Prof. Dr.-Ing. Tamim Asfour

Vorlesung
Digitaltechnik und Entwurfsverfahren
WS 2015/2016
IAR - Institut für Anthropomatik und Robotik
Prof. Dr.-Ing. Uwe D. Hanebeck, Dipl.-Inform. Jannik Steinbring
Prof. Dr.-Ing. Tamim Asfour, Dipl.-Inform. Christian Mandery, Dipl.-Inform. Ömer Terlemez
Fakultät für Informatik
Prof. Dr.-Ing. U. D. Hanebeck, Prof. Dr.-Ing. T. Asfour
1-1
Dozenten
Vorlesung
Lehrstuhl für Intelligente SensorAktor-Systeme (ISAS)
Übung
Lehrstuhl für Hochperformante
Humanoide Technologien (H²T)
Prof. Dr.-Ing. Uwe D. Hanebeck
Geb. 50.20
Raum 139
Tel.: 608 - 43909
[email protected]
isas.uka.de
Dipl.-Inform.
Jannik Steinbring
Fakultät für Informatik
Prof. Dr.-Ing. U. D. Hanebeck, Prof. Dr.-Ing. T. Asfour
Prof. Dr.-Ing. Tamim Asfour
Geb. 50.20
Raum 017
Tel.: 608 – 47379
[email protected]
www.humanoids.kit.edu
Dipl.-Inform.
Christian Mandery
Dipl.-Inform.
Ömer Terlemez
1-2
Sprechstunde

Prof. Dr.-Ing. Uwe D. Hanebeck
HSaF
nach Vereinbarung per E-Mail

Dipl.-Inform. Jannik Steinbring
nach Vereinbarung per E-Mail

Prof. Dr.-Ing. Tamim Asfour
Mittwochs 15:00 – 17:00 Uhr,
nach Vereinbarung per E-Mail

Dipl.-Inform. C. Mandery
Montags 15:00 – 16:00 Uhr,
nach Vereinbarung per E-Mail

AudiMax
Institut für Anthropomatik
und Robotik
Dipl.-Inform. Ö. Terlemez
Montags 15:45 – 17:15 Uhr,
nach Vereinbarung per E-Mail
Fakultät für Informatik
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1-3
Organisation
Fakultät für Informatik
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1-4
Modul Technische Informatik


Bestehend aus

RO: Rechnerorganisation (SS 2015)

DT: Digitaltechnik und Entwurfsverfahren (WS 2015/2016)
Prüfung für Informatiker umfasst RO und DT
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1-5
Termine


Vorlesung & Übung

Montag:
AudiMax, Geb. 30.95
14:00 – 15:30 Uhr

Mittwoch:
HSaF, Geb. 50.35
14:00 – 15:30 Uhr
Aktuelle Termine

TI-Homepage: http://ti.ira.uka.de
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1-6
Beginn Übungen/Tutorien

Ausgabe des 1. Übungsblattes:



Montag, den 02.11.2015, auf der TI-Homepage
Abgabe des 1. Übungsblattes:

Montag, den 09.11.2015, bis spätestens 13:00 Uhr

Einwurf in Briefkasten im Untergeschoß im InformatikHauptgebäude am Fasanengarten
Beginn der Tutorien:

Montag, den 02.11.2015
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1-7
Zeitplan der Tutorien
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1-8
Eintragung in die Tutorien

Informationen zur Eintragung:

http://webinscribe.ira.uka.de/

Notwendig: Studenten-Account des Rechenzentrums/SCC („uXXXX“)

Server steht zur Verfügung von voraussichtlich
Di., 20.10. 18:00 Uhr bis Do., 22.10. 18:00 Uhr

Ergebnisse der Einteilung am Fr., 23.10. ab 12.00 Uhr
online auf der WebInScribe Webseite
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1-9
Klausur

Klausur im WS 15/16:
Freitag, 26. Februar 2016, 14:00 Uhr

Klausur im SS 16: Ende Juli oder Anfang August 2016

Es hat sich in der Vergangenheit gezeigt, dass Studierende,
die regelmäßig an den Tutorien teilgenommen und einen
Übungsschein erworben haben, erheblich bessere
Prüfungsergebnisse erreichen.
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1-10
Bonussystem: Scheine

Sammelt schon während des Semesters Punkte für eure Klausur!

