Springers Lehrbücher der Informatik Herausgegeben von o. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerhard H. Schildt Technische Universität Wien
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Gerhard H. Schildt, Daniela Kahn, Christopher Kruegel, Christian Moerz Einführung in die Technische Informatik Unter Mitarbeit von Johann Klasek, Heinrich Pangratz, Alexander Redlein, Ulrich Schmid, Stefan Stöckler Zweite, überarbeitete und erweiterte Auflage
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o. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Ing. u. Ing. (grad.) Gerhard H. Schildt Daniela Kahn Christopher Kruegel Christian Moerz Institut für Rechnergestützte Automation Technische Universität, Wien, Österreich e-mail:
[email protected] Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. © 2003 und 2005 Springer-Verlag/Wien Printed in Austria SpringerWienNewYork ist ein Unternehmen von Springer Science + Business Media springer.at Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Produkthaftung: Sämtliche Angaben in diesem Fachbuch/wissenschaftlichen Werk erfolgen trotz sorgfältiger Bearbeitung und Kontrolle ohne Gewähr. Eine Haftung der Autoren oder des Verlages aus dem Inhalt dieses Werkes ist ausgeschlossen. Satz: Reproduktionsfertige Vorlage der Autoren Druck und Bindung: Grasl Druck & Neue Medien, 2540 Bad Vöslau, Österreich Gedruckt auf säurefreiem, chlorfrei gebleichtem Papier – TCF SPIN: 11377511
Mit 254 Abbildungen
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.
ISSN 0938-9504
ISBN-10 ISBN-13
3-211-24346-1 SpringerWienNewYork 978-3-211-24346-6 SpringerWienNewYork
ISBN 3-211-83853-8 1. Aufl. SpringerWienNewYork
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2.5
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2.5.2
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2.5.3
Open-Collector-Schaltungen
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ROM (Read Only Memory):
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2.5.5
Funktionsspeicher (ASICs)
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Schaltkreisebene
&
(Struktur) A A B
A
OUT C
Schaltkreisebene (Geometrie)
4 50 - -
" ! - 6 0 &
!" ! # ! $ " % & ' ( (
& ' 3.2.6
Der Aufbau einer VHDL-Beschreibung
) *+#!, , ! $ $ - Schnittstellenbeschreibung
% , . ! / 0 * 1 / Entity: eine Schnittstelle
Black Box
Verhaltens− beschreibung Architecture: Verhalten oder Struktur; eine oder mehrere Alternativen
Configuration: beliebige Anzahl von Konfigurationen
Struktur− beschreibung
A2
A1
C1−1 C1−2 Configuration C1−3
kombinierte Verhaltens− und Struktur− beschreibung A3
Default− Architektur (zuletzt compiliert)
C3−1 Configuration C3−2
/ 2 2 3 4
Architektur
- , . * ! 5 - , . / !
Konfiguration
!!
3.3
Bestandteile einer VHDL-Beschreibung
" #$%&' ( ')& * + ( , - ' & . /
(
0 % ) -& % . &
* !1
0 ( -
, ( . & -
. - # . 2 -
0 ( . - !1.
VHDL-Beschreibung
(34
5' '6
73$ ' 3'"7
3*5, 4"7' *5
!18
#$%&
4
8 &
#$%& "5&4 -
.
- !:. #$%& ) 9 0
3.3.1
Entwurfssichten in VHDL
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4.2.6
Der zeitliche Ablauf im Moore-Schaltwerk
Eingangs− signale
Über− gangs− funktion
DK
K
DL
L
DM
M
Zustands− code
Takt
! " # $ " # $! % " ! # $ " & ' ( # $ " ! ) * + ! ' "
) ' , , - % ( ) . " # $ ' " ! / # + # " .
