Unterrichtseinheit Informatik 1 (Klasse 8)

Einordnung in die Rahmenrichtlinien:

1. Technik am Beispiel der NT erfahren und dabei die Fähigkeit zum technischen Handeln entwickeln.
2. Beim Einsatz von NT und im Umgang mit NT die Dimension des sozial verantwortlichen Handelns erkennen.
3. Auswirkungen der NT für sich und für die Gesellschaft abschätzen können.
4. Den Aufbau des Computers und die Wirkungsweise seiner Funktionsgruppen kennen lernen.
5. Die Einsatzmöglichkeiten des Mikrocomputers in unterschiedlichen Bereichen erkennen.
6. Erkennen, dass der Computer nur in Verbindung mit entsprechender Software bestimmte Aufgaben erfüllen kann.

a) Informationen übermitteln (HS; Klasse 8)
b) Informationen speichern und übermitteln (HS; Klasse 9)
c) Maschinen- und Produktionstechnik
Der Computer als technisches Instrument (HS; Klassen 7 - 10)

In den NLI-Materialien ist eine Unterrichtseinheit für das Fach Technik angegeben, die sich wie folgt gliedert:

1. Struktur und Aufbau des Computers
2. Logische Funktionen
3. Auswirkungen der NT im Freizeit- und Arbeitsleben
4. Beispiele des Computereinsatzes
5. Der Computer als Steuerelement
6. Bau einer computergesteuerten Segementanzeige


UE-Informatik; HS; Klasse 8

Für den 8. Jahrgang habe ich eine Unterrichtseinheit ausgearbeitet, die verschiedene Aspekte des Lernbereichs reduziert und mit Hilfe der Fischertechnikbaukästen in mehreren Schritten die Aspekte des Regelkreises und einiger logischer Grundfunktionen entwickelt.

Schritte:

1. Regelkreis
2. Einfacher Stromkreis
3. Stromkreis als Informationsflussweg
4. ODER-Schaltung
5. UND-Schaltung
6. NICHT-Schaltung
7. Binärsystem
8. Entwicklung der elektronischen Schaltkreise


1. Lehrfolge: Regelsystem

Die Fabel von den Stachelschweinen
Eine Gesellschaft Stachelschweine drängte sich an einem kalten Wintertage recht nahe beisammen, um sich gegenseitig zu wärmen. Doch als sie sich eng aneinander drückten, piekten sie sich mit ihren Stacheln. Deswegen rückten sie wieder auseinander. Alsbald froren sie wieder, rückten abermals zusammen und piekten sich erneut. Das Spiel wiederholte sich solange, bis sie eine Entfernung herausgefunden hatten, in der sie sich nicht zu sehr piekten und nicht zu sehr froren. (A. Schopenhauer)

Auf die Fabel übertragenes Regelsystem:
1.1. Die Begriffe Istwert und Sollwert kennen lernen.
1.2. Die Leistung des Vergleichs von Sollwert mit Messergebnissen der Istwerte erkennen
1.3. Die Möglichkeit der Handlungsanweisung aus dem Vergleich von Ist- und Sollwert beschreiben können.
1.4. Die Begriffe Regelkreis, Regelstrecke und Regler an einem einfachen Beispiel erläutern können.

Arbeitsfragen:

1. Was wollen die Stachelschweine erreichen? (Sollwert)
2. Wie fühlen sie sich bei zu großer Entfernung, zu großer Nähe? (Istwert; Messwert; Regelstrecke)
3. Wie reagieren die Stachelschweine, wenn sie zu nah oder zu weit entfernt sind? (Handlungsanweisung)
4. Was haben Stachelschweine mit einen modernen Fabrik zu tun? (Regelaufgabe)


2. Lehrfolge Heizungsanlage

Warum nennt man das Regelkreis?

2.1. Die Arbeit einer Regelfunktion kennen lernen
2.2. Den Nutzen einer automatisierten Regelfunktion schätzen lernen.
2.3. Den Begriff `Instabiles Gleichgewicht' kennen lernen
2.4. Den Informationsgehalt der Aussagen `ja' und `nein' am einfachen Beispiel erläutern können
2.5. An einem einfachen Beispiel ein Blockschaltbild entwickeln können.

