Lecture: Computer Engineering


The most important facts about my basic lecture "computer engineering" are summarized in the following:

  • Courses: AIW, CI, ET, GES, IIW, LUM, MECH
  • Duration: 6 ECTS lecture (incl. exercises)
  • Exam: written
  • Zeitraum: Winter semester
  • Location: Building H, Great Lecture Hall I


Content


1. Introduction

  • Principles of digital design
  • Analog versus Digital
  • Gates and flip-flops
  • Aspects of digital design
  • Integrated cicuits
  • Digital devices
  • Time-to-market


2. Number Systems and Codes

  • General positional number systems
  • Representation of numbers
  • Binary arithmetic
  • Number and character codes
  • Codes for detecting and correcting errors
  • Codes for serial data transmission
  • Binary prefixes


3. Digital Circuits

  • Logic signals and gates
  • Logic families
  • CMOS logic
  • CMOS circuits: electrical behavior
  • CMOS input and output structures
  • Bipolar logic
  • CMOS logic families
  • CMOS/TLL interfacing


4. Combinational Logic Design (Principles)

  • Switching algebra
  • Combinational-circuit analysis
  • Combinational-circuit synthesis
  • Minimization
  • Timing hazards


5. Combinational Logic Design (Practices)

  • Documentation standards
  • Timing of digital circuits
  • Decoders and encoders
  • Three-state devices
  • Multiplexers and demultiplexers
  • Exclusive-OR gates and parity circuits
  • Comparators
  • Adders and subtractors
  • Combinational multiplier
  • Barrel shifter
  • Arithmetic and logic unit (ALU)


6. Sequential Logic Design (Principles)

  • State concept and clock signal
  • Bistable elements
  • Asynchronous latches
  • Synchronous latches
  • Synchronous flip-flops
  • Overview: latches and flip-flops
  • Clocked synchronous state-machine analysis
  • Clocked synchronous state-machine design
  • Designing state machines using state diagrams
  • Sequential-circuit design with VHDL
  • Decomposing state machines


7. Sequential Logic Design (Practices)

  • Sequential-circuit documentation standards
  • Latches and flip-flops
  • Counters
  • Shift registers
  • Iterative versus sequential circuits
  • Synchronous design methodology
  • Impediments to synchronous design


8. Memory, PLDs, CPLDs und FPGAs

  • ROM, SRAM, DRAM, SDRAM
  • Programmable logic devices (PLDs)
  • Complex programmable logic devices (CPLDs)
  • Field-programmable gate arrays (FPGAs)


9. Microprocessor Technology (Principles)

  • Computer history
  • Von Neumann architecture
  • Components of a microprocessor system

 

Literature

  • S. Voigt, Lecture notes „Computer Engineering" (German)
  • J. Wakerly, Digital Design: Principles and Practices, 4th edition, 2010, Pearson Prentice Hall, ISBN: 978-0-13-613987-4
  • D. Hoffmann, Grundlagen der Technischen Informatik (German), 2nd edition, 2010, Carl Hanser Verlag, ISBN: 978-3-446-42150-9


Lecture resources

  • Lecture notes (9 chapters, 495 Figures, 688 slides, 350 pages)
  • Exercises (12 exercise sheets incl. solutions, 159 slides, 83 pages)
  • Quizzes (44 questions incl. solutions, 89 slides, 47 pages)

Note: All resources of the lecture, e.g., lecture notes, exercises, quizzes, exam templates, exam results etc. are provided for downloading in the "e-learning" portal (Stud.IP)!

 

Evaluation (German; Students lecture evaluation)

 

 

Webcast of the lecture (German; full access via TUHH account)

1. Lecture (16.10.2012)

  • Motivation, Organisatorisches & Literatur
  • Kapitel 1: Einführung in die Technische Informatik

- 1.1 Grundlagen der Digitaltechnik
- 1.2 Analog versus Digital

protected link 2. Lecture (18.10.2012)
  • 1. Kapitel: Einführung in die Technische Informatik

- 1.3 Gatter und Flipflops
- 1.4 Aspekte der Digitaltechnik
- 1.5 Integrierte Schaltkreise
- 1.6 Digitale Systeme
- 1.7 Time-to-Market

  • 2. Kapitel: Zahlendarstellung & Codierung

- 2.1 Zahlensysteme

protected link 3. Lecture (23.10.2012)
  • 2. Kapitel: Zahlendarstellung & Codierung

- 2.1 Zahlensysteme (Forts.)
- 2.2 Rechnerinterne Zahlenformate
- 2.3 Arithmetische Operationen im Dualsystem

protected link 4. Lecture (25.10.2012)
  • 2. Kapitel: Zahlendarstellung & Codierung

- 2.4 Zahlen- und Zeichencodes
- 2.5 Fehlererkennende und -korrigierende Codes
- 2.6 Codes zur seriellen Datenübertragung
- 2.7 Binäre Vorsätze für Zweierpotenzen

5. Lecture (30.10.2012)

  • 2. Kapitel: Zahlendarstellung & Codierung

- Zusammenfassung

protected link 6. Lecture (01.11.2012)
  • 3. Kapitel: Digitale Schaltungstechnik

- 3.1 Logische Signale und Gatter
- 3.2 Logikfamilien
- 3.3 CMOS-Logik
- 3.4 CMOS-Schaltungstechnik: Elektrisches Verhalten

protected link 7. Lecture (06.11.2012)
  • 3. Kapitel (Digitale Schaltungstechnik)

- 3.4 CMOS-Schaltungstechnik: Elektrisches Verhalten

protected link 8. Lecture (08.11.2012)
  • 3. Kapitel (Digitale Schaltungstechnik)

