Technische Grundlagen der Informatik
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Technische Grundlagen der Informatik WS 2008/2009 Klaus Kasper WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik Inhalt • • • • Vorbemerkungen Einleitung TGI Strom und Spannung Ohmscher Widerstand und Ohmsches Gesetz • Leistung und Energie • Reihen- und Parallelschaltung WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 2 Studium • 6 Semester / 7 Semester • Pflichtveranstaltungen (Informatik, Mathematik, SuK, BWL) • WP-Veranstaltungen • Praxissemester • Abschlussarbeit • Evaluation der Lehre • Mentorensystem WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 3 Organisation des Studiums • Selbstständigkeit • Eigenverantwortlichkeit • Lerngruppen WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 4 Erkenntnis • Thematik verstanden • gestellte Aufgaben lösen • sinnvolle Aufgabenstellungen generieren WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 5 Vorlesung • Vorlesung (Wiederholung, neue Themen) • Nachbearbeitung (Skripte, Folien, Literatur, Software, Forum, Tutorien) • Fragen im Rahmen der Wiederholung • Klausurvorbereitung WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 6 Organisation des Praktikums • • • • Betreuung: Michael Müller, Klaus Kasper Ort: D10 0.31 14-tägig (6 Praktikumstage) 2er Gruppen • Vorbereitung: Umformungen, Schaltungsskizzen, Hintergrund nachlesen, Wahrheitstabellen, KVDiagramme • Durchführung: Aufgaben werden einzeln testiert • Protokoll: kurze Darstellung der Experimente in vollständigen Sätzen, Diskussion von Problemen WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 7 Praktikum (Zug 1C) • Montags 10:15 – 11:45 (Start X: 27.10.08, Start Y: 20.10.08) • Dienstags 10:15 – 11:45 (Start X: 28.10.08, Start Y: 21.10.08) • 6 Aufgaben • Informationen zum Praktikum auf der TGI-Materialienseite WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 8 Praktikum (Zug 1D) • Montags 14:15 – 15:45 (Start X: 27.10.08, Start Y: 20.10.08) • Freitags 10:15 – 11:45 (Start X: 24.10.08, Start Y: 17.10.08) • 6 Aufgaben • Informationen zum Praktikum auf der TGI-Materialienseite WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 9 Digi Board WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 10 Schein • Erfolgreiches Praktikum (Vorbereitung, Ausarbeitung, 6 Aufgaben) • Praktikum ist Zulassungsbedingung für die Klausur • Online Belegung der Klausur bis 25.01.09 • Abmeldung bis 09.02.09 • Klausur: Mo. 13.02.09, 14:15 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 11 Schichtenmodell WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 12 Stränge der Informatik • Theoretische Informatik • Technische Informatik • Praktische Informatik • Informatik vs. Computational Sciences WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 13 Technische Informatik an der Hochschule Darmstadt • 1. Semester – Technische Grundlagen der Informatik (3+1, 5 ECTS) – Rechnerarchitektur (3+1, 5 ECTS) • 2. Semester – Mikroprozessorsysteme (3+1, 5 ECTS) • Vertiefung Technische Informatik im WP-Bereich WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 14 Überblick TGI • Strom/Spannung, Ohmsches Gesetz, Knotenregel, Maschenregel, Kapazitäten • Dioden, Transistoren, logische Schaltungen • Boolesche Algebra, Kürzungsregeln, Normalformen • Minimierung: KV-Diagramme, Implikanten, algorithmische Verfahren • Schaltungsynthese/Schaltungsanalyse WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 15 Überblick TGI • Schaltnetze/Schaltwerke (Flip-Flop, Zähler, Speicher) • Halbleiterspeicher (RAM, ROM) • Zahlendarstellung (Ganzzahlen, Festkomma, Gleitkomma) • Programmierbare Logikbausteine (CPLD, FPGA) • Automaten (Moore, Mealy) • Codierverfahren (Huffman-Codierung, Hamming-Codierung) • Massenspeicher (HDD, CD, DVD) WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 16 Überblick Praktikum • Strom/Spannung, Widerstand, Kapazität, Diode • Logische Schaltungen, Transistor (FET) • Addierer, Schaltnetz, boolesche Algebra • Zähler, Schaltwerk, KV-Diagramme • Halbleiterspeicher, Zahlendarstellung • Programmierbarer Logikbaustein (CPLD), Moore-Automat WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 17 Literatur • Schiffmann, W.; Schmitz, R.: Technische Informatik 1 & 2; Springer Verlag; 2003. • Beuth, K.; Beuth, O.: Digitaltechnik; Vogel Fachbuch; 2003. • Siemers, Ch.; Sikora, A. (Hrg.): Taschenbuch Digitaltechnik; Fachbuchverlag Leipzig; 2003. • Fricke, K.: Digitaltechnik, Lehr- und Arbeitsbuch für Elektrotechniker und Informatiker; Vieweg; 2002. • Urbanski, K.; Woitowitz, R.; Digitaltechnik; Springer; 2004 • Mayer, R. S.: Technische Grundlagen der Informatik (Skript) • Wietzke, J.: Digitaltechnik (Skript) WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 18 Software • Animationen • Tools zur Simulation digitaler Schaltungen • www.digitalsimulator.de • Campus-Lizenz Logix 1.1 – Software und Lizenz bei Michael Müller (D10/0.33) – nach Möglichkeit mit USB-Speicher WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 19 Unterstützung • Forum und Materialien auf dem MoodleServer der Hochschule (moodle.igdv.hda.de) • Schlüssel: TGI • Tutorien mit Silvia Krug WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 20 Einleitung WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 