Vor nicht allzu langer Zeit

Vor 20 Jahren gab es in vielen Wohnungen zwar eine Zentralheizung, doch ihre Steuerung konnte man nur direkt an der Heizungsanlage vornehmen. Franziska sitzt in ihrem Wohnzimmer und trinkt Tee mit ihren Nachbarinnen. Sie hatte vorher im Keller den Ölbrenner tüchtig aufgedreht, damit es ihre Freundinnen schön warm haben. Doch sie hatte nicht gewußt, daß draußen die Temperatur um 10 Grad sinken würde. Alma rutscht immer mehr auf ihrem Sessel herum und fragt ziemlich laut: "Ich glaube, wir müssen unsere Jacken anziehen!" Franziska widerspricht und sagt, sie müsse eben nur kurz in den Keller laufen. Dort dreht sie die Heizung noch weiter auf, setzt sich beruhigt zu ihren Freundinnen und die freuen sich, daß es mollig warm im Zimmer wird. Doch nach einiger Zeit behauptet Alma spitz:" Sag einmal, eine Sauna braucht ihr euch ja wohl nicht zu kaufen?" Spricht's und zieht sich ihre Wolljacke aus. Franziska als gute Gastgeberin läuft wieder in der Keller und dreht die Heizung wieder kleiner. Und so rennt die arme Franziska immer weiter im Lauf des Abends rauf und runter und denkt: "Eigentlich könnte jemand etwas erfinden, das mir diese Rennerei erspart!" 

Arbeitsfragen:

1. Wie hoch schätzt ihr ist der Istwert bei einem gemütlichen Abend?
2. Wie antwortet wohl Alma auf die Frage anfangs, ob ihr warm genug ist? (nein)
3. Wie beantwortet die entwollte Franziska auf die Frage, ob ihr zu kalt ist? (nein)
4. Kannst Du an diesem Beispiel den Begriff `instabiles Gleichgewicht' erklären?
5. Welches Gerät im Wohnzimmer erspart heute die Rennerei? (Regler, Thermostat)
6. Was bewirkt die Einstellung des Reglers bei der Heizungsanlage, wenn der Sollwert unter- bzw. überschritten wird?
7. Man kann mit den Begriffen Regler, Regelstrecke (Luft, elektrischer Strom), Heizungsanlage) ein einfaches Modell anhand eines sogenannten Blockschaltbildes darstellen.

Grafik Heizungsanlage

Die Heizungsanlage unserer Schule
Unser Hausmeister Heinrich Kielmann erklärt einer Technikgruppe die Funktion der Heizungsanlage an unserer Schule:


3. Lehrfolge

Regelaufgabe im Walzwerk
Peter arbeitet in einem Walzwerk. Dort kommen weiß glühende Stahlblöcke an und werden auf einer langen Walzenstraße von 1 m Dicke zu dünnem Stahlblech von 1 mm Dicke ausgewalzt. Dafür müssen viele Walzen hintereinander geschaltet sein, denn mit einem Mal ist das nicht zu schaffen, um z.B. Stahl für Autokotflügel oder den Stahlrücken einer Armbanduhr herzustellen. Die Steuerung überwacht Peter von einem Leitstand aus, die Walzen sind in der Reihe von 95 cm bis 0,01 cm geschaltet. Elektromotoren bestimmen automatisch gesteuert den Druck auf das rasend schnell vorbeijagende Stahlband, damit am Ende ein gleichmäßig glattes Blech herauskommt. Dafür sind jeweils Soll-Werte eingegeben, die mit den Ist-Werten verglichen werden. Das ist die Regelaufgabe in der Produktionsanlage einer Fabrik, in der Stahlfolie als Halbzeug gewalzt wird. Was ist der Unterschied zwischen einer Handmessung und einem automatischen Regelkreis?

Das Wesentlichste an einem Automaten ist der Regler. Je mehr Aufgaben zu lösen sind, desto komplizierter ist ein Regler.

