 120, 425

OODER-Matrix, 376ODER-Verknüpfung, 93OFDD, 130, 159Offsetzähler, 308O-Kalkül, 167, 425Oktalsystem, 62, 425One-Hot-Code, 84, 85, 368, 425Opcode, 19Opcode-Feld, 387Operationswerk, 338, 425Operationswerksynthese, 338Operator

abgeleiteter, 97dualer, 108

Operatorensystemvollständiges, 97, 117

Pp-Kanal-JFET, 47p-Leiter, 40p-Wanne, 53Packaging, 55, 425Page, 322Page miss, 397Page mode, 324

Parallele Präfix-Funktion, 216Parallelmultiplizierer, 425Paritätsbit, 125, 328Paritätscode, 125Paritätsfunktion, 125, 157, 215Partialprodukt, 234, 239Partielle Funktion, 425Patriot-Abwehrsystem, 66Peirce-Funktion, 99Performance rating, 401Pipeline, 18, 388, 426

-Hazard, 391flush, 393Superpipelining, 390, 408

Pipeline-Hazard, 425Pixel-Shader, 407PLA, 253Planartechnik, 50, 52, 426PLD, 253PMOS-Schaltung, 145PMOS-Technik, 426pn-Übergang, 41, 426Polaritätsindikator, 144Positive Logik, 143, 426Postinkrement, 381Postinkrement-Adressierung, 386PowerPC-Architektur, 386Prädikatenlogik, 165Prädiktion

2-Bit-, 393Präfix-Addierer, 227, 426Präfix-Funktion

parallele, 216Präfix-Logik, 215, 426Präfix-Schreibweise, 63Prämisse, 99Primblock, 190Primimplikant, 190Primimplikantentafel, 198Program counter, 358Programmable logic array, 253Programmable logic device, 253Programmierbare Logik, 253, 258, 426Programmspeicher, 361Programmsteuerung, 352Programmzähler, 316Progressiver Code, 83Protected mode, 29

Prüfbit, 329Pseudo-Tetrade, 81Puffer, 170Punktdiagramm, 243

QQuantor, 426

boolescher, 165Quine-McCluskey-Verfahren, 197, 426Quine’sche Tabelle, 197

RRadioaktive Strahlung, 328Radix-4-SRT-Division, 74RAM, 318, 426Random access memory, 318Range gate, 66Rank, 326Rationale Zahl, 63Raumladungszone, 41Read-only memory, 254Read-Signal, 319Rechenregel, 102

abgeleitete, 109Rechenwerk, 356, 426Rechner, 352Rechnerklassifikation

nach Flynn, 378nach Instruktionsarchitektur, 379

Rechteckschwingung, 271Reduktionszelle

Carry-save-, 230, 239Reed-Muller-Normalform, 122, 426Reflektierter Biquinär-Code, 84, 85Refresh-Logik, 327

erweiterte, 329Regel

von De Morgan, 107, 111Register, 300, 337, 427

Akkumulator-, 305Auffang-, 300Ausgabe-, 337Daten-, 365Eingabe-, 337Hilfs-, 357


Instruktions-, 365Schiebe-, 302Stapel-, 358Status-, 358, 363Umlauf-, 303Universal-, 304, 357

Register-Transfer-Ebene, 336, 427Register-Transfer-Entwurf, 427Registerbreite, 300, 360Registerfenster, 406Registersatz, 356Rekonfigurierbarer Speicher, 384Rekonvergenz, 161, 172, 427Relais, 17Relative Adressierung, 381Relativer Sprung, 317, 363Reset, 281, 331, 350, 427Resistor, 43Resistor-Transistor-Logik, 142Ringzähler, 303RISC, 405, 427RISC-Prozessor, 384Robbins-Algebra, 91ROBDD, 125, 158Röhre, 22ROM, 254, 427Römische Zahlen, 60, 427Row address strobe, 323RS-Flipflop, 276RS-Latch

asynchrones, 267synchrones, 272

RTL, 142Rückkopplungsschleife, 282Rücksprungadresse, 358Rückwärtszähler, 308Rundungsfehler, 67

