Technische Informatik

Die Technische Informatik ist ein Teilgebiet der Informatik, welches sich mit der Entwicklung und Umsetzung von Computerhardware, elektronischen Bauteilen sowie eingebetteten Systemen beschäftigt. Der Schwerpunkt liegt auf Verständnis, Umsetzung und Optimierung der technischen Abläufe in der Computertechnik.

Grundlegende Konzepte der Technischen Informatik sind Hardware-Komponenten und Systemarchitekturen, digitale Schaltungen und Schaltungstechnik, Mikrocontroller und Mikroprozessoren, eingebettete Systeme und Echtzeitanwendungen, Kommunikationstechnik und Netzwerke, sowie Systemintegration und Hardware-/Software-Entwicklung.

Ein Beispiel ist die Entwicklung eines Raspberry-Pi-basierten Wettermessgeräts, das aus verschiedenen Sensoren besteht, die Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck messen. Die Daten werden an den Raspberry Pi gesendet, der sie verarbeitet und an einen Webserver übermittelt, wo die Werte abgerufen und grafisch dargestellt werden.

Entwicklung von Hardware-Komponenten und Integration von Systemen

Softwareentwicklung, Datenanalyse und Data Science

Hardware-Design und -Entwicklung, Systemintegration und Test, Anwendungsentwicklung für eingebettete Systeme

Ressourcenverwaltung, Dateisystemverwaltung, Prozessverwaltung, Kommunikation und Synchronisation, Sicherheit und Schutz

Endgeräte, Netzwerkkomponenten, Übertragungsmedien, Protokolle

Ausführung von Befehlen und Verarbeitung von Daten

Spezialisierung, Miniaturisierung, Leistungsfähigkeit und Effizienz, Zuverlässigkeit und Robustheit

Mikrocontroller oder Mikroprozessor, Sensoren und Aktoren, Kommunikationsschnittstellen, Speicher und Speichersysteme

Edge Computing, Künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML), Internet der Dinge (IoT)

Die grundlegenden Operationen einer ALU sind arithmetische und logische Operationen.

Addierer, Logikgatter, Vergleicher, Register und Steuerwerk sind wichtige Komponenten des grundlegenden ALU-Aufbaus.

Die ALU ist in der CPU für die Durchführung von Rechenoperationen und die logische Verarbeitung der Befehle verantwortlich.

Flags sind binäre Signale, die den Status bestimmter Operationen anzeigen, z.B. Überlauf, Null oder Negativ.

Automobilindustrie, Industriesteuerungen, Medizintechnik, Konsumelektronik, IoT-Geräte

ALU Mikrocontroller haben einen niedrigeren Stromverbrauch als CPUs.

ALU Mikrocontroller sind hilfreich in Anwendungen mit geringerem Stromverbrauch, Kosten und einfacherer Integration, wie z.B. in eingebetteten Systemen und spezialisierten Geräten.

CPUs werden bevorzugt in leistungsorientierten Anwendungen eingesetzt, da sie hohe Rechenleistung, intensive Parallelverarbeitung und Skalierbarkeit für anspruchsvolle Anwendungen bieten.

Die ALU (Arithmetic Logic Unit) ist eine zentrale Komponente von Computern, die arithmetische und logische Operationen durchführt. Alan Turing entwickelte die erste elektronische ALU für den Manchester Mark 1 Computer im Jahr 1948, die aus Röhrentechnologie und Relais bestand.

Der Intel 4004 war der erste kommerzielle Mikroprozessor, der 1971 eingeführt wurde. Er revolutionierte die ALU-Entwicklung, indem er die Integration der ALU und anderer Prozessorkomponenten in einem einzigen Chip ermöglichte, was die Entwicklung von Mikrocomputern und die Verbreitung von Personal Computern förderte.

Ein De-Multiplexer ist ein Schaltungsgerät mit einem einzelnen Eingang und mehreren Ausgängen. Es dient dazu, das auf dem Eingang anliegende Signal auf einen der Ausgänge zu übertragen, wobei die Auswahl durch zusätzliche Eingangssignale, die sogenannten Auswahl- oder Steuersignale, bestimmt wird. Besonders wichtig ist er in der Datenkommunikation und Signalverarbeitung.

Ein De-Multiplexer verteilt eine einzelne Eingabe auf mehrere Ausgänge basierend auf einer Reihe von Steuerungsbits. Er findet Anwendung in der Datenkommunikation, der Signalverarbeitung und der Netzwerktechnik zum Routing in Netzwerken, zur Trennung von Unterfrequenzen oder zur Leitungsverteilung.

