Harald Schumny

Digitale Datenverarbeitung fUr das technische Studium

Vlewegs FachbUcher der Technik

I nformationstechnik

Harald Schumny

Digitate Datenverarbeitung fur das technische Studium

Mit 350 Bildern

»

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

Dr. Harald Schumny ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und unterrichtet auBerdem an der Fachschule - Technik- der Stadt Braunschweig.

Zum Lehrbuch gehort ein Arbeitsbuch Best.-Nr. 4033

Verlagsredaktion: Willy Ebert

1975 Aile Rechte vorbehalten © Springer Fachmedien Wiesbaden 1975 Ursprunglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1975

Die Vervielfaltigung und Obertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch fur Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. 1m Einzelfall muB iiber die Zahlung einer Gebiihr fUr die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt fur die Vervielfaltigung durch aile Verfahren einschlieBlich Speicherung und jede Obertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bander, Platten und andere Medien .

ISBN 978-3-003-00050-1 DOI 10.10071978-3-663-00200-0

ISBN 978-3-663-00200-0 (eBook)

v Vorwort Unsere Umwelt wird mehr und mehr gepragt durch Automatische Datenverarbeitung. Weil die technische Seite dabei von der Elektronik beherrscht wird, verwendet man durchweg den Begriff Elektronische Datenverarbeitung (EDV). Es gibt eigentlich kaum noch einen Bereich im menschlichen Zusammenleben, der nicht mit EDV zumindest in Beruhrung kame. Beinahe taglich begegnet uns EDV direkt oder indirekt - bewulSt und unbewulSt - beispielsweise in Form von Abrechnungen, Benachrichtigungen, beim Einkauf, in der Verwaltung und vor allem im Berufsleben. Das ist der aktuelle Bezug fur das vorliegende Lehrbuch. Und nicht etwa modische Aspekte ver:anlassen zu der Aufforderung, Prinzipien und Einzelheiten der EDV zu studieren. Fur den angehenden Techniker und Ingenieur ergibt sich eine Notwendigkeit fur ein vertieftes Studium daraus, daIS man bei der Berufsausubung von ihm Verstandnis fur oder gar Detailkenntnisse uber EDV erwartet. Das wird besonders unabwendbar, wenn es sich um einen Absolventen mit elektrotechnischer Spl'/ialausbildung handelt. Der Bedeutung der EDV wird inzwischen mit einer Vielzahl von Abhandlungen und Lehrbuchern gerecht. Das errichtete Niveau reicht dabei von einfachsten Darstellungen fur Jedermann bis zu wissenschaftlichen Arbeiten, die nur von Spezialisten lesbar sind. Zwischen den beiden Grenzniveaus liegt ein wichtiger, praxisbezogener Bereich auf "mittlerem Niveau", in dem solides Grundwissen und ein guter Oberblick gefordert werden, tiefergehende mathematische Problemlosungsfahigkeiten jedoch nicht unbedingt notig sind. Fur diesen Bereich stehen sehr gute Lehrbucher zur Verfugung, die den organisatorischen Teil der EDV abdecken sowie das Erlernen von Programmiersprachen und das Programmieren von EDV-Anlagen ermoglichen sollen - die also die Software betreffen. Ebenfalls sind Bucher vorhanden, die innerhalb eines Gesamtiiberbl icks auch die Hardware mit behandeln, wobei aber haufig wesentliche Bereiche und vor allem technische Einzelheiten zu kurz kommen. In diese aufgezeigte Lucke zielt das vorliegende EDV-Lehrbuch. Wie das Strukturdiagramm verdeutlichen soli, hat die Behandlung der Hardware Vorrang. Vorangestellt ist eine "Einfuhrung in die digitale Datenverarbeitung" (Teil 1), innerhalb der das allgemeine Prinzip der Datenverarbeitung, Struktur und Arbeitsweise eines EDV-Systems, die Darstellung von Daten und Computer-Codes besprochen werden. Die folgende Behandlung der Hardware (Teil 2) lehnt sich konsequent an die Funktionseinheiten einer EDV-Anlage an, ist also gegliedert nach Eingabeeinheit, Speicherwerk, Steuerwerk, Operationswerk, Ausgabeeinheit. Am Ende dieses Hauptteiles steht der Funktionszusammenhang sowie die Vorstellung modernster Rechnerarchitekturen. Teil 3 hat zwei Aufgaben: Einmal wird Teil 2 erganzt, indem Herstellungstechnologien und technische Ausfuhrungen moderner Halbleiter-Digitalschaltungen besprochen werden; zum andern werden mit "Schaltalgebra" und "Iogischen Grundschaltungen" unerlaBliche theoretische und praktische Grundlagen der Digitalelektronik entwickelt. Teil4 schlielSt den Stoff mit einer Einfuhrung in die Software ab. Dabei wird besonderer Wert gelegt auf Problemanalyse, Programmablauf, Adressieren im Maschinen-Code und Betriebssysteme.