Das Grundprinzip erkennst du anhand dieser Zeichnung:
1. Wann wird das Ausgangssignal für ein leichtes Anheben der Walzen gegeben?
2. Wann werden die Walzen weiter angedrückt?

Die Genauigkeit der Anlage kann ¼ mm sein. Innerhalb dieser Angabe (± 0,25 mm) reagieren die Motoren noch nicht. Man nennt dies den Toleranzbereich der Anlage.

Ein solches Blockschaltbild zeigt das einfache Modell eines Regelkreises.

Die Wissenschaft, die sich mit Regelkreisen beschäftigt, nennt man Kybernetik.
1. Welche Rolle hat wohl die Kybernetik z.B. für ein Walzwerk?
2. An welcher Stelle könnte ein Computer eingesetzt werden?


4. Lehrfolge: Wir verarbeiten Informationen

Informationen mit Hilfe von elektrischen Schaltungen verarbeiten Material:
Trafo, Tastschalter, Baustein, Lampenwürfel mit Buchsen, Kabel mit Stecker

4.1. Der einfache Stromkreis

Lampe zum Leuchten bringen und einfachen Stromkreis unterbrechen können.
Für die Zeichnung des Stromkreis die richtigen Symbole verwenden können.

Aufgabe:

1. Prüfe, ob die Glühlampe im Lampenwürfel heil ist.
2. Zeichne den Schaltplan für die Schaltung.
3. Wieviel Möglichkeiten hast du, den Stromkreis zu unterbrechen?
4. Baue den Stromkreis nach dem Schaltplan auf.

4.2. Stromkreis mit Tastschalter

Lampe durch einen Tastschalter ein- und ausschalten können.
Schaltersymbol in das Schaltbild einfügen können.

Aufgabe:

1. Zeichne den Schaltplan
2. Benutze beim Tastschalter nur die graue Seite.
3. Baue den Stromkreis nach dem Schaltplan auf.
4. Wann leuchtet die Lampe?
5. Wie viel Zeit brauchst du
a) für das Zeichnen des Plans?
b) für den Aufbau der Schaltung?

6. Jeder muss die Schaltung eigenständig aufbauen. Dazu muss sie jeweils komplett abgebaut und die Teile einsortiert werden.


4.3. Wir übertragen Informationen

Über Schalter und Lampe Informationen übermitteln und die richtigen Begriffe anwenden können.

Die Übermittlung von Informationen spielt eine große Rolle. Hauptproblem ist, Informationen in Signale umzuwandeln, diese zu übermitteln und in Informationen zurückzuverwandeln.

Der Vorgang lässt sich so beschreiben (Beispiel):

1. Du willst deinem Freund eine Mitteilung machen (Informationsgeber)
2. Du wandelst die Information in Sprache um (Umwandlung der Signale)
3. Schallwellen werden durch die Luft übertragen (Signalflussweg)
4. Dein Freund hört die Schallsignale. Er wandelt sie in Gedanken zurück (Rückwandlung der Signale)
5. Dein Freund weiß jetzt, was du willst (Informationsempfänger)

4.3.1. Flaggensignale

In der Seefahrt reichen für weite Entfernungen die einfachen Schallwellen nicht, um Signale zu übermitteln. In Notfällen können Funkgerät und Morsegerät ausgefallen sein. Aus der Zeit der Segelschiffe hat man deshalb das Flaggenalphabet beibehalten: 

4.3.2. Morsealphabet

Um Signale auf elektrischem Weg über weite Strecke mit möglichst einfachen Mitteln übertragen zu können (zum Beispiel vor 100 Jahren quer durch den amerikanischen Kontinent), wurde das Morsealphabet erfunden. Es ist internationl bekannt. Zum Beispiel konnten sich in der Zeit des Nationalsozialismus Gefangene der Gestapo so von den Einzelzellen aus über die Heizungsrohre heimlich Botschaften zusenden.

„Übermittle mit dem einfachen Stromkreis durch den Raum einfache Botschaften."

Aufgaben:

1. Übersetze die jeweiligen Beispiele.
2. Wieviele unterschiedliche Zeichen hat das Flaggenalphabet?
3. Mit wieviel Basiszeichen kommt das Morsealphabet aus?