Es gibt zwei Scheine, einen für RO und einen für DT

Kriterien für einen Schein erfüllt  2 Bonuspunkte auf die Klausur

D.h., maximal 4 Bonuspunkte auf die Klausur

Bonus verhindert kein Durchfallen in der Klausur, d.h.
Bonuspunkte gibt es nur auf bestandene Klausuren
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1-11
Kriterien für einen Schein

Regelmäßige Teilnahme und Bereitschaft zur aktiven Mitarbeit
in den Tutorien

Rechtzeitige Abgabe einer gültigen Ausarbeitung zu
mindestens zehn Übungsblättern

Mindestens 50% der insgesamt durch die Bearbeitung aller
Übungsblätter erreichbaren Punktzahl

Wer zweimal gegen folgende Bedingung verstößt, erhält
keinen Schein:
„Eine Person, die eine korrekt gelöste (Teil-) Aufgabe abgegeben
hat, muss auch in der Lage sein, diese im Tutorium vorzurechnen.“
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1-12
Klausur SS 2015
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1-13
Klausur SS 2015
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1-14
Materialien zur Vorlesung

Skriptum zur Vorlesung


Vorlesungsaufzeichnung im KIT Webcast


Beim Skriptenverkauf erhältlich
https://www.youtube.com/playlist?list=PLfk0Dfh13pBMpGatZA2aC9ngmouAKEe2
Termine, Folien, Übungsblätter, …

Auf der TI Homepage
http://ti.ira.uka.de
Benutzername: ti
Passwort:
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1-15
Lehrveranstaltungen am H2T im WS 15/16

Vorlesung:
Robotik I – Einführung in die
Robotik
Mathematische Grundlagen,
Bewegungs- und Greifplanung,
Steuerungsarchitekturen, symbolische
Planung, …

Vorlesung:
Mechano-Informatik in der Robotik
Mechano-Informatik als synergetische
Integration von Mechatronik, Informatik
und künstlicher Intelligenz
( )
…
1
( )
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…
1-16
Lehrveranstaltungen am H2T im WS 15/16

Seminar: Humanoide Roboter

Seminar: Neuronale Netze und künstliche Intelligenz

Praktikum: Humanoide Roboter


Praktikum: Lego Mindstorms (Ich, Robot)


Blockpraktikum am Ende des Semesters
Blockpraktikum am Ende des Semesters
Details zu allen Veranstaltungen und Links zur Anmeldung
(über ILIAS) auf unserer Homepage: www.humanoids.de
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1-17
Lehrveranstaltungen am ISAS im WS 15/16


Informationsverarbeitung in Sensornetzwerken

Dienstags 15.45 - 17.15, Raum -102, Geb. 50.34 (Info)

Details: http://isas.uka.de/IIS
Stochastische Informationsverarbeitung

Donnerstags 14.00 - 15.30, Raum -102, Geb. 50.34 (Info)

Details: http://isas.uka.de/SI
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1-18
Lehrveranstaltungen am ISAS im WS 15/16



Praktikum Forschungsprojekt: Anthropomatik praktisch erfahren

Anrechenbarkeit 8 LP!

Einführungsveranstaltung Fr. 23.10.2015, 14:00 Uhr, Raum 148, Gebäude 50.20

Details & Anmeldung: http://isas.uka.de/de/Praktikum
Proseminar „Anthropomatik: Von der Theorie zur Anwendung“

Details: http://isas.uka.de/Proseminar

Dieses Semester leider keiner Plätze mehr frei. Wird aber jedes Semester angeboten!
Seminar „Von Big Data zu Data Science: Moderne Methoden der
Informationsverarbeitung“

Details & Anmeldung: http://isas.uka.de/de/Seminar
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1-19
Kapitel 1
Motivation
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1-20
1936: Der erste Computer

Konrad Zuse baute eine Reihe von
programmgesteuerte Rechenmaschinen
mittels elektromagnetischer Relais

Gebaute Maschinen: Z1, Z2, Z3 und Z4

Die Maschinen wurden 1944 zerstört
Z3 (1941)
(Nachbau der Z3 steht im Deutschen
Museum in München)
Elektromechanische Relais
 4 Grundrechenarten,
Quadratwurzel
 Rechenleistung ~ 1
Operation pro Sekunde
Quelle: Wikipedia
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Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Heft Dezember 2000
1-21
1943: ENIAC

