Digitale Rechenanlagen: Grundlagen / Schaltungstechnik / Arbeitsweise Betriebssicherheit

ISBN-13: 9783642929540 / Niemiecki / Miękka / 2011 / 454 str.

Ambros P. Speiser; Ambros P. Speiser

Spis treści

I. Grundlagen.- I.1 Abgrenzung einer digitalen Rechenanlage.- I.2 Historisches.- I.3 Die Darstellung von Zahlen.- I.3.1 Dezimalsystem und Dualsystem.- I.3.2 Das Rechnen im Dualsystem.- I.3.3 Die Verschlüsselimg von Dezimalzahlen.- I.3.4 Weitere Begriffe.- I.4 Boolesche Algebra.- I.5 Logische Schaltkreise.- I.5.1 Die Vereinfachung von Booleschen Ausdrücken.- I.5.2 Logische Grundschaltungen und ihre Kombinationen.- I.5.3 Praktische Einschränkungen.- I.5.4 SchweUwertlogik.- I.5.5 Zeitabläufe.- I.5.6 Temäre Logik.- I.6 Der Gesamtaufbau einer Rechenanlage.- I.7 Programmierung und Programmablauf.- I.8 Datenverarbeitung und nichtnumerische Anwendungen.- II. Zur Systematik der Funktionen und Bauteile.- II.1 Technische und organisatorische Fragen.- II.2 Die elektrischen Schaltelemente.- III. Elektrische Grundschaltungen.- III.0 Die Zusammenarbeit von elektrischen Grundschaltungen.- III.0.l Die sechs fundamentalen Funktionen.- III.0.2 Die Uhr.- III.0.3 Kurze Impulse und statische Signale.- III.0.4 Verknüpfung von statischen Signalen.- III.0.5 Verknüpfung und Regeneration von kurzen Impulsen.- III.0.6 Schieberegister.- III.0.7 Asjmchrone Arbeitsweise.- III.0.8 Impedanzen.- III.1 Dioden.- III.1.1 Eigenschaften von Halbleiterdioden.- III.1.2 Einfache Gatter.- III.1.3 Kaskadierimg von Diodengattem.- III.1.4 Matrizen.- III.2 Transistoren.- III.2.0 Die Eigenschaften von Transistoren.- III.2.0.0 Die Arten von Transistoren.- III.2.0.1 Die Gleichstrom-Charakteristiken.- III.2.0.2 Die Wechselstrom-Eigenschaften.- III.2.0.3 Die Sperrträgheit.- III.2.0.4 pnp- und npn-Transistoren.- III.2.1 Grundschaltungen.- III.2.1.1 Der Negator.- III.2.1.1 Der Emitterfolger.- III.2.1.3 Leistungsstufen.- III.2.1.4 Das Mipflop.- III.2.2 Verfahren zur Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit.- III.2.2.1 Die Sättigung des Transistors.- III.2.2.2 Kapazitäten.- III.2.2.3 ?-Grenzfrequenz und Laufzeit.- III.2.3 Gleichstromgekoppelte Schaltungssysteme.- III.2.3.1 Schaltkreise, die nur Transistoren enthalten.- III.2.3.2 Logische Verknüpfungen mit Widerständen.- III.2.3.3 Schaltungen mit Dioden und Transistoren.- III.2.3.4 Stromsteuerung.- III.2.3.5 Direkt gekoppelte Schaltkreise.- III.2.4 Wechselstromgekoppelte Schaltungssysteme.- III.2.4.1 Schaltkreise, die auf dem Prinzip des getasteten Verstärkers beruhen.- III.2.4.2 Ein zweiter getasteter Verstärker.- III.2.5 Sonderschaltungen für Parallel-Addierwerke.- III.2.6 Nanosekundenschaltungen und Mikroelektronik.- III.2.6.1 Die Notwendigkeit integrierter Baugruppen.- III.2.6.2 Integrierte Schaltkreise.- III.2.6.3 Baugruppen gemischter Herstellungsart.- III.3 Schaltungen mit Magnetkernen.- III.3.0 Die Eigenschaften von Magnetkernen.