Welche sind das?

4.3.3. Weitere Alltagsbeispiele für die Übermittlung von Informationen:

1

(Informationsgeber) Der Polizist will ein Auto stoppen.
(Umwandlung der Signale) Er gibt mit der roten Kelle ein Haltesignal.
(Signalflussweg) Das Signal wird mittels Lichtwellen übertragen.
(Rückwandlung der Signale) Der Autofahrer sieht das Signal.
(Informationsempfänger) Der Autofahrer hält an.

2

(Information) Starter will Läufer starten
(Signal) Er löst den Startschuss aus.
(Signalflussweg) Schallwellenübertragen den Knall.
(Rückwandlung des Signals) Die Läufer hören das Signal und denken: LOS!
(Informationsempfänger) Die Läufer starten.
Ergänze selbst die richtigen Begriffe:

Die Schaltuhr rückt auf 9.15 Uhr vor. Die Pausenglocke ertönt. Der Schallweg überträgt die Klänge der Pausenglocke. Die Schüler hören den Pausengong und denken: "Endlich ist die Stunde vorbei!" Sie stürmen aus den Klassenräumen.

Der Fahrgast will aussteigen. Er drückt den Signalknopf. Das Signal wird mittels der elektrischen Leitung übertragen und bringt die Lampe beim Fahrer zum Leuchten. Der Fahrer sieht das Leuchten und denkt: "Da will einer aussteigen." Der Fahrer stoppt den Bus.


5. Lehrfolge: 

Wertetabelle

»Die Abhängigkeit der Funktion der Lampe von der Stellung des Schalters in einer Tabelle darstellen können.

In dem Abschnitt 4.2. wurde ein einfacher Stromkreis mit Lampe, Stromquelle und Tastschalter aufgebaut. Den Sachverhalt kann man in einer Wertetabelle darstellen:

Wertetabelle1
 
Tastschalter
Lampe
unbetätigt
aus
betätigt
ein

 
 

Dies kann ich mir vereinfachen, indem ich: für `unbetätigt' und `aus' 0 schreibe, 
für `betätigt' und `ein' 1 schreibe, für `Schalter' S und für `Lampe' X schreibe.

Wertetabelle 2
 
S
X
0
0
1
1

 

In der Elektronik können wir im wesentlichen Informationen mit diesen beiden Zuständen `eingeschaltet' und `ausgeschaltet übertragen.


6. Lehrfolge: Verknüpfen von Signalen: Signalgeber im Gliederbus

Eine Signalanlage bauen können, die mehrere Eingänge hat.
 
 


Baut zu zweit eine Signalanlage mit den Signaltasten H (hinten) und W (Wagenmitte) und der Kontrolleuchte K.

Die Kontrolleuchte soll leuchten, wenn hinten oder in der Wagenmitte das Haltesignal betätigt wird. Zeichne das Schaltbild und beachte die Vorschriften beim Zeichnen!


7. Die ODER-Funktion

Die ODER-Schaltung durch eine Schaltfunktionsgleichung ausdrücken und die entsprechende Wertetabelle aufstellen können.

Die vorliegende Schaltung nennen wir eine ODER-Schaltung, weil die Lampe leuchtet, weil der eine ODER der andere Schalter betätigt wird. Wir können die Bezeichnung der Schalter mit einem Kreuz verbinden. Dieses Kreuz hat nichts mit dem `plus'- Zeichen der Mathematik zu tun!

H W (Lies: "H oder W")

Die Schaltfunktion nennen wir L. Wir schreiben dann:

L = H W (Lies: "L ist H oder W")
 
H
W
L
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1

 
 
 

Die Wertetabelle sieht dazu so aus:
 
H
W
H W = L
0
0
0 0 = 0
0
1
0 1 = 1
1
0
1 0 = 1
1
1
1 1 = 1

 



 
 

8. Lehrfolge: UND-Schaltung: Sicherheitsschalter

„Eine Schaltung bauen können, die einen Motor nur dann laufen läßt, wenn zwei Schalter gleichzeitig betätigt werden. Die Schaltzeichnung dafür anfertigen."