VI

Vorwort

: Digitale Datenverarbeitung

I

leill Einftihrung in die digitale Datenverarbei tu ng leil2

t

~

leil3 Digital-Elektronik

Hardware

~leil4

Software

leil 1 Grundlagen der SignalUbertragung leil 2 Modulation und Demodulation lei! 3 Obertragungsarten leil 4 Datenfernverarbeitungj SignalUbertragung

L

I

Das Lehrbuch Digitale Datenverarbeitung fur das technische Studium behandelt somit vorrangig die Hardware von EDV-Anlagen, erganzt durch einen Einblick in die Grundziige der Software. Gemag dem Strukturdiagramm 'wird mit einem zweiten Lehrbuch Signalubertragung noch ein Schritt weiter gegangen, indem die Datenfernverarbeitung vorgestellt wird. Ausgehend von den dafUr notigen Obertragungskaniilen werden aber in diesem Band die grundlegenden Prinzipien der Nachrichtentechnik im Vordergrund stehen. Wahrend da~ Lehrbuch Digitale Datenverarbeitung fiir das technische Studium bewugt qualitativ und damit weitgehend frei von mathematischem Ballast gehalten ist, wird die SignalUbertragung mehr quantitativ behandelt, um tiber ein,fundiertes Grundwissen hinaus die Fahigkeit zur Berechnung von Schaltungen und Nachrichtensystemen zu vermitteln. Oem Verlag danke ich fUr die gute Zusammenarbeit beim Entstehen dieses Buches. Harald Schumny

Braunschweig, im Mai 1975

VII

Bildquellenverzeichnis Amphenol-Tuchel Electronics GmbH, Deisenhofen (10.9) BASF AG, Ludwigshafen (6.15a, 6.19a, 6.19b) FACIT GmbH, DUsseldorf (6.4b, 10.27) Gevecke GmbH (Teletype), Norderstedt (6.4a, 10.23a) Grundig AG, Fiirth (1 0.23b) Hewlett-Packard GmbH, Frankfurt (6.8b, 10.49) I BM Deutschland, Stuttgart, Foto IBM/hans paysan (10.28) MDS-Deutschland GmbH, Koln (6.15b, 1 0.32b, 10.32c) Neumiiller GmbH, Miinchen (10.6, 10.45, 10.46b) Philips Electrologica GmbH, Diisseldorf (10.40, 10.41) Philips Elektronik Industrie GmbH, Hamburg (6.16) Siemens AG, Miinchen (6.8c, 1 0.36a, 10.36b) VALVO GmbH, Hamburg (7.5, 7.14, 7.15, 7.16, 10.2b, 10.2c, 10.4) LEYBOLD-HERAEUS, Koln [50] (9.15) INTEL Semiconductor GmbH, MUnchen (7.39, 7.40)

E. Bielser, Einfiihrung in die Automatik, Verlag "Der Elektromonteur", Aarau [18] (8.11,9.5,9.6,

9.9,9.13).

J. Steinhauer, Digitale Elektronik in der MeBtechnik und Datenverarbeitung, Philips GmbH, Fachbuch-Verlag, Hamburg. Band I, Theoretische Grundlagen und Schaltungstechnik [6] (4.2). Band II, Anwendung der digitalen Grundschaltungen und Geriitetechnik [8] (7.22,7.23,1 0.2a, 10.3,10.25,10.26,10.30,10.33,10.39).

