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Leseprobe
Dirk W. Hoffmann
Grundlagen der Technischen Informatik
ISBN (Buch): 978-3-446-44867-4
ISBN (E-Book): 978-3-446-44903-9
Weitere Informationen oder Bestellungen unter
http://www.hanser-fachbuch.de/978-3-446-44867-4
sowie im Buchhandel.
© Carl Hanser Verlag, München
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.
36 2 Halbleitertechnik
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.
38 2 Halbleitertechnik
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.
40 2 Halbleitertechnik
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
Sachwortverzeichnis 441
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
negative, 275positive, 275
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
442 Sachwortverzeichnis
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
Sachwortverzeichnis 443
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
444 Sachwortverzeichnis
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
Sachwortverzeichnis 445
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
446 Sachwortverzeichnis
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
Sachwortverzeichnis 447
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
negative, 274positive, 274
-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
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