Solche Schaltungen werden z.B. bei einem Rasenmäher gebraucht, der mit einem Sicherheitsschalter versehen ist. Dann kann der Mäher nur arbeiten, wenn zwei Schalter betätigt und gehalten werden. Der Sinn ist ganz einfach der, daß man nicht am Gerät unten am Messer arbeiten und gleichzeitig den Motor in Bewegung setzen kann. In Fabriken finden wir oft solche Schaltungen, die dann verhindern, daß ein Arbeiter z.B. an einer Kotflügelpresse noch Bleche nachschiebt und gleichzeitig mit nur einem Hebel die Presse in Gang bringt.
 
A
B
M
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1

 
 
 
 

Wertetabelle:
 
A
A * B = M
0
0
0 * 0 = 0 
0
1
0 * 1 = 0
1
0
1 * 0 = 0
1
1
1 * 1 = 1

Wir nennen das eine Hintereinander-, Reihen- oder Serienschaltung. Wir können die Beziehung der Schalter mit einem `*´ verbinden. Das hat mit dem mathematischen `mal' nichts zu tun.
 
 
 

A * B = M (Lies: "A und B ist M")

Aufgaben:

1. "Wir sind alle der gleichen Meinung!"

Zeichne den Schaltplan einer Abstimmungsanlage, deren `JA-Lampe' nur aufleuchtet, wenn alle `Abgeordneten' (Mitschüler) gleichzeitig den Schalter betätigen. Ist das eine UND- oder ODER-Schaltung?

2. "Es brennt!"

In einer Fabrik sind drei besonders feuergefährdete Stellen (X,Y,Z). Die zuständige Feuerwehr hat eine Alarmanlage, die durch eine Anzeigenlampe dargestellt wird. Die Feuerwehr soll dann zum Werk ausrücken, wenn an einer der drei Stellen der Alarmschalter betätigt wird. Zeichne den Schaltplan, stelle die Wertetabelle auf, baue die entsprechende Schaltung! Welcher Schaltungstyp? 


9. Lehrfolge: UND-ODER-NICHT: Digitale Logik

Ein Rechner kann nur mit den beiden elektronischen Schaltvorgängen `ein' (1) und `aus' (0) arbeiten. Wir nennen dieses Zahlsystem `Binäre Zahlen', da es mit diesen beiden Zuständen auskommt. Damit können alle Computer, auch die im Raumfahrtzentrum der USA alle Rechnungen durchführen, die für unsere komplexe Welt gebraucht werden. Pfiffige Programmierer haben in den letzten 50 Jahren damit Programmroutinen entwickelt, mit denen Texte getippt, Zeichnungen angefertigt, Schweißautomaten gesteuert oder der Landeanflug der Mondkapsel auf einen Meter genau vorherberechnet werden können. Aus den Binärzeichen haben Computerbauer drei Grundschaltungen entworfen, die miteinander verknüpft fast alle Leistungen eines Computers möglich machen (wie bei der Flip-Flop-Schaltung im 9. Sj.):

1. UND - Gatter

Beispiel: Die Arbeit der Schulheizung hängt von den Bedingungen

a) Stromversorgung

b) Gasversorgung ab.

2. ODER-Gatter

Beispiel: Die Schulklingel kann von Hand oder mit der Uhr geschaltet werden.

3. NICHT-Gatter

Beispiel: Wenn ein Lichtstrahl unterbrochen wird, geht die Alarmanlage an.

Nachrichten, die der elektrische Strom übermittelt, bestehen stets aus zwei Zeichen. Darum heißen sie ja binär. Die Sprache des Computers ist ebenfalls binär. Und eine Binärstelle, die genau eine Information enthält (1 oder 0), heißt BIT (binary digit). Faßt man acht Bits zu einem Byte zusammen, so erhält man 256 verschiedene 1/0- bzw. EIN/AUS-Möglichkeiten.

Das reicht, um alle gebräuchlichen Zeichen, also auch das Alphabet darzustellen. Man hat sich übrigens für diese Standardzeichen auf den international gebräuchlichen ASCII-Code geeinigt. So ist die Informationseingabe zwischen Mensch und Maschine möglich.