Ein Analog-Multiplexer kombiniert mehrere Eingangssignale in ein einzelnes Ausgangssignal, während ein De-Multiplexer ein einzelnes Eingangssignal auf mehrere Ausgangssignale verteilt.

Ein Analog-Multiplexer nimmt mehrere Eingangssignale auf und kombiniert sie zu einem Ausgangssignal. Ein De-Multiplexer nimmt ein Eingangssignal und verteilt es auf mehrere Ausgangssignale.

Ein Clock Multiplexer ist ein spezieller Typ von Multiplexer zur Steuerung von Takt- oder Timing-Signalen in digitalen Systemen. Er agiert als Schalter für verschiedene Clock-Signale und ermöglicht eine effiziente Kontrolle des Datenflusses.

Ein Dual Multiplexer ist ein Gerät, das als zwei separate Multiplexer in einem einzelnen Gerät agiert. Es hat zwei völlig unabhängige Satz von Eingangsleitungen und je eine Ausgangsleitung und ermöglicht die gleichzeitige Kontrolle zweier verschiedener Datensignale.

Ein Multiplexer CMOS ist ein elektronischer Schalter, der mithilfe von CMOS-Transistoren implementiert ist. Die CMOS-Technologie bietet Vorteile wie geringen Stromverbrauch, hohe Rauschunempfindlichkeit und großen Aussteuerbereich. Sie ermöglicht auch die Implementierung verschiedener logischer Funktionen, einschließlich jener eines Multiplexers, bei hoher Geschwindigkeit und minimalem Stromverbrauch.

Eine Wahrheitstabelle für einen Multiplexer zeigt die Ausgänge für alle möglichen Kombinationen der Eingänge. Bei einem 2:1-Multiplexer mit den Eingängen E0 und E1 und einem Steuerleitungsbit S repräsentieren die Zeilen die verschiedenen Kombinationen der Eingänge. Wenn S = 0, wird der Wert von E0 an den Ausgang übertragen, wenn S = 1, der Wert von E1 - unabhängig vom anderen Eingang.

Ein Multiplexer ist ein Kombinationsschaltkreis, der mehrere Signale auf einen einzigen Ausgang übertragen kann. Der Hauptzweck besteht darin, mehrere Eingangssignale gleichzeitig über eine einzige Leitung zu übertragen, indem die Eingangssignale in einen einzigen Datenstrom konvertiert und sequenziell übertragen werden.

Das Auswahlbit ist ein eindeutiger Identifikator, der jedes Eingangssignal in einem Multiplexer repräsentiert. Es wird verwendet, um zu bestimmen, welches Eingangssignal zum Ausgang gelangt, indem es spezifisch für das jeweilige Signal verwendet wird, und ermöglicht eine eindeutige Zuordnung bei der Signalauswahl.

Eine Flip-Flop Schaltung ist eine bistabile Schaltung in der digitalen Technik, die durch zwei stabile Zustände gekennzeichnet ist. Sie kann zwischen diesen Zuständen umschalten. Jede solche Schaltung besteht aus einem Set- und einem Reset-Eingang. Sie speichern einen Zustand, zum Beispiel eine '0' oder eine '1' im Rahmen der binären Logik.

Es gibt verschiedene Arten von Flip-Flop Schaltungen wie das RS-Flip-Flop, das D-Flip-Flop, das JK-Flip-Flop und das T-Flip-Flop. Sie finden Anwendung in Computern und digitalen Systemen als Speicherzellen, in digitalen Schaltungen zur Speicherung von Zuständen und zur Implementierung von Zählern sowie in der Datenkommunikation zur Pufferung und sequenziellen Verarbeitung von Datenpaketen.

Ein D Flip-Flop dient der Datenspeicherung. Seine Ausgänge nehmen immer den Zustand des Dateneingangs beim letzten Takt an. Wenn die Taktzustände verschiedene Werte haben, nimmt der Ausgang den Wert des D-Eingangs an. Sind die Taktzustände gleich, bleibt der Ausgang unverändert.

Ein JK Flip-Flop ändert bei jedem ansteigenden Takt und gleichzeitigem Set und Reset die Ausgangssignale. Die Ausgänge sind deshalb immer definiert. JK Flip-Flops finden Anwendung in digitalen Schaltungen, die Zähler oder Frequenzteiler implementieren.