- III.3.1 Schieberegister.- III.3.1.1 Das Zweikem-Schieberegister.- III.3.1.2 Das Einkem-Schieberegister.- III.3.1.3 Diodenlose Schieberegister.- III.3.1.4 Die Impulsquellen.- III.3.2 Logische Schaltungen.- III.3.2.1 Schaltungen im Urstrombetrieb.- III.3.2.2 Schaltimgen im Urspannungsbetrieb.- III.3.2.3 Stromsteuerung.- III.3.3 Magnetkerne als Magnetverstärker.- III.3.4 Magnetkern-Schieberegister mit Transistoren.- III.3.5 Nicht ringförmige Magnetkerne.- III.4 Das Parametron.- III.4.1 Die Darstellung der Variablen.- III.4.2 Das Prinzip des Paramétrons.- III.4.3 Schieberegister.- III.4.4 Logische Verknüpfungen.- III.5 Relais.- III.5.1 Eigenschaften von Relais.- III.5.2 Grundschaltungen.- III.5.3 Kompliziertere Verknüpfungen.- III.5.4 Vermaschte Schaltungen.- III.5.5 Addierwerke mit durchgehendem Übertrag.- III.5.6 Zeithehe Abläufe.- III.6 Verfahren in Entwicklung.- III.6.1 Die Tunneldiode.- III.6.1.1 Die Eigenschaften von Tunneldioden.- III.6.1.2 Das Ersatzschaltbild und der bistabile Schaltkreis.- III.6.1.3 Schaltkreise.- III.6.1.4 Schaltungen mit Tunneldioden und Transistoren.- III.6.2 Feldsteuerungstransistoren.- III.6.3 Hydraulische und pneumatische Rechenelemente.- III.6.3.1 Logische Schaltungen mit Ventilen.- III.6.3.2 Hydrodynamische Elemente.- IV. Rechenoperationen.- IV.0 Allgemeines über den Aufbau von Rechenwerken.- IV.0.1 Zahlsysteme.- IV.0.2 Parallel- und Serien-Arbeitsweise.- IV.0.3 Einfachste Kombinationen von logischen Elementen….- IV.0.4 Umlaufregister.- IV.0.5 Der Gesamtaufbau des Rechenwerkes.- IV.0.6 Rechengeschwindigkeiten.- IV.0.7 Iterationsverfahren für den Reziprokwert und die Quadratwurzel.- IV. 1 Das Rechnen im Dualsystem.- IV. 1.1 Die Darstellung negativer Zahlen.- IV.1.2 Addition und Subtraktion.- IV. 1.2.1 Die erste Form des einsteUigen Addierwerkes.- IV. 1.2.2 Andere DarsteUungen.- IV. 1.2.3 Der durchlaufende Übertrag.- IV. 1.2.4 Zusammenfassung mehrerer Überträge.- IV. 1.2.5 Verwendung von Tetraden.- IV. 1.2.6 Subtraktion.- IV. 1.2.7 Anzeige des Überlaufs.- IV.1.3 Die Multiplikation.- IV.1.3.1 Der konventionelle Ablauf.- IV. 1.3.2 Verschiebungen und Subtraktionen.- IV.1.3.3 Die einschrittige Multiplikation.- IV. 1.3.4 Abkürzungen durch dichtere Reihenfolge der Additionen in Parallel-Maschinen.- IV. 1.3.5 Ein schnelles MultipMzierwerk für Serienmaschinen.- IV. 1.3.6 Die Verwendung von Vielfachen des Multiplikanden.- IV. 1.3.7 Negative Faktoren.- IV.1.4 Die Division.- IV. 1.4.1 Der konventionelle Ablauf.- IV.1.4.2 Division ohne Rückstellung des Restes.- IV. 1.4.3 Gleichzeitige Ermittlung mehrerer Quotientenstellen.- IV.1.5 Die Quadratwurzel.- IV. 1.5.1 Der konventionelle Ablauf.- IV. 1.5.2 Das Radizieren ohne Rückstellung des Restes.- IV. 1.6 Bemerkung über die Verwendung von Zahlsystemen mit der Basis 2a.- IV. 1.7 Das Übersetzen zwischen den Zahlöystemen.- IV. 1.7.1 Übersetzen, Rechnen im Dezimalsystem.