10. Lehrfolge: Binärsystem

Wenn Du innerhalb unseres bekannten Zahlensystems (dezimal) rechnest, dann erlebst du immer wieder den sogenannten Zehnerübergang. Der Stellenwert ändert sich daraufhin immer dann, wenn alle Kombinationsmöglichkeiten ausgeschöpft sind:

Dezimalsystem

1 (einstellig...) 91 (zweistellig...)

2 92

3 93

4 94

5 95

6 96

7 97

8 98

9 99

10 } Zehnerübergang 100 } Hunderterübergang

Binäre Zahlen werden wie dezimale erzeugt, nur gibt es zwei Zahlen (elektrische Zustände) zur Zusammenstellung. Wenn alle Stellen "1" sind, wird der Stellenwert erhöht.

Vergleich des dezimalen mit dem binären Zahlensystem
 
dezimal binär
0
0
1
1
2
10
3
11
4
100
5
101
6
110
7
111
8
1000
9
1001
10
1010
11
1011
12
1100
13
1101
14
1110

Wenn man bei 11, 111 ... angekommen ist, setzt man eine Stelle davor und ergänzt mit Nullen.

Bei jeder Erweiterung um eine Stelle verdoppelt sich der dezimale Wert:

z.B. 4 > 100; 8 > 1000

Es gibt ein simples Verfahren, Dezimalzahlen in Dualzahlen umzuwandeln. Man teilt die Dualzahl immer wieder durch 2 und notiert den Rest, der ja immer nur 0 oder 1 sein kann. Liest man alle Restwerte von unten nach oben, so hat man die entsprechende Dualzahl gefunden. Beispiel: 

Umwandlung der Dezimalzahl 23 in eine Dualzahl

23 : 2 = 11 Rest 1 

11 : 2 = 5 Rest 1 

5 : 2 = 2 Rest 1

2 : 2 = 1 Rest 0 

1 : 2 = 0 Rest 1 

10111 #9; 

Umwandlung von Binärzahrzahlen in Dezimalzahlen

Etwas komplizierter kann man Binärzahlen in Dezimalzahlen zurückverwandeln. Ich betrachte den Stellenwert im Binärsystem als Potenz der Zahl 2:

 
 

Bits, Bytes und der ASCII-Code

Nachrichten, die der elektrische Strom übermittelt, bestehen stets aus zwei Zeichen. Darum heißen sie ja binär. Die Sprache des Computers ist ebenfalls binär. Und eine Binärstelle, die genau eine Information enthält (EIN=1 oder AUS = 0) heißt BIT (binary digit). Acht Bits 

fasst man zu einem `Byte´ zusammen (8 bit = 1 byte). So erhält man 28 = 256 verschiedene

1/0 bzw. EIN/AUS-Kombinationsmöglichkeiten. Das reicht, um alle gebräuchlichen Zeichen,

also auch das Alphabet darzustellen. Man hat sich übrigens für diese Standartzeichen auf den international gebräuchlichen ASCII-Code geeinigt. So wird die Informationseingabe zwischen Mensch und Maschinen möglich.

Arbeitsfragen:

1. Was ändert sich beim dualen Zahlensystem, wenn alle Kombinationsmöglichkeiten

der Ziffern ausgeschöpft sind?

2. Wie viel Ziffern kennt das binäre Zahlensystem?________

3. Was ist ein BIT?

4. Mit welchem Stellenwertsystem arbeitet der Computer?

5. Welche Ziffer des binären Systems entspricht dem EIN-Zustand?_______

6. Welche Ziffer des binären Systems entspricht der AUS-Zustand? _______

7. Was ist ein Byte?____________________________________________

8. Worauf hat man sich international bei den Standardzeichen der Computer geeinigt?

9. Wie heißen die binären Zahlen für die Dezimalwerte:

15:_______

16:_______

10. Wandle die Dezimalzahl 22 in die entsprechende Dualzahl um:
 
22 : 2 = 1 1 R e s t 0
11 R e s t
0


11. Lehrfolge: Entwicklung der Mikroelektronik


Anhang 1: EVA und dein Taschenrechner 

Wie funktioniert ein Taschenrechner?

