Lektion 3: Was ist und was kann ein Computer?

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1 Lektion 3: Was ist und was kann ein Computer? Helmar Burkhart Informatik EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-0 Übersicht Lektion 3 Hardware Software Aufbau eines Computers Rechnerkern Logikfunktionen Maschinenprogramme Assemblerebene Akkumulatormaschine Beispielprogramme Schichtensystem Betriebssystemebenen Rechneranwendungen EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-1

2 Hardwarekomponenten Hardware = Sichtbare Teile Systemeinheit Bildschirm Tastatur Maus Drucker Modem Lautsprecher EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-2 Softwarekomponenten Software = Weiche Teile Steuerungssoftware Gerätetreiber Dialogsoftware Anwendersoftware EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-3

3 Aufbau eines Computers Computer-System Hardware-Aufbau Prozessor Peripherie Software- Architektur Hauptspeicher Kernbetriebssystem Benutzerschnittstelle Anwendersoftware EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-4 Hardwarestruktur eines Computers (1) Systemeinheit nach dem von Neumann - Prinzip Eingabeeinheiten Ausgabeeinheiten Speichereinheiten Quelle: Discovering Computers EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-5

4 Hardwarestruktur eines Computers (2) Systemperipherie Kommunikationsperipherie Netzwerkanschluss Ausgabeperipherie Systemkern Schnittstellen Eingabeperipherie Tastatur Maus Scanner Schnittstellen Prozessor Rechenwerk Steuerwerk Hauptspeicher Schnittstellen Monitor Drucker Plotter Schnittstellen Diskette Platte Band Speicherperipherie EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-6 Speicherpyramide Kosten zunehmend Register Cache Hauptspeicher Zugriffszeit abnehmend Massenspeicher Archivspeicher EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-7

5 Die Systemeinheit Quelle: Discovering Computers EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-8 Motherboard = Rechnerkern Quelle: Discovering Computers EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-9

6 Logikbausteine Die Basis eines Rechners sind elementare Schaltfunktionen auf binären Variablen. AND OR XOR NOT NAND x y x y x y x NOR XNOR EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-10 Logiksimulator Quelle: Decker,Hirschfeld Analytic Engine EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-11

7 Wie wird gerechnet? Volladdierer A i B i C i Übertrag Summe S i C i EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-12 Wie wird gespeichert? SR-Latch R = Rücksetzen Speicher Q S R Q n X 0 1 X Q n S = Setzen EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-13

8 Zentraleinheit (CPU) Rechenwerk Addierwerk, Multiplizierwerk Schiebeeinheit Logikwerk Register Programmzähler Kellerzeiger Adress/Datenregister Ablaufsteuerung Verdrahtet bzw. Mikroprogramm EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-14 Woher weiss der Rechner was er tut? Rechner werden gesteuert durch Befehle, dieaus Operationscode und Operanden bestehen Lade Rechenregister mit Inhalt Zelle 128 Die Hintereinanderreihung mehrerer solcher Befehle heisst Maschinenprogramm EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-15

9 Lesbare Maschinenprogramme 1 Bit Unterschied kann viel bedeuten: Addiere Inhalt Zelle Addiere 5 Die Ebene des Assemblers ordnet lesbaren Zeichenfolgen (Mnemonics) diese Bitmuster eindeutig zu. ADD 5 ADD #5 Adressiermodus direkt Adressiermodus unmittelbar EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-16 Fallstudie: Akkumulatormaschine (1) Der Akkumulator ist ein Rechenregister. CPU Akkumulator Programmzähler Hauptspeicher Zelle 0 Zelle 1... Zelle Zelle Zelle Zelle 255 EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-17

10 Akkumulatormaschine (2) Quelle: Decker,Hirschfeld Analytic Engine EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-18 Assembler Befehlssprache (1) GRUPPE CODE SYMB. BEDEUTUNG Datenfluss 000m0100 LOD X X in Akkumulator laden STO X Akkumulator nach X speichern Arithmetisch 000m0000 ADD X X zum Akkumulator addieren 000m0001 SUB X X vom Akkumulator abziehen 000m0010 MUL X Akkumulator mit X multiplizieren 000m0011 DIV X Akkumulator durch X dividieren EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-19

11 Assembler Befehlssprache (2) GRUPPE CODE SYMB. BEDEUTUNG Logisch 000m1000 AND X Falls Akkumulator und X beide ungleich 0, Akku auf 1 setzen, sonst auf NOT Falls Akku gleich 0, dann Akku auf 1 setzen, sonst auf 0. m ist Modusbit: m = 0: direkte Adressierung m = 1: unmittelbare Adressierung EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-20 Assembler Befehlssprache (3) GRUPPE CODE SYMB. BEDEUTUNG Steuerung CPZ X falls X = 0, Akku auf 1 setzen, sonst auf CPL X falls X < 0, Akku auf 1 setzen, sonst auf JMP P Sprung nach P JMZ P falls Akku gleich 0, Sprung nach P NOP keine Auswirkungen HLT Ausführung beenden EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-21

12 CPU Simulator CPU_Simulator ist ein Programm, das die Akkumulatormaschine simuliert. Beispielprogramme: Add(X,Y) T1 Max(X,Y) T1 EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-22 Schichtenmodell eines Computers Anwendersoftware Benutzeroberfläche Peripheriegeräte Hauptspeicher und Busse Treiber Kernbetriebsystem Prozessor mit Steuer- und Rechenwerk EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-23

13 Betriebssystem Kernbetriebssystem: Steuerungssoftware für den Rechnerkern. Treiber: Software zur Steuerung von Geräte (z.b. Scanner). Benutzeroberfläche: Steuersoftware für graphisch orientierten Mensch-Maschine Dialog. Einsatz im Praktikum: Windows2000 Computer Literacy : Rechnernutzung als Anwender Wie starten? Passwort? Fenster, Menü, Taskleiste, Ordner, Dateien, Backup,... EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-24 Anwendersoftware Die Anwendungen heutiger Computer sind zahlreich: Textverarbeitung Graphik Tabellenkalkulation Datenbanken Multimedia Simulation Prozesssteuerung E-Handel Software ist stets das Resultat einer Programmentwicklung (Programmierung). EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-25

14 Literatur (1) G. Shelly, Th. Cashman, G. Waggoner, W. Waggoner: Discovering Computers 98, ISBN , R. Decker, St. Hirschfield: The Analytic Engine, ISBN , PWS Publishing Company, 1998, html Module 7: Hardware EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-26 Literatur (2) P.Rechenberg,G.Pomberger:Informatik-Handbuch, 2. Auflage ISBN , Hanser, Kap. C1 Schaltkreise und digitale Logikschaltungen Kap.C2 Prozessoren Kap. C3 Arbeitsspeicher und Bussysteme Kap. C4 Externe Speicher und Peripheriegeräte Kap. D9 Betriebssysteme EINFÜHRUNG IN DIE INFORMATIK I 3-27

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