! "! / # * ! / # / ! ' % ' "! # $ ' ' . +
' ( ( ' , + " ! # / ( # " 0
1 " " ! 2 3 # " ! 4 # $ , # $ ! ( ' # $
Takt F (Z,R=0)
DK DL DM K
000
Idle
100
Five
100
L Ten
M t
! " #$ % & " ' $ () $ * %+ ) ,$ " ' " "min "min - Latch . Gate . setup Latch ),$$ ( ( $ / ( %
Gate ),$$ * * + setup ,$ ( $ ! " #$ /$ max - /"min & " % $ ( $ * (),$ * (), " ' 0 % $ * (),$ 1 $ " ' $ " $ 1 , $ ,
4.2.7
Synchronisierung von asynchronen Eingangssignalen
% / 2 $ " % % % $ ) ) $ " ' 0 2) % " 2 & $ 2 $$ )( $
asynchroner Eingang
D
Q
synchroner Eingang
zum Schaltwerk
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Takt async. Eingang sync. Eingang
?
t
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% # )" % + # $ , # ! " % ) # % )- % %# " . # .# # #/ 4.2.8
Systematische Schaltwerksentwicklung
+ % !" 0$ % % 1 # $ % ) % " % 2 3 ! . 4 %# % Der Entwicklungszyklus eines Schaltwerkes
% % # % )% )" ! % )# + ) % $ 3 ! ) ) ) ) ) +$ # 5 # # 6 % 0 )
Aufbereiten der Aufgabenstellung.
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* .
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Minimierung der Zustandsanzahl. "
0 1 ! 2 #
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#
3 - ' 4 + $
Festlegen der Zustandscodierung.
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$
& $ # . 6 7
* $ + ' 8
$ & 9 8 # !
" $ 15 2 3 ) ) !
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(
¨ Ubergangsund Ausgabefunktion.
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* + &
Dokumentation der Gesamtschaltung.
,
-! # . . ! . ! . / 0 ! + ! 1 )
Berechnung der maximalen Taktfrequenz.
' ! 2
3 ! / ! . / ! . ! 1 ! /
& )
3-Bit-Z¨ ahler mit JK-Latches 455 1 . ! . ! / / + *0%
Aufgabenstellung.
! ! ( - 2
6 777 888 / / *0% * 0 - 9 % 2: *;0;8) *;0;7) # ! .
B , "
A*! % "4
'
1. 2. 3. 4.
R7←lsh(1+1) R7←R7+R7 R8←0
# # # #
im ersten Schritt wird in R7 mit 1+1=2=(10) und mit lsh((10) =(100) =(4) erzeugt R7=4+4=8 Null ins Ergebnisregister laden
, * 4! " ! " , "C 8 ! , (!
4! %D' %E' #
*!! %6' %
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5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
R6←(1+1) R6←R6+1 MAR←R6; rd rd R9←MBR R6←R6+1 MAR←R6; rd rd R10←MBR
# # # # # # # # #
R6=(2)½¼ R6=2+1=(3)½¼ Laden des ersten Operanden von der Speicherzelle (3)½¼ warten, bis der Wert anliegt Speichern des Operanden in R9 R6=3+1=(4)½¼ (Adresse des zweiten Operanden) Laden des zweiten Operanden von der Speicherzelle (4)½¼ warten, bis der Wert anliegt Speichern des Operanden in R10
14. 15. 16. 17.
R9←lsh(R9+R9) R9←lsh(R9+R9) R9←lsh(R9+R9) R9←lsh(R9+R9)
20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27.
R8←lsh(R8) (¬R9); if N goto 21
! " # $%" ! & ! ' " # dies entspricht zwei Shift-Kommandos nach links
# insgesamt ( Shift-Operationen: R9=xxxx xxxx 0000 0000 ) # " ! * " & &
! ! + ,# , " - #
,.