SSchalenmodell, 34Schaltalgebra, 90, 93, 427Schaltfunktion, 94Schaltkreis, 427

integrierter, 26Schaltkreisfamilie, 140, 427Schaltnetz, 157, 427

Ausgabe-, 290Hazard-freies, 194Übergangs-, 289zweistufiges, 158

Schaltungkombinatorische, 157sequenzielle, 266

Schaltungssynthese, 156, 428BDD-basierte, 158FDD-basierte, 159zweistufige, 157

Schaltwerk, 266, 428Schaltwerksynthese, 285, 289Schickard’sche Rechenuhr, 14Schiebeoperation, 234Schieberegister, 302, 428

rotierendes, 250Schrankensteuerung, 350Schrittlänge, 308Schrittzählung, 317Schwebezustand, 145Scrubbing, 329SDR-RAM, 326SDRAM, 325Seite, 322Sequencer, 365, 428Sequenzielle Schaltung, 266Sequenzielles Element, 266Shader, 407Shannon’scher Entwicklungssatz, 127,

428Sheffer-Funktion, 99Sheffer-Stroke, 117Signal

Ausgangs-, 140Eingangs-, 140

Signalausbreitung, 169Signalflanke, 170Signalpfad, 336Signalverzögerung, 169SIMD, 378, 407SIMM, 321Single cristal, 38Single Instruction

Multiple Data, 378Single Data, 378

Single-precision-Format, 77SISD, 378

Slave-Flipflop, 276SLSI, 25Small-scale integration, 25Soft error, 328Soroban, 13Source, 47SPARC-Prozessor, 406SPEC-Benchmark, 404SpeedStep-Technologie, 384Speicher, 318, 428

Cache-, 393Daten-, 361DDR-, 326dynamischer, 320Programm-, 361rekonfigurierbarer, 384SD-, 325SDR-, 326statischer, 318virtueller, 397

Speicherbank, 324Speicherchip, 321Speicherelement, 266, 428

asynchrones, 267D-Flipflop, 277D-Latch, 272einflankengesteuertes, 275flankengesteuertes, 274JK-Flipflop, 279RS-Flipflop, 276RS-Latch

asynchrones, 267synchrones, 272

T-Flipflop, 278taktzustandsgesteuertes, 271zweiflankengesteuertes, 275

Speicherhierarchie, 394, 428Speicherindirekte Adressierung, 382Speichermatrix, 322Speicherordnung, 68, 428Speicherphase, 359Speicherschleife, 282Speicherseite, 322Speicherzeit, 169Spekulative Befehlsausführung, 392Spin-Coating-Verfahren, 52Sprung

absoluter, 317


bedingter, 343, 363direkter, 363relativer, 317, 363unbedingter, 363

Sprungbedingung, 347Sprungbefehl, 358, 367Sprungvorhersage, 393, 428

dynamische, 393SRAM, 318, 428SRT-Division, 74SSI, 25Stabiler Zustand, 269Stack, 358Stapel, 358Stapelregister, 428Startzustand, 286Statischer Hazard, 428Statischer Speicher, 318Statusbit, 429Statusregister, 358, 363, 429Statusvariable, 338Stellensystem, 61Stellenwertsystem, 61, 429Stelligkeit, 94Stellvariable, 338Steuerbus, 429Steuerflussabhängigkeit, 392, 408, 429Steuerlogik, 337Steuersignal, 354Steuervariable, 338, 347Steuerwerk, 338, 356, 429

-synthese, 340adressmodifizierendes, 346fest verdrahtetes, 343, 349mikroprogrammiertes, 343, 349

Stibitz-Code, 81Strahlung

radioaktive, 328Strichsystem, 60Stromverbrauch, 174, 184Strukturbreite, 57, 429Strukturelle Induktion, 102, 429Stschoty, 13Störimpuls, 171, 194Suan pan, 13Subtrahierer, 233, 429Subtraktionsregel, 60Suffix-Notation, 63

Summenbit, 219Super-large-scale integration, 25Supercomputer, 404Superpipelining, 390, 408, 429Superskalartechnik, 391, 408, 429Swizzle-Maske, 407Synchroner Zähler, 309, 331Synchrones RS-Latch, 272Synergistic Processing Unit, 30Synthese

