Bildungsstandards
In der Leitidee „Wirkprinzipien von Informatiksystemen“ werden Kenntnisse im Bereich des Aufbaus und Arbeitsweise eines Computers von den Schülerinnen und Schülern erwartet.
„Zum Verständnis der Wirkungsweise eines Rechners gehören Kenntnisse über das Betriebssystem, die Übersetzungsvorgänge zwischen unterschiedlichen Sprachebenen und das Prinzip der Interpretation von Maschinenbefehlen durch den Prozessor.“
„Die Schülerinnen und Schüler können das Zusammenwirken von Rechenwerk, Steuerwerk und Speicher erläutern.“
Daraus leitet sich ab, dass die Schüler den Aufbau eines Von-Neumann-Rechners verstanden haben müssen. Es wird dabei Wert auf die verschiedenen Sprachebenen Hochsprache – Assembler – Maschinensprache und die Übersetzung einer Sprachebene in eine andere gelegt. Am Ende des Unterrichtsgangs müssen die Schüler also einfache Programme einer Hochsprache in Assemblerprogramme übersetzen oder eigene einfache Assemblerprogramme entwerfen können. Sie müssen verstanden haben, wie diese Assemblerprogramme auf einem Computer ausgeführt werden. Dazu ist es hilfreich, wenn die Schüler in einem Simulationsprogramm die Arbeitsweise einer Registermaschine mit Von-Neumann-Zyklus kennenlernen.
Darüber hinaus kann eine Ergänzung in einem Schulcurriculum auch die darunterliegenden Ebenen behandeln. Es ist immer wieder überraschend, dass eine einfache Maschine, die nur Strom an/aus kennt, so viele komplexe Aufgaben bewältigen kann. Daher ist es lohnenswert, ausgehend von Transistoren, logische Bauelemente und damit mathematische Funktionen zu behandeln. Diese bilden dann die Grundlage einer ALU, dem Kernstück eines Prozessors. Dies wird aber nicht von den Bildungsstandards verlangt.
In diesem Zusammenhang kann auch aus der Leitidee 2 „Algorithmen und Datenstrukturen“ die Probleme beim „Rechnen mit endlicher Stellenzahl“ deutlich gemacht werden. Durch eine notwendige Beschränkung auf eine bestimmte Bit-Anzahl, ist der Wertbereich der Zahlen eingeschränkt. Es bietet sich an, dabei auch die 2er-Komplementdarstellung von negativen Zahlen zu behandeln, da damit die Grenzen des Wertbereichs von Variablen bestimmter Typen in realen Programmiersprachen erklärt werden können.
In Leitidee 3 „Problemlösen und Modellieren“ werden die Stichworte „Geheimnisprinzip“, „Modularisierung“ und „Kapselung“ ausdrücklich genannt. In diesem Zusammenhang kann das Studium der Hardware eine ganze Serie von logischen Ebenen zu Tage treten lassen, die alle nach demselben Prinzip aufeinander aufbauen: in jeder Ebene werden neue Baugruppen hergestellt, indem die Elemente dieser Ebene als Bausteine benutzt und miteinander kombiniert werden. Diese neuen Baugruppen werden gekapselt und dienen dann ihrerseits der nächsthöheren Ebene als Elemente. Auf jeder Ebene sind aber die Implementierungsdetails der darunterliegenden Ebene(n) irrelevant – es zählt nur das äußere Verhalten des jeweiligen Elements, nicht seine interne Struktur. Selten gibt es eine Situation, in der die informatische Idee der Kapselung so klar und deutlich offengelegt werden kann wie hier.
Minimalprogramm:
- Prinzip des Von-Neumann-Rechners (Daten und Programme liegen im RAM)
- Aufbau einer Registermaschine (ALU, Register, Bus, Speicher, Ein- und Ausgabewerk), Maschinensprache
- Von-Neumann Zyklus
- einfache Assemblerprogramme (Variablen, Sequenzen, Entscheidungen, Schleifen)
- Compiler, Interpreter
Ergänzungen des vorgeschlagenen Unterrichtgangs:
- CMOS-Transistoren:
- Logische Schaltungen: .
- Mathematische Funktionen aus logischen Schaltelementen:
- negative Zahlen in der 2er-Komplementdarstellung
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Steuerung des Prozessors durch Mikroprogramme: Um den Übergang von Schaltkreisen zu einem vollständigen Computer verstehen zu können, ist es nicht sinnvoll, nur mit einem Simulationsprogramm zu arbeiten, das bestimmte Assemblerbefehle versteht, aber nicht zeigt, wie die Übersetzung von Maschinencodes in Steuersignale vonstatten geht. Erst die Behandlung von Mikroprogrammen zeigt, dass sich eine Registermaschine aus elementaren Schaltelemente / Schaltkreisen aufbauen lässt und wie Assemblerbefehle in Steuersignale für die ALU übersetzt werden.
Im Folgenden wird ein logisch vollständiger Unterrichtsgang zum Thema „Hardware“ vorgeschlagen – soweit das mit den Mitteln des Informatik-Unterrichts überhaupt zu leisten ist.
Einleitung: Schichtenmodell
Falls das Schichtenmodell aus dem Kapitel Computernetzwerke schon behandelt wurde, ist es sicher sinnvoll, das Schichtenmodell der Hardware zu erläutern. So kann man in jeder Situation des Unterrichts nachprüfen, wo man sich aktuell befindet.
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