Der Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) war der
erste rein elektronische Rechner

Verwendung von fast 18.000 Elektronen/Vakuum-Röhren

Addition von 10-stelligen Zahlen in 0,2 ms

174 KW Leistungsverbrauch

Gewicht: 30 Tonnen
Elektronenröhren
Quelle: Wikipedia
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Quelle: Wikipedia
1-22
1947: Der erste Transistor
 Erfunden von Shockley, Bardeen und Brattain in den AT&T Bell Labs
 Basierend auf Halbleitern ersetzt er die Vakuum-Röhre und eröffnet die
Möglichkeit zur Integration
Quelle: Bell Labs
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1-23
1958: Der erste integrierte Schaltkreis

Jack S. Kilby und Robert N. Noyce bauten unabhängig
voneinander die erste integrierte Schaltung

Im Herbst 2000 erhält Jack Kilby den Nobelpreis für Physik

Robert Nocye gründete zusammen mit Gordon Moore 1968 Intel
Der erste Integrierte Schaltkreis von Kilby
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1-24
1971: Der Intel 4004

Erster kommerzieller Mikroprozessor von Intel

Taktrate: 740 kHz

2.300 Transistoren

46 Befehle

16 Register

Strukturbreite: 10 µm
Die Shot
Quelle: Spiegel
Quelle: Spiegel
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1-25
2015: Intels Core-i7 6800K

CPU mit 4 Kernen und 8 Hardware Threads

Taktrate: 4,0 GHz (740 kHz Intel 4004)

Integrierte GPU (1,15 GHz) unterstützt DirectX 12 & OpenGL 4.4

Hauptspeicheranbindung 34 GB/s

~1,35 Milliarden Transistoren (2.300 Intel 4004)

Strukturbreite 14 nm (10 µm Intel 4004)
Die Shot
Quelle: Intel.com
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Quelle: Intel
1-26
2015: Supercomputer Tianhe-2

Entwickelt an Chinas National University of Defense Technology

Platz 1 auf top500.org

3.120.000 Kerne

1,34 PiByte Hauptspeicher

33,86 Peta FLOPS (FLoating-point Operations Per Second) Rechenleistung

24 MW Leistungsaufnahme
Quelle: IEEE Spectrum
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1-27
2015: Snapdragon 810 SoC

System-on-Chip (SoC) für mobile Geräte der Firma Qualcomm

Auf einem Chip befinden sich:

CPU: Quad-core Cortex-A57 (2,0 GHz) & Quad-core Cortex-A53 (1,5 GHz)

GPU: Adreno 430 (650 MHz)

DSP (Digital Signal Processor) für u.a. Multimedia (800 MHz)

GNSS (Global Navigation Satellite System) für GPS, GLONASS und BeiDou

4G LTE Mobilfunk

WLAN

Bluetooth

NFC

USB
Quelle: Qualcomm.com
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1-28
Leistungssteigerung
Leistungssteigerung bei Mikroprozessoren ist durch folgende
Maßnahmen erreicht worden:

Erhöhung der Gatterzahl auf dem Chip

höhere Taktraten (in Zukunft nicht mehr maßgebend)

Fortschritte beim Entwurf hochintegrierter Schaltungen

Verbesserte Chiparchitekturen

Einsatz von Standardzellen

Einsatz des Rechners für Synthese (Entwurf) und
Analyse (Simulation)
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1-29
Das „Mooresche Gesetz“
Postuliert am 19. April 1965 von Gordon
Moore

Die Anzahl der Transistoren pro
(Prozessor-) Chip verdoppelt sich alle zwei
Jahre

Die Verarbeitungsleistung der
Hochleistungsprozessoren verdoppelt sich
alle 18 Monate

Für den gleichen Preis liefert die
Mikroelektronik die doppelte Leistung in
weniger als zwei Jahren
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Gordon E. Moore
1-30
50 Jahre „Mooresche Gesetz“
Vorhersage 1965
Gordon E. Moore: Cramming More Components
Onto Integrated Circuits. Electronics, Vol. 38, No.8,
April 19, 1965
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Entwicklung bis 2015
Quelle: http://education.mrsec.wisc.edu/SlideShow/images/computer/
Moores_Law.png
1-31
Moderne Entwicklung in Schlagworten

Viele neue computerbasierte Geräte erleichtern den Alltag 
Handhelds und Wearable Computer