Operationswerk-, 338Schaltwerk-, 285Steuerwerk-, 340

System/360, 25

TT-Flipflop, 278T-Glied, 154Takt, 372, 429

differenzieller, 326Taktflankensteuerung, 274Taktfrequenz, 271, 399Taktgeber

Mehrphasen-, 376Taktsignal, 271Taktzustandssteuerung, 271Tautologie, 100, 429Taxonomie

nach Flynn, 378nach Instruktionsarchitektur, 379

Teile-und-herrsche, 224Terminal, 27Tetrade, 81Tetraden-Code, 80Timing closure, 171Top-500-Liste, 404Transduktor, 286, 430Transistor, 23, 42, 156, 320, 430Transistorebene, 156Transition, 269Transmissionsglied, 154Triode, 22Trägermenge, 91TTL-Technik, 140Turing-Maschine, 363

UÜberdeckung

minimale, 198Übergangsschaltnetz, 289Übergangstabelle, 273, 430Überhitzungsschutz, 384Übertragsadditionsregel, 70Übertragsbit, 218

Rekursionsschema, 221Übertragslogik, 314ULSI, 25Ultra-large-scale integration, 25Umladestrom, 151, 174Umlaufregister, 303, 330Unbedingter Sprung, 363UND-Verknüpfung, 93Universalregister, 304, 357, 430Universelles Berechnungsmodell, 352,

363Unterprogrammaufruf, 358, 406

VVakuumröhre, 22Valenzband, 37Valenzelektron, 36Variable

abhängige, 94freie, 94Status-, 338Stell-, 338Steuer-, 338, 347

Variablenbelegungbenachbarte, 186inkonsistente, 164konsistente, 164

Vektorrechner, 378Venn-Diagramm, 92Verdrängungsstrategie, 397Verlustleistung, 151Vertex-Shader, 407Very-large-scale integration, 25Verzögerung

RAS/CAS, 323Verzögerungsglied, 271Verzögerungslogik, 392


Verzögerungszeit, 169Virtueller Speicher, 397, 430VLIW-Prozessor, 391VLSI, 25Volladdierer, 218, 430Vollassoziativer Cache, 409Vollständige Induktion, 102, 430Vollständiges Operatorensystem, 97,

117, 430Von-Neumann-Architektur, 23, 352, 430Von-Neumann-Flaschenhals, 356, 430Von-Neumann-Rechner, 430Vorkommanormalisierung, 76, 78Vorwärtszähler, 308Vorzeichenbitdarstellung, 69, 234, 431

WWafer, 51, 53, 431Wahrheitstabelle, 94, 431Wahrheitstafel, 94Walking-Code, 85Wallace-Tree-Multiplizierer, 241, 431Wärmeentwicklung, 151Wartezyklus, 392, 408, 431Whetstone-Benchmark, 403Widerstand

spezifischer, 37Wire-Bond-Verfahren, 56Wiring layer, 54Word line, 320Write, 388Write back, 359Write enable, 371

Write-In-Strategie, 398Write-Through-Strategie, 397

Xx86-Architektur, 379, 431XLSI, 25XOR-Verknüpfung, 99

ZZ3, 17Zahlencode, 80Zahlendarstellung

explizite, 77gepackte, 77implizite, 77ungepackte, 77

Zahlenformat, 431äquidistantes, 74Auflösungsgenauigkeit, 75Festkommadarstellung, 73Gleitkommadarstellung, 74rechnerinternes, 67

Zahlensystem, 60, 431b-adisches, 62binäres, 62eineindeutiges, 69hexadezimales, 63oktales, 62redundantes, 69symmetrisches, 69unäres, 60

Zähler, 308, 431

asynchroner, 313, 330bidirektionaler, 308Binär-, 308gemischter, 314Instruktions-, 316, 358, 365Offset-, 308synchroner, 309, 331

Zeitdiagramm, 268, 431Zeitverhalten, 169Zellbibliotheken, 185Zelle, 156Zentraleinheit, 352Zero-Bit, 358, 364Ziffer, 60Zugriffszeit

CAS-, 323RAS-, 323

Zustand-smenge, 286-ssteuerung


-svariable, 267-svektor, 285-sübergang, 269-sübergangsfunktion, 286-sübergangsgraph, 269instabiler, 269, 294stabiler, 269, 294

Zustandsvariable, 431Zweierkomplement, 71, 233, 252, 431Zweistufiges Schaltnetz, 431Zwischenglied, 140Zykluszeit, 323Zählrichtung, 308

Grundlagen der Technischen...

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