- IV.1.7.2 Rückübersetzen, Rechnen im Dualsystem.- IV. 1.7.3 Übersetzen, Rechnen im Dualsystem.- IV. 1.7.4 Rückübersetzen, Rechnen im Dezimalsystem.- IV. 1.7.5 Das Übersetzen mit beweglichem Komma.- IV.2 Das Rechnen im Dezimalsystem.- IV.2.1 Die Darstellung von Dezimalzahlen.- IV.2.1.1 Prinzipien der tetradischen Codierung.- IV.2.1.2 Der Aiken-Code.- IV.2.1.3 Der Überschuß-3-Code.- IV.2.1.4 Der bmäre Code.- IV.2.1.5 Ein 2-aus-5-Code.- IV.2.1.6 Biquinäre und verwandte Codes.- IV.2.1.7 Alphanumerische Codes.- IV.2.2 Addition und Subtraktion.- IV.2.2.1 Dezimale Addierwerke.- IV.2.2.2 Die Darstellung negativer Zahlen.- IV.2.3 Die Multiplikation.- IV.2.3.1 Der einfachste Ablauf.- IV.2.3.2 Die Verwendung von Additionen und Subtraktionen.- IV.2.3.3 Die Verwendung von Vielfachen von MD.- IV.2.3.4 Speicherung der Vielfachen in Registern.- IV.2.3.5 Die Bildung der Vielfachen in Einmaleins-Tafeln.- IV.2.3.6 Die einschrittige Multiphkation.- IV.2.3.7 Ein schnelles MultipMzierwerk für Serienmaschinen.- IV.2.4 Die Division.- IV.2.4.1 Der konventionelle Ablauf.- IV.2.4.2 Die Division ohne Rückstellung des Restes.- IV.2.4.3 Die Verwendung von Vielfachen des Divisors.- IV.2.4.4 Vergleich von Rest und Divisor.- IV.2.4.5 Die Abschätzung der Quotientenzifíer.- IV.2.4.6 Zusammenstellung.- IV.2.5 Die Quadratwurzel.- IV.3 Festes und bewegliches Komma.- IV.3.1 Die Lage des festen Kommas.- IV.3.2 Das bewegliche Komma.- IV.3.2.1 Die Addition.- IV.3.2.2 Die Subtraktion.- IV.3.2.3 Die Multiplikation.- IV.3.2.4 Die Division.- IV.3.2.5 Die Quadratwurzel.- IV.3.2.6 Die Darstellung von 0 und das Rechnen mit Sonderwerten.- IV.3.2.7 Der Verzicht auf die Normalisierung nach der Subtraktion.- IV.4 Die Rundung.- IV.5 Die Steuerung der Operationsabläufe.- IV.5.1 Die Entsclilüsselung des Befehls.- IV.5.2 Steuerung mit Schieberegistern.- IV.5.3 Steuerung mit Zähler und Matrix.- IV.5.4 Eine flexiblere Anordnung.- IY.5.5 Mikroprogrammierung.- IV.6 Das Rechnen mit mehrfacher Genauigkeit.- IV.7 Die automatische Fehlerüberwachuiig.- IV.7.1 Die Arten der Fehlerüberwachung.- IV.7.2 Selbstprüfende Dezimal-Codes.- IV.7.3 Selbstkorrigierende Codes.- IV.7.4 Die ÜbermittlungskontroUe für ganze Worte.- IV.7.5 Die zweidimensionale Anwendung von Paritätsstellen zur Fehlerkorrektur.- IV.7.6 Arithmetische Kontrollen.- IV. 7.7 Die Wirkung einer Fehleranzeige.- V. Das Leitwerk und die Befehle.- V. l Das gespeicherte Programm.- V.2 Der Aufbau der Befehle.- V. 2.1 Die Teile eines Befehls.- V.2.2 Die Anzahl Adressen.- V.2.2.1 Einadreß-Maschinen.- V.2.2.2 Zweiadreß-Maschinen.- V.2.2.3 Dreiadreß-MascMnen.- V.2.2.4 Vieradreß-Maschinen.- V.2.3 Der Index.- V.2.4 Die Zusätze.- V.2.4.1 Das Befehlszeichen.- V.2.4.2 Die Verwendung eines zweiten Befehlszählers.- V.2.4.3 Ein Mittel zur relativen Adressierung.- V.2.4.4 Das Dekrement.- V.2.4.5 Die Extraktion.- V.2.4.6 DasQ-Zeichen.- V.2.4.7 Bedingungen.