F. Dokter,

K.- w. Stolz, Einfiihrung in die elektronische Datenverarbeitung, Philips/Westermann [3]

(6.1,6.11,6.18,7.17,7.18). H.-J. Tafel, Einfiihrung in die digitale Datenverarbeitung, Carl Hanser Verlag, Miinchen [9]

(9.11, 9.14, 9.16). H. Teichmann, Halbleiter, Bibliographisches Institut, Mannheim [31] (12.14, 12.17).

Bilder 6.5, 6.10,6.22,6.23 Wiedergegeben mit Genehmigung des Deutschen Normenausschusses. MaBgebend ist die jeweils neueste Ausgabe des Normblattes im Normformat A4, das bei der Beuth Verlag GmbH, 1 Berlin 30 und 5 Koln, erhiiltlich ist.

Bilder 6.2, 6.3, 6.9, 10.29, 10.32, 10.38 Genehmigter Nachdruck aus "Einfiihrung in IBM Datenverarbeitungssysteme - Lehrtext", Form 74992-1,©Copyright IBM CORPORATION 1960,1967,1971.

VIII

Vorbemerkungen Der gesamte Lehrstoff ist in vier Teile gegliedert. Jedem Teil ist eine kurze Obersicht vorangestellt. Die einzelnen Kapitel werden mit einer Auflistung der Groblernziele eingeleitet. Die meisten Kapitel schlieBen mit einer Zusammenfassung und kommentierten Literaturangaben. Innerhalb der Zusammenfassungen zeigen Diagramme den strukturellen Zusammenhang des betreffenden Kapitels mit anderen Abschnitten auf. Zusammenfassungen, wichtige Einzelheiten und Merksatze sind durch Aufrasterungen hervorgehoben. 1m laufenden Text sind bei Hinweisen auf spezielle Abschnitte nur die zugehorigen Zahlenkombinationen angegeben, z. B. "vgl. 4.3.1". Der Inhalt wichtiger Absatze ist durch ein vorangestelltes Stich wort gekennzeichnet. Zur Vertiefung des Lehrstoffes und zur Kontrolle wahrend des Studiums steht ein Arbeitsbuch zur VerfLigung. Mit dem Symbol---' I [AB 1.1] das zugehorige Arbeitsblatt verwiesen.

Iwird im Lehrbuch auf

Um eine Gliederung nach Arbeitsaufwand, Niveau und stoffbezogenen Teilen zu ermoglichen, wurde folgende Symbolik verwendet: Kennzeichen ~ (45 % des Lehrstoffes) besonders wichtige Abschnitte; ohne Kennzeichen (37 % des Lehrstoffes) weiterfiihrende Abschnitte; (18 % des Lehrstoffes) Spezialabschnitte, die bei einem ersten, grundKennzeichen * legenden Studium ausgelassen werden konnen. Mit Hilfe dieser Kennzeichnu~g kimn das Erarbeiten des Stoffes von zwei verschiedenen Gesichtspunkten her vorgeschlagen werden:

1. Gliederung nach Arbeitsaufwand und Niveau Siehe Graphik auf der rechten Seite 2. Gliederung nach stoffbezogenen Kursen Kurs 1 (Hauptkurs)

Einfiihrung in die digitale Datenverarbeitung mit Hardware, Digital· Elektronik und Software Umfang: Teile 1 bis 4 mit Kennzeichen ~

Kurs 2

Grundlagen und Hardware digitaler EDV·Anlagen Umfang: Teile 1 und 2 a) ohne * b) vollstand iger Text

Kurs 3

(50 % des Lehrstoffes) (60 % des Lehrstoffes)

Digital·Elektronik Umfang: Teil3

Kurs 4

(45 % des Lehrstoffes)

(27,5 % des Lehrstoffes)

Grundlagen der Software Umfang: Teil 4

(12 % des Lehrstoffes)

IX

1.0berblick GenUgt Ihnen ein zusammen· fassender Oberblick. mit dessen Hilfe Sie bei Bedarf anhand der Hinweise und des Registers gezielt in spezielle Problemkreise gefUhrt wer· den k(jnnen?