Die Arbeitsweise aller Taschenrechner ist ähnlich, die Unterschiede ergeben sich aus der Anzahl und Art der gespeicherten Programme.

In der Zeichnung sind die wesentlichen Funktionsblöcke eines Taschenrechners zu sehen: Sie sind auf einem Halbleiterplättchen (Chip) von ca. 10 mm2 zusammengefasst.

Wir sind es gewohnt, mit den Ziffern des Dezimalsystems 0 bis 9 zu arbeiten. Das ist für einen Taschenrechner ungünstig, denn elektrisch lassen sich nur zwei (max. drei) Zustände elektrisch darstellen.

Deshalb muss der Rechner deine eingetippten Zahlen erst einmal in einen Code mit Dualzahlen umwandeln.

Die Zahlen 123 heißen dann 001-010-011.

Funktion:

Ist eine Berechnung durchgeführt, decodiert der Rechner die Dualzahlen wieder so, dass sie im Anzeigefeld wieder als Dezimalzahlen dargestellt

werden (Siebensegmentanzeige). Diese Aufgaben übernehmen im Taschenrechner die Bauelemente Coder und Decoder. Da die Rechnung auch zeitlich in der richtigen Reihenfolge erfolgen muss, sorgt ein Taktgenerator für diese Aufgabe. Der Speicher hat die Aufgabe, die eingegebenen Zahlen, Zwischenergebnisse und das Endergebnis festzuhalten. Im Rechenwerk werden die gewünschten Berechnungen durchgeführt.

Jeder auf Mikroelektronik aufgebaute Rechner kann aber nur addieren und subtrahieren. Alle anderen Rechenoperationen müssen deshalb auf die Addition und Subtraktion zurückgeführt werden. Angewandt werden dabei Verfahren der mathematischen Mengenlehre (z.B. Reihenentwicklung) und das Rechnen mit Logarithmen. Praktisch werden in jedem Rechner beide Rechenarten angewandt.

Die vom Hersteller des Mikroprozessors fest eingeschriebenen Programme sind entsprechend ausgearbeitet. Man nennt diese Chips ROM (Read Only Memory „Speicher zum Lesen"). Ein ROM-Chip enthält alle Programme, die der Mikroprozessor zum Steuern

des Geräts braucht. Ein solches System nennt man Betriebssystem. 

Vorgänge in der Zentraleinheit (CPU)

Das Steuerwerk 1 befördert die Eingabedaten in den Arbeitsspeicher. Das Steuerwerk 2 befördert die zur Ausführung eines Befehls notwendigen Daten in das Rechenwerk.

Das Steuerwerk 3 befördert die entsprechenden Ausgabedaten zum Bildschirm bzw. in den Arbeitsspeicher. Zwischenergebnisse werden ebenfalls in dem Arbeitsspeicher gespeichert.

In einem Computer gibt das Betriebssystem (DOS / Windows NT / Linux) dem Microprozessor an, was zu tun ist, wenn der Computer eingeschaltet ist (Selbsttest), wie er erkennt, welche Tasten gedrückt wurden, wo die elektrischen Signale gespeichert werden sollen, wie er Wörter und Bilder auf dem Bildschirm erzeugt, wie er Töne über den Lautsprecher ausgeben soll, wie der Drucker gesteuert werden soll usw.

Computer haben aber auch Chips, die frei mit Informationen belegt werden können. 

Diese RAM-Chips (Random Access Memory - „Speicher mit beliebigem Zugriff") dienen als Schreib/Lesespeicher. Elektrisch kodierte Information kann dort jederzeit gelesen oder gespeichert und auch immer wieder gelöscht werden. Einen Schreibvorgang stellt die Transistorschaltung im Chip jedesmal so ein, dass sie Signalmuster erzeugen, die der gewünschten Information entsprechen. Man kann sich RAM-Chips als Notizblock vorstellen, auf dem der Mikroprozessor die gerade benötigten Informationen kurz beschreibt. Sie verschwinden, wenn man das Gerät ausschaltet.

