Inf12 - Lernbereich 4: Funktionsweise eines Rechners (ca. 26 Std.)

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Lehrplantext

Kompetenzerwartungen: Die Schülerinnen und Schüler ...

• beschreiben die wesentlichen Komponenten eines Computersystems und vergleichen dieses mit der Von-Neumann-Architektur. Dabei erkennen sie, dass die Von-Neumann-Architektur die Grundlage moderner Computersysteme bildet.
• erläutern die Erweiterung der Darstellung von natürlichen Zahlen im Binärsystem auf die Darstellung von ganzen Zahlen unter Verwendung des Zweierkomplements; dabei betrachten sie Zahlbereichsgrenzen für Binärzahlen mit fester Stellenzahl und führen Berechnungen mit Überlauf durch.
• beschreiben anhand gegebener Transistorschaltungen, wie elementare logische Funktionen (u. a. AND, OR, NOT) auf Hardwareebene in Form von Logikgattern realisiert werden können.
• erläutern, wie n-stellige logische Funktionen durch disjunktive Normalformen dargestellt werden können; für einfache Beispiele (u. a. Halbaddierer, Volladdierer) überführen sie disjunktive Normalformen in Schaltungen auf Basis von Logikgattern und simulieren diese mit geeigneter Software. So erhalten sie einen Einblick in den Ablauf von Rechenvorgängen auf Hardwareebene.
• modellieren geeignete Problemstellungen (z. B. sensorgesteuerte Aktionen) mithilfe logischer Funktionen und erläutern, dass deren Beschreibung in disjunktiver Normalform in der Regel nicht zur einfachsten Realisierung einer Schaltung führt.
• erläutern, wie sich jede logische Funktion nur durch die NAND-Funktion darstellen lässt, und beschreiben die dadurch entstehenden Möglichkeiten für die technische Realisierung von Hardwarekomponenten.
• erläutern den Aufbau und die Funktionsweise einer Registermaschine.
• erläutern die Abarbeitung eines Programms durch eine Registermaschine und beschreiben den zugrunde liegenden Algorithmus, z. B. in einer höheren Programmiersprache oder einem Struktogramm.
• setzen einfache Algorithmen in Assemblersprache um und testen diese Programme mithilfe einer Registermaschinensimulation.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Von-Neumann-Modell als grundlegendes Modell für moderne Rechner: Prozessor (Rechenwerk, Steuerwerk), Speicher, Ein- und Ausgabeeinheit, Bussystem (Datenbus, Steuerbus, Adressbus)
• Zweierkomplement, Zahlenbereiche elementarer Datentypen, Übertrag, Überlauf
• Logikgatter: AND, OR, NOT, NAND; Halb- und Volladdierer
• Schaltbelegungstabellen, logische Funktionen, disjunktive Normalform
• Registermaschine: Akkumulator, Befehlsregister, Befehlszähler, Statusregister, Befehlszyklus, direkte und indirekte Adressierung
• Kontrollstrukturen in Assemblersprache