JA >--~

Dann sollten Sie die Zusammenfassungen an den Kapitelenden lesen

2. PlanmaSiges Studium Genilgt eine begrenzte aber grilndliche Information?

JA >-'----t~

5011 das Grundwissen durch Obungen und Ver· suche vertieft werden?

NEIN Sie wollen sich also umfassend informieren! Interessieren Sie sich zunachst nicht fUr neueste Entwicklungen, Technologien und Rand· probleme?

Foigen Sie den Hinweisen . ohne -- ~ '----~

mit

5011 die umfassende >-JA_~ Information durch Obungen und Versuche vertieft werden?

In diesem Fall sollten Sie das Buch vollstandig durcharbeiten und sich gegebenenfalls fUr eine Vertiefung des Stoffes der Hinweise auf das Arbeitsbuch bedienen!

Foigen Sie den Hinweisen . --

1m

AB

Erarbeiten Sie den Text ohne* und ohne -- IA[] JA

Erarbeiten Sie den Text ohne*

XI

Inhaltsverzeichnis

Teill. EinfUhrung in die digitale Datenverarbeitung 1. 1.1. ~ 1.2. 1.2.1. 1.2.2. * 1.3. * 1.4.

2. ~ 2.1. ~ 2.2.

Maschinelle oder Automatische Datenverarbeitung Die Hauptbereiche der maschinellen Datenverarbeitung Kommerzielle Datenverarbeitung Technisch·w issenschaftliche Datenverarbeitung Entwicklung der Datenverarbeitung Datenverarbeitung in der Zukunft

1 3 3 3 4 5

Struktur und Arbeitsweise eines EDV·Systems

6

2.4.

Prin z ip der Datenverarbeitung Funktionseinheiten einer EDV·Anlage Datenverarbeitungssystem Zusammenfassung und Literatur

3.

Darstellung von Daten

14

Bedeutung von Symbolen, Aufgabe der Codierung Zahlendarstellung Duales Zahlensystem Systematik und Zahlenumwandlung Dualzahlen-Arithmetik Oktalsystem Hexadezimalsystem

14 18 20 20 23 28 29

4.

Computer-Codes

32

4.1.

Reiner Binarcode (Pure Binary Code) 4-Bit-Codes (BCD) Computer-Codes mit mehr als 4 Bit Alphanumerischer 6-Bit-Code Alphanumerischer 8-Bit-Code (EBCDIC) Standard-Code fUr den Datenaustausch (ASCII) Zusammenfassung und Literatur zu 3 und 4

32 33 36 38 39 42 42

~ 2.3 .

~ ~ ~ ~

3.1. 3.2. 3.3. 3.3.1. ~ 3. 3.2. 3.4. 3.5 .

~ 4. 2 . ~ 4.3.

~ 4.3.1. ~

Einleitung und Obersicht

4.3.2.

~ 4 . 3.3.

4.4.

6 9

11 12

Teil2. Hardware

47

5.

Die EDV-Anlage

47

Rechnertypen Analog-Rechenanlagen Digital-Rechenanlagen Hybrid-Rechenanlagen Prinzipieller Aufbau einer EDV -Anlage

47 48 49 49 49

5.1. 5.1.1. 5.1.2. 5.1.3. ~ 5.2.

XII

. . .

•

*

*

* * * *

. . .

*

.

*

* *

. . . •

. . .

*

Inhaltsverzeichnis

6.

Eingabeeinheit

52

6.1. 6.2. 6.3. 6.3.1. 6.3.2. 604 . 6.5. 6.6. 6.6.1. 6.6.2. 6.6. 3. 6.604. 6.7. 6.8.

Lochstreifen Lochkarte Magnetband Magnetband 1 2 Aufzeich nu ngsverfah ren Magnetband- Kassette Magnetplatte Andere Daten t rager Flexible Disk (Floppy Disk) Magnetkontokarte Magnetsch rift (CMC7 -Schrift) Optische Klarschrift (OCR-A-Schrift) Datensicherung Zusammenfassung

52 57 60 60 63 65 68 70 70 71 71

7.

