Hardware Design

Das vorliegende Lehrbuch ist aus Vorlesungen des zweiten Autors entstanden. Es beschäftigt sich in mathematisch präziser Weise mit einem ganz und gar praktischen Thema, nämlich dem Entwurf digitaler Hardware. Kapitel 1 enthält eine Diskussion mathematischer Grundbegriffe. In den Kapiteln 2 bis 4 werden die notwendigen theoretischen Grundlagen über Boole'sche Ausdrücke, Schaltkreiskomplexität und Rechnerarithmetik behandelt. Der Übergang von der abstrakten Schaltkreistheorie zum Entwurf konkreter Schaltungen findet nahtlos in Kapitel 5 statt, wo aus den Verzögerungszeiten von Gattern das zeitliche Verhalten von Flipflops und anderen Speicherbausteinen abgeleitet wird. Kapitel 6 enthält dann das vollständige Design eines einfachen Rechners. Für die 2., bearbeitete Auflage wurden Fehler und Unstimmigkeiten bereinigt und ein Beweis vereinfacht.

1 Mathematische Grundlagen.- 1.1 Über Gott und die Welt.- 1.2 Elementare Konzepte.- 1.3 Rechnen.- 1.4 Zahlen.- 1.5 Formale Logik.- 1.6 Übungen.- 2 Boole'sche Ausdrücke.- 2.1 Mächtigkeit endlicher Mengen.- 2.2 Rechnen mit Boole'schen Ausdrücken.- 2.3 Kosten von Ausdrücken.- 2.4 Polynome und Resolution.- 2.5 Übungen.- 3 Schaltkreise.- 3.1 Gerichtete Graphen und Schaltkreise.- 3.2 Rechnen mit Schaltkreisen.- 3.3 Darstellungssatz.- 3.4 Schaltkreiskomplexität.- 3.5 Schaltkreise und Boole'sche Ausdrücke.- 3.6 Übungen.- 4 Arithmetik.- 4.1 Zahlendarstellungen.- 4.2 Addierer.- 4.3 Subtraktion.- 4.4 Multiplizierer.- 4.5 Aufbau von Arithmetikeinheiten.- 4.6 Übungen.- 5 Speicher und Tristate-Bausteine.- 5.1 Physikalische Eigenschaften von Gattern.- 5.2 Flipflops.- 5.3 Bausteine mit Flipflops.- 5.4 Statischer Speicher.- 5.5 Tristate-Treiber, Busse und Pipelines.- 5.6 Übungen.- 6 Ein einfacher Rechner.- 6.1 Die abstrakte RESA-Maschine.- 6.2 Instruktionssatz.- 6.3 Datenpfade.- 6.4 Idealisierte Timing-Diagramme.- 6.5 PLAs, PROMs und PALs.- 6.6 Kontrollogik.- 6.7 Exakte Timing-Analyse.- 6.8 Ein- und Ausgabe.- 6.9 Übungen.- A Verwendete Bauteile.- A.1 Gatter.- A.2 Multiplexer.- A.3 Register.- A.4 Zähler.- A.5 Treiber.- A.6 ALU Bausteine.- A.7 PALs.- A.8 Speicherbausteine.- A.9 Ein- und Ausgabe.- B PAL-Gleichungen.- B.1 CPU-Kontrolle.- B.2 SRAM-Kontrolle.- B.3 EPROM-Kontrolle.- B.4 UART-Kontrolle.