- V.2.4.8 Die Übermittlungskontrolle.- V.3 Indexregister.- V.3.1 Wirkung der Indexregister auf die Adresse im Befehl.- V.3.2 Veränderung des Inhalts der Indexregister.- V.3.3 Bedingte Befelile in Abhängigkeit der Indexregister.- V.3.4 Setzen und Ablesen der Indexregister.- V.4 Das Befehlsverzeichnis.- V.4.1 Arithmetische Operationen.- V.4.2 Logische Operationen.- V.4.3 Verschiebungen.- V.4.4 Ablaufbefehle.- V.4.5 Indexbefehle.- V.4.6 Eingabe- und Ausgabebefehle.- V.5 Mikroprogrammierung.- V.5.1 Beschreibung.- V.5.2 Der Mikroprogramm-Speicher.- V.5.3 Der Standptmkt des Benützers.- V.5.4 Das Verzeichnis der Mikrobefehle.- V.5.5 Funktionelle Bits im Mikrobefehlswort.- V. 6 Gesamtaufbau des Leitwerkes.- VI. Speicherwerke.- VI. 0 Allgememes.- VI. 0.1 Einteilung der Speicherverfahren.- VI. 0.2 Das Prinzip der Selektion.- VI. 0.3 Zugriff und Adressierung.- VI. 0.4 Massenspeicher.- VI. 0.5 Die automatische Fehlerüberwachung.- VI. 1 Magnetkemspeicher.- VI. 1.0 Die Eigenschaften von Magnetkernen.- VI.1.0.0 Die Arten von Magnetkernen.- VI. 1.0.l Die Hysteresekurve.- VI. 1.0.2 Die induzierten Spannungen.- VI.1.1 Die Selektion mit idealen Kernen.- VI.1.1.1 Stromkoinzidenz.- VI. 1.1.2 Speicher- und Lese Vorgang in der einfachsten Matrix.- VI. 1.1.3 Allgemeines über dreidimensionale Anordnmigen.- VI. 1.1.4 Ansteuerung von ganzen Worten in dreidimensionalen Anordnungen.- VI. 1.2 Die Ablesung von realen Kernen.- VI.1.2.1 Die Nach-Teilerregung.- VI. 1.2.2 Die Integration über einen ganzen Zyklus.- VI.1.2.3 Das Ausblenden.- VI. 1.2.4 Der Lese Verstärker.- VI. 1.3 Die Speisung der Selektionsleitungen.- VI.1.3.1 Die Selektionsströme.- VI. 1.3.2 Das Impulsprogramm und die zeitlichen Abläufe.- VI.1.3.3 Die Steuerimg mit Röliren und Transistoren.- VI. 1.3.4 Das Prinzip der magnetischen Steuermatrix.- VI.1.3.5 Matrizen erster Art.- VI. 1.3.6 Matrizen zweiter Art.- VI. 1.3.7 Lastverteilende Wähler.- VI. 1.3.8 Treiberschaltungen für Wählermatrizen.- VI.1.4 Übersicht über den ganzen Kernspeicher.- VI.1.5 Der wort-organisierte Zweikern-Speicher.- VI.1.5.1 Die einfache Wortorganisation.- VI.1.5.2 Der wort-organisierte Zweikem-Speicher.- VI.1.6 Ein Mehrpfad-Speicherelement.- VI.1.7 Gelochte Ferritplatten als Speicher.- VI.1.8 Mchtlöschende und Festwert-Speicher.- VI.1.8.1 Mchtlöschende Speicher.- VI.1.8.2 Festwertspeicher.- VI.2 Trommelspeicher.- VI.2.1 Das Prinzip des Magnettrommelspeichers.- VI.2.1.1 Der Aufbau.- VI.2.1.2 Die Anordnung der Speicherzellen.- VI.2.1.3 Die Zugriffszeit.- VI.2.1.4 Zahlenwerte.- VI.2.2 Der Magnetkopf.- VI.2.2.1 Aufzeiclmung und Ablesung.- VI.2.2.2 Die Form des Magnetkopfes.- VI.2.2.3 Der Feldverlauf.- VI.2.2.4 Schwebende Magnetköpfe.- VI.2.3 Die Arten der Aufzeichnung.- VI.2.3.1 Die Impulsschrift.- VI.2.3.2 Die Dauerstromschrift.- VI.2.3.3 Die modifizierte Dauerstromschrift.- VI.2.3.4 Die Wellenschrift.- VI.2.3.5 Die Uhrimpuls-Spur.