Eine Flip-Flop Schaltung basiert auf zwei stabilen Zuständen, die durch Eingangssignale oder die interne Schaltungsverdrahtung festgelegt werden. Sie kann ihren Zustand "behalten" oder "speichern", bis sie explizit dazu aufgefordert wird, zu einem anderen Zustand zu wechseln. Es hat mindestens zwei Eingänge, und jedem dieser Eingänge ist ein Signal zugeordnet.

Flip-Flop Schaltungen werden in vielen elektronischen Geräten wie Computern, Mobiltelefonen, digitalen Uhren und Mikroprozessoren verwendet. Sie dienen als grundlegende Speicherbausteine und können den Zustand eines digitalen Signals speichern und halten, was für das effektive Funktionieren der Systeme wesentlich ist.

Das D Flip-Flop wird für die Speicherung und Verzögerung von Daten genutzt. Bei anliegendem Taktimpuls nimmt der Ausgang den gleichen Wert wie der Eingang an. Wenn kein Taktimpuls vorliegt, behält der Ausgang den letzten Zustand bei.

Ein JK Flip-Flop ist eine erweiterte Version des RS Flip-Flops, die unbestimmte Zustände löst, die auftreten, wenn beide Eingänge gleichzeitig auf '1' gesetzt sind. Bei J=1 und K=1 kehrt es den Ausgang um, statt in einen unbestimmten Zustand zu geraten.

Flip-Flop Schaltungen dienen als elementare Speicherbausteine in digitalen Systemen. Sie können Informationen in Form von digitalen Signalen speichern und auch gegebenenfalls wieder ausgeben.

Flip-Flop Schaltungen haben es ermöglicht, Daten zu speichern und abzurufen, was die Geschwindigkeit und Effizienz digitaler Systeme verbessert hat. Sie haben zur Entwicklung kleinerer und effizienterer Schaltkreise beigetragen, was wiederum die Rechenleistung erhöht und den Energieverbrauch von Technologiegeräten reduziert hat.

Die Quantisierung ist ein Prozess, der kontinuierliche oder unendlich diskrete Werte in ein endlich diskretes System umwandelt. Sie ist eine Methode zur Reduzierung der Datenmenge und ermöglicht es, reale, kontinuierliche Signale und Werte in eine digitale Form zu bringen.

Ein technisches Beispiel für die Quantisierung ist die Erstellung von alten 8-Bit-Videogame-Charakteren. Um die Spielfiguren zu erstellen, wurden diese aus einer Vielzahl von Farben auf eine begrenzte Farbpalette reduziert. Dies wurde durch Quantisierung erreicht.

In der Audiotechnik bestimmt die Anzahl der Quantisierungsstufen die Auflösung und Bandbreite des Signals und damit die Audioqualität. Wird die Quantisierung perfekt ausgeführt, ist das Signal vom Original nicht zu unterscheiden.

Quantisierung in der Bildverarbeitung bedeutet die Reduktion der nahezu unendlichen Farb- und Graustufenmöglichkeiten auf eine begrenzte Anzahl. Dies ist notwendig für die effiziente Speicherung und Bearbeitung von Bildern durch digitale Geräte.

Die zwei entscheidenden Schritte in der digitalen Bildverarbeitung sind die Abtastung und die Quantisierung. Die Abtastung erzeugt eine Pixelmatrix aus dem kontinuierlichen Bild, die Quantisierung reduziert danach die Anzahl der Farben oder Graustufen, die jedes Pixel annehmen kann.

Der Quantisierungsfehler tritt auf, wenn der tatsächliche Pixelwert nicht genau durch den quantisierten Wert dargestellt wird. Er kann die Bildqualität beeinträchtigen und zu Verzerrungen führen, insbesondere wenn die Anzahl der Quantisierungsniveaus gering ist. Außerdem kann er die nachfolgende Bildverarbeitung beeinflussen.

Lineare Quantisierung ist die Umwandlung von kontinuierlichen Eingangssignalen in diskrete Ausgangssignale mit gleichmäßig verteilter Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Quantisierungsstufen. Sie kommt in digitalen Audio-Systemen, digitaler Bildverarbeitung und digitaler Kommunikation zum Einsatz.

Nichtlineare Quantisierung hat eine variable Verteilung der diskreten Werte, wobei der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Quantisierungsstufen variieren kann. Sie wird vorrangig in Systemen mit hoher Dynamik eingesetzt, wie bei Audiosignalen oder bei der Bildverarbeitung.