Speicherwerk

77

7.1. 7.1.1. 7.1.2. 7.1.3. 7.2. 7.3. 7.3.1. 7.3.2. 704. 704.1. 704.2. 7.5. 7.5.1. 7.5 .2. 7.6.

Hauptspeicher Kernspeicher Halbl eiterspeicher Neue Speicherelemente Hilfsspeicher Einteilung von Speicherelementen nach ihrem physikalischen Arbeitsprinzip Statische Speicher Dynamische Speicher Einteilung von Speicherelementen nach ihrem Verwendungszweck Register, Pufferspeic her (Kurzzeitspeicher) Festwertspeicher (ROM) Neue Speicherkonzepte Virtuelle Speicherung Assoziativspeicher Zusammenfassung und Literatur zu 6 und 7

8.

Steuerwerk

123

8.1. 8.2. 8.2.1. 8.2.2. 8.2.3 . 8.204. 8.3.

Aufgaben des Steuerwerks Funktionseinheiten des Steuerwerks Zahler Befehlsregister (I nstru ktionsregister) Mikroprogrammierung Vergleicher (Komparator) Befehlsablauf am Beispiel einer EinadreBmaschine

124 125 125 129

9.

Operationswerk (Rechenwerk)

140

9.1. 9.2. 9.2.1. 9.2.2. 9.2.3. 9.204. 9.2.5.

Aufgaben des Operationswerks Grundschaltungen des Rechenwerks Stellenverschieben und Komplementbildung Halbadd ierer Volladd ierer Serien- und Paralleladdierer BC D- Add ierwerk

140 141 141 143 144 146 148

72

73 75

78 80 90 93 99 103 104 105 108 109 111 115 115 118 119

131 132 134

I nhaltsverzeichnis

9.2.6.

9.3. 9.4.

Multiplikation von Dualzahlen Multiplikation und Division mit Festwertspeichern Gleitkommarechnung Zusammenfassung und Li t eratur zu 8 und 9

149 152 154 156

10.

Ausgabeeinheit

161

Alphanumerische Anzeigen mit Rohren, Halbleitern und FlUssigkristallen Nixie-Rohren, Gasentladungsrohren und GIUhfaden-Anzeigen Halbl e iteranzeigen Anzeigen mit FIUssigkristallen Bildschirmgerate Druck er Schreibmaschinen Drucker mit Typenrad Kettendrucker Walzendrucker Matrixdrucker Andere Druckverfahren Koordinatenschreiber (Plotter) Zusammenfassung und Literatu r

162 162 166

* 9.2.7.

~ 10.1. ~ 10. 1.1. ~ 10.1.2.

* 10.1.3. ~ 10.2. ~ 10.3. 10.3. 1. 10.3.2. 10.3.3. 10.3.4. 10.3.5. 10.3.6. 10.4. 10.5. 11. ~ 11.1.

*

XIII

11.2. 11.3. 11.3.1. 11.3.2. 11.3.3. 11 .3.4. 11.4.

170 173 175 176 177

179 181 183 184 189 191

Funktionszusammenhang

193

Allgemeiner Zusammenhang Beispiel EinadreBmaschine Rechnerarchi tek turen Klassische Architektur Kompaktrechn er- Arch itektu r Mikroprogrammierte Architektur Mul tiprozessor- Architek tur Literatu r

194 196 198 198 199 201 202 204

Teil 3. Digital-Elektronik

205

12.

Herstellungstechnologien von pn-Obergangen und Kontakten

12. 1. 12.1.1. 12.1.2. 12.1.3. 12.2. 12.3. 12.3. 1. 12.3.2. 12.3.3. 12.3.4. 12.4. 12.5. 12.6.

Halbleiterphysik Isolatoren Metalle Halbleiter pn- Obergange Herstellung von pn- Obergangen liehen von pn-Obergangen Legieren von pn- Obergangen Diffundieren von pn-Obergangen Epitaxieverfahren und lonen-Implantation Kontaktierungen Planartechnik und F otoatzverfahren Zusammenfassung und Literatur

205 206 207 208 209 213 216 218 218 220

13. ~ 13.1. ~ 13. 1.1.