Verdeutlichen wir uns die Arbeit der Rechner wieder am Beispiel des Taschenrechners:

Ich rechne 25 x 24. Zuerst tippe ich den Faktor 25 ein.

Die Zahl wird auf einen besonderen Platz, den Akkumulator eingeschrieben und erscheint auf der Anzeige.

Nun betätige ich die Funktionstaste `x ´. Die im Akkumulator gespeicherte Zahl wird nun zusätzlich auf einen anderen Speicherplatz geschrieben und das gewünschte Programm (Multiplikation) aufgerufen. Den jetzt einzutippenden zweiten Faktor 24 schreibt der Akkumulator wieder in den Akkumulator ein. Die 24 erscheint in der Anzeige. Durch Drücken der Taste `=´ leite ich den Rechenvorgang ein. Je nach eingespeichertem Programm könnte dann der folgende Ablauf (allerdings im Binärcode der Maschinensprache) eintreten:

24 ... 48 ... 72 ... 96 ... usw. Hier geschieht diese Addition 25 mal. Als Ergebnis erscheint dann in der Anzeige die Zahl 600.

Auch bei sehr komplizierten Rechnungen läuft der Vorgang sehr schnell ab. In Bruchteil einer Sekunde können mehrere tausend Additionen durchgeführt werden. Diese Schnelligkeit macht ihn zum nützlichen Hilfsmittel.

Der Prozess der Datenverarbeitung lässt sich immer auf drei Schritte zurückführen:

EINGABE (E) - VERARBEITUNG (V) - AUSGABE (A) 

Das EVA-Prinzip der Datenverarbeitung.


Name:_________________________ Datum:___________

Arbeitsfragen „Wie funktioniert ein Taschenrechner?"

1. Mit welchem Zahlensystem arbeiten wir gewohnheitsmäßig?_______________________

2. Wieviele Zustände lassen sich elektronisch darstellen?____________________________

3. In welchen Code werden die Zahlen im Taschenrechner umgewandelt?_______________

4. Welche Bauelemente im Taschenrechner übernehmen die Umwandlungen?____________

5. Was macht der Taktgenerator?_______________________________________________

6. Wo werden die Ergebnisse festgehalten?_______________________________________

7. Wo werden die Berechnungen durchgeführt?____________________________________

8. Was ist ein ROM?________________________________________________________

9. Was steuert das Gerät?_____________________________________________________

10. Was ist ein RAM?_______________________________________________________

11. Auf welche Schritte lässt sich der Prozess der Datenverarbeitung immer zurückführen?
 

Literatur:

1. Wolters (Hrg.); Der Schlüssel zur Computerpraxis; Reinbeck 1983
2. Theo Lutz; IBM-Enzyklopädie; Stuttgart 1986
3. B. Koerber; Hard- und Software; Stuttgart 1990
4. Höpken u.a.; Einführung in die Informationsverarbeitung 1; Düsseldorf 1973
5. Henzler (Hrg.); Mensch-Technik-Umwelt; Hamburg 1991
6. Lohberg, Lutz; Keiner weiß was Kybernetik ist; Stuttgart 1970
7. D. Eirich; Wer hat Angst vorm kleinen Chip?; Köln 1986
8. Der nieders. Kultusminister (Hrg.); Neue Technologien und das das Fach Technik; Hannover 1986
    Unterrichtseinheiten:
    - Der Computer hat unterschiedliche Funktionselemente
    - Logische Grundverknüpfungen
    - Lichtschranke mit Speicher
    - Codierung und Decodierung
    - Rechnen mit Dualzahlen

9. Duismann (Hrg.); Berufsorientierung und technische und ökonomische Bildung;  St. Andreasberg 1989
10. Lackmann (Hrg.); Arbeit und Beruf im Spannungsfeld technischer Entwicklung; St. Andreasberg 1991
11. Bundesmin. Unterricht; Einführung in die Informatik; Wien 1991
12. Bundesmin. Unterricht; Computergestütztes Lernen; Wien 1994
13. Bundesmin. Unterricht; Internet als Kommunikationsmedium; Wien 1999
14. Steffen Friedrich; Informatik und Alltag; Dümmler; Bonn 1998

H. Rosenthal
 

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