Rechner werden unsichtbar und Zahl nimmt gewaltig zu 
Ubiquitäre (allgegenwärtige) Systeme

Alles mit allem verbunden 
Funknetze: Bluetooth, WLAN, UWB, …
Chips werden maßgeblich das zukünftige
wirtschaftliche Geschehen beeinflussen
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1-32
Motivation und Ziel der Vorlesung
Informatiker sollten verstehen, wie
datenverarbeitende Systeme funktionieren
Problemlösungen erfordern oft Kombination
aus Hardware und Software
Informatiker sollen nicht nur kompetent in Software,
sondern auch kompetent in Hardware sein
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1-33
Schichtenaufbau eines Rechensystems
Software
verteilte Anwendung(en)
Anwender
Task3
Taskn
Middleware
(Basis-) Dienste für
verteilte Anwendungen
Betriebssystem
dynamische Verwaltung und Zuteilung von
HW-Ressourcen
Hardware
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Thema der
„Technischen Informatik“
1-34
virtuelle
Maschinen
Task2
reale
Maschine
Task1
Technische Informatik: Inhalt
Applikation (Firefox)
Software
Betriebssystem
Compiler
(Linux, Windows)
Assembler
Instruction Set Architecture (Befehlssatz-Architektur)
Prozessor
Hardware
Speicher
Ein-/Ausgabe
Daten- und Steuerpfade
Digital Design
Circuit Design
Transistor
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1-35
Technische Informatik: Aufteilung
Hierarchieebene:
Assemblerebene
Charakteristika:
Symbolische Darstellungen
der Befehle
Software
RO
DT
Maschinensprachebene
Maschinenspezifische Befehle
Mikrobefehlsebene
„Elementare“ Befehle, die direkt
Schaltvorgänge bewirken
Firmware
Schaltvorgänge durch Struktur
der Schaltung festgelegt
Hardware
Ausführende
Schaltungen
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1-36
Vom Problem zur Hardware (1)
Problemstellung
(Robotersteuerung, ...)
Algorithmen
(Greifplanung, Objekterkennung, …)
Hochsprachen
(C, C++, Java, ...)
RO
Maschinensprache
(move, shift, jump, ...)
Funktionsgruppen
(ALU, CPU, ...)
DT
Gatter
(UND, ODER, NICHT, ...)
Elektronische Bauteile
(Widerstand, Transistor, ...)
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1-37
Vom Problem zur Hardware (2)
 C-Programm:
...
int summe = a + b;
...

Maschinenbefehl/Assembler

Hardware
...
add $s2, $s1, $s0
...
Register $s1
Register $s0
Addierer
Register $s2
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Prof. Dr.-Ing. U. D. Hanebeck, Prof. Dr.-Ing. T. Asfour
1-38
Aufbau datenverarbeitender Systeme (1)

Vielzahl von Komponenten

Komponenten sind untereinander verbunden (Struktur)

Ergeben zusammen ein gewünschtes Verhalten
f1
f2
f2
f3
f1
f3
Komponenten
+
Struktur
 Gewünschtes Verhalten
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1-39
Aufbau datenverarbeitender Systeme (2)

Zwei wesentliche Aufgaben: Entwurf und Analyse

Hauptaufgabe des Entwurfs:


Komponenten mit bekanntem Verhalten in einer Struktur so
verbinden, dass das gewünschte Verhalten resultiert und die
Kosten möglichst gering sind.
Hauptaufgabe der Analyse:

Vorhersage und Simulation des Verhaltens einer Struktur aus
bekannten Komponenten.
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Prof. Dr.-Ing. U. D. Hanebeck, Prof. Dr.-Ing. T. Asfour
1-40
Aufbau datenverarbeitender Systeme (3)
Um die Komplexität beherrschen zu können, ist es notwendig,
verschiedene Abstraktionsebenen einzuführen
f
Funktion / Verhalten
f1
Struktur
f1
Diese Hierarchisierung erleichtert sowohl den Entwurf
als auch die Analyse
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Prof. Dr.-Ing. U. D. Hanebeck, Prof. Dr.-Ing. T. Asfour
1-41
Vorgehensweisen beim Entwurf

Zwei Extremstrategien:

Top-down Entwurf
Rekursive Zerlegung der Gesamtfunktion, bis alle Teilfunktionen
durch bekannte Komponenten ausgeführt werden