" 18. (R7); if Z goto 24 # Test, ob (R7/ 0): wenn ja Sprung auf Zeile 24 19. # bloßer Test ohne Speicherung: ENS/ 0
R8←R8+R10 R9←lsh(R9) R7←R7-1 goto 17
# # # # # # # #
Ergebnis um eine Stelle nach links shiften wenn das msb im Multiplikator R9 0 ist, wird die folgende Zeile u¨bersprungen wenn das msb im Multiplikator R9 $ ist, wird der Multiplikant R10 zum Ergebnis R8 addiert n¨ achstes Bit des Multiplikators ins msb schieben Z¨ ahler R7 um $ vermindern unbedingter Sprung an den Schleifenbeginn
! # ( 1 $0·" " 2 3 & 4 " 28. 29. 30. 31. 32.
R6←R6+R6 R6←R6+1 MAR←R6 MBR←R8; wr wr
# R6=4+4=(8)½¼ # R6=8+1=(9)½¼ # Schreiben des Ergebnisses R8 auf die Speicherstelle (9)½¼ # warten, bis der Wert verarbeitet ist
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5.1
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Startadresse der Prozedur P1 Startadresse der Prozedur P2
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Ende des Programms Beginn der Prozedur P1 Ende der Prozedur P1 Beginn der Prozedur P2
Ende der Prozedur P2
748 . !
Speicher Programmbeginn Speicher call P1
Begin von P1
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Ende von P1 Begin von P2
call P2 return call P1 return call P2
Ende von P2
Programmende
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Main Memory
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Processor
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5.2.3
Direct Memory Access (DMA)
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Controller und Co-Prozessoren
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Graphik I/O:
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Weiterf¨ uhrende Literatur
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Internetverweise • • • • • • • •
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Anwendungen
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Prozeß-ID 4711 OUTPUT.3333.890912183012
Prozeß-ID 0109
Printer Server-Prozeß
Drucker
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Prozeß-ID 1234
ClientProzesse
Spool-Files
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fd := F OPEN("SPOOL QUEUE",READ+WRITE); (* SPOOL QUEUE Lesen und Schreiben *) F SEEK(fd,0); (* Aktuelle File-Position auf den Anfang des Files setzen *) REPEAT (* Suche nach einem freien Eintrag *) FOUND := TRUE; (* Default *) IF F READ(fd,element) EOF THEN BEGIN (* Ende von SPOOL QUEUE noch nicht erreicht *) IF element = " " THEN BEGIN (* Ein nicht belegter Record, Hurra ! *) F SEEK(fd,F CURRPOS(fd)-1) (* File-Position wieder herstellen *) END ELSE BEGIN (* Ein belegter Record, Suche fortsetzen *) FOUND := FALSE END END UNTIL FOUND; F WRITE(fd,spoolfile); (* Eintragen von OUTPUT.xxxx.xxxxxxxxxxxx *) F CLOSE(fd); (* SPOOL QUEUE wieder schließen *) P SIGNAL(server,TUWAS); (* Service Request an den Server-Prozess absetzen *)
! 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 13. 14. 15. 16. 17.
fd := F OPEN("SPOOL QUEUE",READ+WRITE); (* SPOOL QUEUE Lesen und Schreiben *) WHILE TRUE DO BEGIN (* Endlosschleife *) F SEEK(fd,0); (* Aktuelle File-Position auf den Anfang des Files setzen *) WHILE F READ(fd,element) EOF DO BEGIN (* Ende von SPOOL QUEUE noch nicht erreicht *) IF element " " THEN BEGIN (* Ein belegter Record, los gehts! *) printfile(element); (* Ausgabe des gefundenen Files am Drucker *) F SEEK(fd,F CURRPOS(fd)-1) (* File-Position wieder herstellen *) "); (* Eintrag l¨ oschen *) F WRITE(fd," F DELETE(element); (* Das gerade ausgedruckte Spool-File l¨ oschen *) F SEEK(fd,0) (* File-Position wieder auf den Anfang setzen *) END END (* WHILE Durchlesen von SPOOL QUEUE *) P SLEEP(TUWAS) (* Warten auf Service Request *) END (* WHILE Endlosschleife *) F CLOSE(fd); (* SPOOL QUEUE wieder schließen *)
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0
Frame-Nummer
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Frame-Nummer
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