222 225 229 235

Logische Elektronik

238

Schaltalgebra Zweiwertige Variable

238 238

XIV ~ 13.1.2.

Rechenregeln der Schaltalgebra Minimisierung von Schaltfunktionen Logische Grundschaltungen UND/ODER· bzw. ODER/UND-Glieder NICHT-, NAND-, NOR-Glieder Exklusiv-ODE R VerknUpfungsschaltungen Logik-Systeme mit diskretem Aufbau Monolithisch integrierte Logik-Systeme TTL-VerknUpfungen MOS-VerknUpfungen Zusammenfassung und Literatur

242 244 250 250 252 254 254 255 257 259 261 263

Logik· Techniken

266

Festwertspeicher (ROM) in TTL-Technik MOS-Technik Feldeffekt-Transistoren MOS-Schaltungen Neue MOS-Techniken COSMOS-Technik Speicherung ohne Halteleistung Lildungsverschiebeschaltungen (CTD) Neue bipolare Techniken Schottky-TTL COl- und BDI-Technologie Isoplanar-Technik Zusammenfassung und Literatur

266 269 269

15.

Opto·Elektronik

287

15.1. 15.2. 15.3. 15.4.

Physikalische Grundlagen Leuchtdioden (LED) Optokoppler Zusammenfassung und Literatur

287 291 295 297

~ 13.1.3. ~ 13.2. ~ 13.2.1. ~ 13.2.2.

~ 13.2.3. ~ 13.3. ~ 13.3. 1. ~ 13.3.2. ~ 13.3.3. 13.3.4. 13.4.

14. 14.1 . ~ 14.2. ~ 14.2_1. ~ 14.2.2. * 14.3. 14.3.1. 14.3.2. 14.3.3. * 14.4. 14.4.1. 14.4.2. 14.4.3. 14.5.

* *

*

*

272 274 274 277 278 280 280 282 284 285

Teil 4. Software

298

16.

Problemanalyse und Programmablauf

298

Problemanalyse Programmentwicklung Sinnbilder fUr Datenflug- und Programmablaufplane Datenflugplan Programmablaufplan Zusammenfassung und Literatur

298 300 300 303 306

17.

Programmieren und Adressieren einer ZweiadreBmaschine

17.1. 17.2. 17.2.1. 17.2.2. 17.3. 17.4.

Befehlsstruktur von Zweiadregmaschinen Programmieren im Maschinen-Code Vorbemerkungen Spezielies Beispiel: PDP11 Beispiel: Urlader-Programm (Bootstrap Loader) Zusammenfassung und Literatur

313 313

~ 16.1. ~ 16.2. 16.2.1. ~ 16.2.2. ~ 16.2.3. 16.3.

*

I nhaltsverzeichnis

311

315 315 316 319 325

xv

Inhaltsverzeichnis

18. ~ 18.1. ~ 18.2. ~ 18.3. 18.4. 18.5.

Programmiersprachen und Betriebssysteme

327 327 329 331 333 337

Symbolischc Programmiersprachen Assembler-Sprachen Compiler-Sprachen Betriebssysteme Zusammenfassung und Literatur

Literaturverzeichnis

339

Sachwortverzeichnis

342

Zusammenfassungen und kommentierte Literaturangaben Seite 2.4. 4.4. 6.8. 7.6. 9.4. 10.5. 12.6. 13.4. 14.5. 15.4. 16.3. 17.4. 18.5.

Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung

und Literatur und Literatur zu 3 und 4 und und und und und und und und und und

Literatur zu 6 und 7 Literatur zu 8 und 9 Literatur Literatur Literatur Literatur Literatur Literatur Literatur Literatur

Verknupfende Strukturdiagramme Bilder

Seite

2.4 4.9 7.43 9.23 10.50 13.36 17.16

13 46 121 159 192 264 326

12 42 75 119 156 191 235 263 285 297 311 325 337