21 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 22 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 23 • Real-time natural language translation. Imagine being able to speak to someone in a foreign country and having your conversation translated real-time. • Facial recognition that works accurately and instantaneously. Imagine being able to capture faces as people enter an airport and match them in real-time against a database of known terrorists, and having a turnstile lock if there is a match. • Auto chauffeur. Imagine a car that takes a verbal command for a destination, and can drive you there via the least congested route in the safest possible manner. Quelle: http://www.intel.com/technology/mooreslaw/index.htm WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 24 Aktuelle Entwicklung • Verdopplung der Schaltkreise pro Chip alle 18 Monate (1965: Verdoppelung alle 12 Monate). • Verdopplung der Verarbeitungsleistung der Prozessoren alle 18 Monate. • Vervierfachung der Speichergröße alle 3 Jahre. • Verdopplung der Speicherleistung alle 10 Jahre. • Doppelte Leistung zum gleichen Preis in weniger als zwei Jahren. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 25 Strom und Spannung WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 26 Einfacher elektrischer Schaltkreis I U WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 27 Strom/Spannung I Die Einheit des Stroms ist Ampère (A). U Die Einheit der Spannung ist Volt (V). Die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern bezeichnet man als elektrischen Strom I. I ist die Ladungsmenge dQ, die in einem Zeitabschnitt dt den Leitungsquerschnitt durchfließt. Die elektrische Spannung U ist die treibende Kraft, die den Strom I verursacht. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 28 Modell für Strom/Spannung • Druck entspricht der Spannung U. • Wasser entspricht der Ladungsmenge Q. • Fluss ist definiert als Wasser/Zeit. • Fluss entspricht dem Strom I. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 29 Ohmscher Widerstand und Ohmsches Gesetz WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 30 Messung von Strom und Spannung Ampèremeter: möglichst geringer Innenwiderstand. Voltmeter: möglichst hoher Innenwiderstand. Warum? WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 31 Ohmscher Widerstand (R) • Der Strom durch einen Verbraucher ist abhängig von der Größe der treibenden Spannung. • Sind die Eigenschaften eines Verbrauchers unabhängig von dem durch ihn fließenden Strom, spricht man von einem Ohmschen Widerstand. • Es gilt das Ohmsche Gesetz: Der Strom ändert sich proportional zur Spannung. Den Proportionalitätsfaktor R nennt man elektrischen Widerstand mit der Einheit Ohm (Ω). WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 32 Ohmsches Gesetz Bei einer gegebenen Spannung U ist der Strom I durch einen Ohmschen Widerstand R begrenzt. Es gilt das Ohmsche Gesetz: U U I = ⇔ U = R ⋅I ⇔ R = R I WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 33 Analogie I R U I 1/R ∆I ∆U U I WS 2008/2009 R U Technische Grundlagen der Informatik 34 Leistung und Energie WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 35 SI-Einheiten • SI: internationales Einheitensystem (Système international d‘unités). • Wurde 1960 eingeführt und ist bspw. In der EU im amtlichen und geschäftlichen Verkehr vorgeschrieben. • Sieben Basiseinheiten: Meter (m), Kilogramm (kg), Sekunde (s), Ampère (A), Kelvin (K), Mol (mol), Candela (cd). • Die Basisgrößen sind international definiert. • Alle weiteren Größen und Einheiten werden abgeleitet. • Beispiel: 1V=1kg m2/A s3 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 36 Elektrische Leistung (P) • Die elektrische Leistung P ist das Produkt aus Spannung U und Strom I. • Die SI-Einheit der Leistung ist Watt (W). P[W] = U[V] ⋅ I[A] WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 37 Kleine Übung Warum gilt für die Leistung PR an einem Ohmschen Widerstand 2 PR = I ⋅ R PR = U ⋅ I = R ⋅I⋅I = R ⋅I WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 2 38 Energie • Die Energie W ist eine über ein Zeitintervall integrierte Leistung. • Die SI-Einheit für Energie ist Joule (J) bzw. Wattsekunde (Ws). t2 W = ∫ P(t)dt t1 für eine zeitlich konstante Leistung gilt W = P ⋅ (t 2 − t1 ) WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 39 Reihen- und Parallelschaltung WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 40 Reihenschaltung In Reihe geschaltete Bauelemente sind vom selben Strom durchflossen. Der Gesamtwiderstand ist die Summe der Einzelwiderstände. Die Gesamtspannung ist die Summe der Einzelspannungen über den Einzelwiderständen. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 41 Reihenschaltung R ges ⋅ I = U n = ∑ Ui i =1 = R1 ⋅ I + R 2 ⋅ I + ⋯ + R n ⋅ I n R ges = ∑ R i i =1 WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 42 Parallelschaltung Parallel geschaltete Bauelemente liegen an derselben Spannung. Der Kehrwert des Gesamtwiderstandes ist die Summe der Kehrwerte der Einzelwiderstände. WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 43 Parallelschaltung U = Iges R ges n = ∑ Ii i =1 = I1 + I 2 + ⋯ + I n = U / R1 + U / R 2 + ⋯ U / R n n 1 = U⋅∑ i =1 R i n 1 1 =∑ R ges i =1 R i WS 2008/2009 Technische Grundlagen der Informatik 44