- VI.2.4 Der Schreibverstärker.- VI.2.5 Die Leseschaltung.- VI.2.6 Die Kopfumschaltung.- VI.3 Hattenspeiclier.- VI.3.1 Prinzip des Plattenspeichers.- VI.3.1.1 Aufbau.- VI.3.1.2 Positionierung der Magnetköpfe.- VI.3.1.3 Anordnung der Speicherzellen.- VI.3.1.4 Die Zugriffszeit.- VI.3.1.5 Auswechselbare Plattensätze.- VI.3.1.6 Die Magnetschicht.- VI.3.1.7 Übersicht über einige Zahlenwerte.- VI.3.2 Der Magnetkopf.- VI.3.3 Die Aufzeichnung.- VI.3.4 Die Ablesung.- VI.4 Laufzeitspeicher.- VI.4.0 Prinzip.- VI.4.1 Quecksilberleitungen.- VI.4.2 Mckelleitungen.- VI.5 Magnetschicht-Speicher.- VI.5.1 Eigenschaften von Magnetschichten.- VI.5.2 Aufbau eines Speichers.- VI.5.3 Nichtlöschende Speicher.- VI.6 Verfahren in Entwicklung.- VI.6.1 DerTwistor.- VI.6.2 Speicher mit Tunneldioden.- VI.6.3 Kryotron-Speicher.- VI.6.3.1 Prinzip.- VI.6.3.2 Das Schichtkryotron.- VI.6.3.3 Schaltkreise.- VI.6.3.4 Speicher.- VI.6.3.5 Konstruktive Fragen.- VI.6.4 Massenspeicher.- VI.6.5 Assoziative Speicher.- VII. Eingabe und Ausgabe.- VII.1 Optische Anzeige.- VII.2 Schreibmaschinen.- VII.3 Zeilendrucker.- VII.3.1 Mechanische Druckwerke.- VII.3.2 Nichtmechanische Druckwerke.- VII.4 Lochstreifen.- VII.5 Lochkarten.- VII.6 Magnetbänder.- VII.6.1 Das eigentliche Magnetband.- VII.6.2 Der Magnetkopf.- VII.6.3 Die Aufzeichnung.- VII.6.4 Die Ablesung.- VII.6.5 Magnetbandeinheiten.- VII.6.6 Die Vermeidung von Fehlern.- VII. 6.7 Übersicht über einige Zahlenwerte.- VII. 7 Die Femübermittlung von Daten.- VIII. Organisation der gesamten Rechenanlage.- VIII.1 Länge und Struktur der Worte.- VIII.1.1 Die Wortlänge.- VIII.1.2 Aufbau der Worte.- VIII.2 Der Verkehr mit dem Speicherwerk.- VIII.2.1 Die Hierarchie von Speichern.- VIII.2.2 Das Prinzip des virtuellen Speichers.- VIII.2.3 ParaUele Speicher.- VIII.2.4 Die veränderhche Wortlänge.- VIII.3 Der Gesamtaufbau einer Anlage.- VIII.3.1 Gleichzeitig ablaufende Operationen.- VIII.3.2 Das Blockschema.- VIII.3.3 Die Rechengeschwindigkeit.- VIII.3.4 Programmunterbrechungen.- VIII.3.5 Simultanarbeit.- VIII.3.5.1 Midtiprogrammierung.- VIII.3.5.2 Multiprozessierimg.- VIII.4 Betriebssicherheit durch Redundanz.- VIII.5 Minimalmaschinen.- VIII.6 Nicht programmgesteuerte Digitalmaschinen.- IX. Betriebssicherheit.- IX.1 Fehlerursachen.- IX.2 Fehlerhäufigkeit.- IX.3 Der Entwurf betriebssicherer Schaltkreise.- IX.4 Programmierte Kontrollen und Korrekturen.- IX.5 Diagnostische Programme.- IX.6 Vorsorgliche Maßnahmen.

O autorze

Ambros P. Speiser diplomierte als Elektroingenieur an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich, habilitierte und war in leitender Stellung in der Industrieforschung bei IBM und bei BBC Brown Boveri (heute ABB) tätig. Er lehrte Computerwissenschaften an der ETH, war Präsident der Schweizerischen Akademie der Technischen Wissenschaften und ist Verfasser von Lehrbüchern über Computer und elektronische Schaltkreise.