- 3.4 CMOS-Schaltungstechnik: Elektrisches Verhalten (Forts.)
- 3.5 CMOS-Schaltungen für Ein- und Ausgänge

protected link 9. Lecture (13.11.2012)
  • 3. Kapitel (Digitale Schaltungstechnik)

- 3.5 CMOS-Schaltungen für Ein- und Ausgänge (Forts.)
- 3.6 Bipolare Logik und TTL-Schaltungstechnik

protected link 10. Lecture (15.11.2012)
  • 3. Kapitel (Digitale Schaltungstechnik)

- 3.6 Bipolare Logik und TTL-Schaltungstechnik (Forts.)
- 3.7 CMOS-Logikfamilien
- 3.8 CMOS/TTL-Schnittstelle
- Zusammenfassung

protected link 11. Lecture (22.11.2012)
  • 4. Kapitel: Schaltnetze (Grundlagen)

- 4.1 Boolesche Algebra
- 4.2 Analyse kombinatorischer Schaltungen

protected link 12. Lecture (27.11.2012)
  • Kapitel 4: Schaltnetze (Grundlagen)

- 4.3 Synthese kombinatorischer Schaltungen
- 4.4 Minimierungsverfahren

protected link 13. Lecture (29.11.2012)
  • 4. Kapitel: Schaltnetze (Grundlagen)

- 4.4 Minimierungsverfahren (Forts.)

protected link 14. Lecture (04.12.2012)
  • Kapitel 4: Schaltnetze (Grundlagen)

- 4.5 Störimpulse bei digitalen Schaltungen

  • Kapitel 5: Schaltnetze (Anwendungen)

- 5.1 Standards zur Dokumentation

protected link 15. Lecture (06.12.2012)
  • 5. Kapitel: Schaltnetze (Anwendungen)

- 5.1 Standards zur Dokumentation (Forts.)
- 5.2 Zeitverhalten digitaler Schaltungen
- 5.3 Decodierer und Codierer
- 5.4 Tri-State-Logikgatter und Bussysteme
- 5.5 Multiplexer und Demultiplexer

protected link 16. Lecture (11.12.2012)
  • 5. Schaltnetze (Anwendungen)

- 5.6 Präfix-Logik, und Paritätsschaltungen
- 5.7 Komparatoren

protected link 17. Lecture (13.12.2012)
  • 5. Kapitel: Schaltnetze (Anwendungen)

- 5.8 Addierer und Subtrahierer
- 5.9 Multiplizierer
- 5.10 Barrel-Shifter
- 5.11 Arithmetisch-Logische Einheit (ALU)

  • 6. Kapitel: Schaltwerke (Grundlagen)

- 6.1 Zustandsbegriff und Taktsignal
- 6.2 Bistabile Speicherelemente
- 6.3 Asynchrone Speicherelemente

protected link 18. Lecture (18.12.2012)
  • 6. Kapitel: Schaltwerke (Grundlagen)

- 6.3 Asynchrone Speicherelemente (Forts.)
- 6.4 Synchrone taktzustandsgesteuerte Speicherelemente

protected link 19. Lecture (20.12.2012)
  • 6. Kapitel: Schaltwerke (Grundlagen)

- 6.5 Synchrone taktflankengesteuerte Speicherelemente
- 6.6 Übersicht: Latches und Flipflops
- 6.7 Analyse von Schaltwerken

protected link 20. Lecture (08.01.2013)
  • Evaluierung der Lehrveranstaltung
  • 6. Kapitel: Schaltwerke (Grundlagen)

- Wiederholung: 6.7 Analyse von Schaltwerken

protected link 21. Lecture (10.01.2013)
  • 6. Kapitel: Schaltwerke (Grundlagen)

- 6.8 Klassisches Design von Schaltwerken
- 6.9 Design von Schaltwerken mit Zustandsübergangsgraphen

protected link 22. Lecture (15.01.2013)
  • 6. Kapitel: Schaltwerke (Grundlagen)

- 6.9 Design von Schaltwerken mit Zustandsübergangsgraphen (Forts.)
- 6.10 Design von Schaltwerken mit VHDL

protected link 23. Lecture (17.01.2013)
  • 6. Kapitel: Schaltwerke (Grundlagen)

- 6.10 Design von Schaltwerken mit VHDL (Forts.)
- 6.11 Hierarchische Schaltwerkstrukturen

  • 7. Kapitel: Schaltwerke (Anwendungen)

- 7.1 Standards zur Dokumentation
- 7.2 Latches und Flipflops
- 7.3 Zähler
- 7.4 Schieberegister

protected link 24. Lecture (22.01.2013)
  • 7. Kapitel: Schaltwerke (Anwendungen)

- Wiederholung: 7.4 Schieberegister
- 7.5 Iterative Schaltnetze versus Schaltwerke
- 7.6 Design-Methodik für synchrone Systeme
- 7.7 Problematik bei synchronen Designs

protected link 25. Lecture (24.01.2013)
  • 7. Kapitel: Schaltwerke (Anwendungen)

- Wiederholung: 7.7 Problematik bei synchronen Designs

  • 8. Kapitel: Speicher, PLDs, CPLDs & FPGAs

- 8.1 Speicher
- 8.2 Programmable Logic Devices (PLDs)

protected link 26. Lecture (31.01.2013)
  • 8. Kapitel: Speicher, PLDs, CPLDs & FPGAs

- 8.2 Programmable Logic Devices (PLDs) (Forts.)
- 8.3 Complex Programmable Logic Devices (CPLDs)
- 8.4 Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs)

  • Besprechung der Ergebnisse zur Lehrevaluation
  • 9. Kapitel: Mikroprozessortechnik (Grundlagen)

- 9.1 Historisches
- 9.2 Von-Neumann-Architektur
- 9.3 Komponenten eines Mikroprozessors