Bottom-up Entwurf
Sukzessive Kombination von bekannten Komponenten, bis das
gewünschte Systemverhalten erreicht ist
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1-42
„Top-down" und „Bottom-up"-Entwurf
Systemfunktion f
Top-down
Bottom-up
topdown
bottomup
Teilfunktion f1
f11
f 12
Teilfunktion fn
• • •
• • •
• • •
Fakultät für Informatik
Prof. Dr.-Ing. U. D. Hanebeck, Prof. Dr.-Ing. T. Asfour
f n1
f n2
• • •
• • •
1-43
Lernziele DT

Verständnis der verschiedenen Darstellungsformen von
Zahlen und Alphabeten in Rechnern

Fähigkeiten der formalen und programmiersprachlichen
Schaltungsbeschreibung

Kenntnisse der technischen Realisierungsformen von
Schaltungen

Fähigkeit, Schaltungen zu analysieren und zu verstehen,
sowie eigene Schaltungen zu entwickeln

Kenntnisse der relevanten Speichertechnologien

Kenntnisse verschiedener Realisierungsformen komplexer
Schaltungen
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Prof. Dr.-Ing. U. D. Hanebeck, Prof. Dr.-Ing. T. Asfour
1-44
Detaillierter Vorlesungsinhalt (1)

Grundlagen der Informationsdarstellung im Rechner


Zahlendarstellung und Zeichendarstellung im Rechner
Schaltnetze

Formalen Grundlagen logischer Beschreibungen (Boolesche
Algebra, Schaltalgebra)

Realisierung von Schaltnetzen auf Layout-, Schalter- und
Gatterebene

Entwurf von Schaltnetzen insbesondere die Beschreibung
"klassischer" Verfahren zur Logikminimierung

Laufzeiteffekte bei Schaltnetzen
Fakultät für Informatik
Prof. Dr.-Ing. U. D. Hanebeck, Prof. Dr.-Ing. T. Asfour
1-45
Detaillierter Vorlesungsinhalt (2)

Schaltwerke

Formale Grundlagen: Schaltwerke als Implementierung von
endlichen Automaten

Entwurf von asynchronen Schaltwerken

Realisierung von Zustandsspeichern durch Flipflops

Entwurf von synchronen Schaltwerken

Spezielle Schaltwerksbausteine (Register, Schieberegister,
Zähler, programmierbare Bausteine)
Fakultät für Informatik
Prof. Dr.-Ing. U. D. Hanebeck, Prof. Dr.-Ing. T. Asfour
1-46
Detaillierter Vorlesungsinhalt (3)

Rechnerarithmetik

Verschiedene Verfahren und Implementierungsmöglichkeiten am
Beispiel der vier Grundrechenarten

Prinzipieller Aufbau einer arithmetisch-logischen Einheit, die mehrere
Operationen integriert

Additions- und Subtraktionsschaltungen

Multiplikations- und Divisionsschaltungen
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1-47
Literatur zur Vorlesung

Auswahl einiger Literaturempfehlungen:

J. Hayes:
Computer Architecture and Organisation
3. Auflage, McGraw, 1998

H. M. Lipp, J. Becker:
Grundlagen der Digitaltechnik,
6. Auflage, Oldenbourg Verlag 2008

Th. R. McCalla:
Digital Logic and Computer Design
Macmillan Publishing Company in New York 1992

W. Oberschelp, G. Vossen:
Rechneraufbau und Rechnerstrukturen,
10. Auflage, Oldenbourg-Verlag München, 2006
Fakultät für Informatik
Prof. Dr.-Ing. U. D. Hanebeck, Prof. Dr.-Ing. T. Asfour
1-48
Literatur zur Vorlesung

Auswahl einiger Literaturempfehlungen:

H. Liebig, S. Thome:
Logischer Entwurf digitaler Systeme,
4. Auflage, Springer Verlag, 2006

D. A. Patterson. J. L. Hennessy:
Rechnerorganisation und –entwurf
Die Hardware / Software Schnittstelle.
Deutsche Ausgabe herausgegeben von A. Bode, W. Karl, T. Ungerer,
3. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, 2005

D. A. Patterson. J. L. Hennessy:
Computer Architecture: A Quantitative Approach.,
3. Auflage, Morgan Kaufmann, 2003
(insbesondere Anhang A über Rechnerarithmetik)
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1-49