Arbeitsheft: Informatik und Bildung

Einführung

Dieses Arbeitsheft behandelt das Thema Computer und soll euch vorbereiten, selbst einen Computer zusammenzubauen. Des Weiteren erhaltet ihr Wissen über seine einzelnen Komponenten und wie sie zusammenarbeiten. Ihr startet auf dieser Seite (Von-Neumann-Architektur) und bereitet die Mindmap vor, welche euch durch das gesamte Arbeitsheft begleitet. Falls ihr keine Mindmap im A3-Format vor euch findet, geht zum Lehrertisch und holt euch eine von mir ab (oder nehmt die digitale Version). Eure Aufgabe ist es, die einzelnen Aufgaben jedes Kapitels zu bewältigen und eure Mindmap Schritt für Schritt zu erweitern. Auf dem Weg werdet ihr praktische Aufgaben bewältigen, bei denen ihr an einem echten Computer Komponenten wie Grafikkarte, CPU, RAM etc. aus- und wieder einbaut. Am Ende sollte eine große Mindmap entstehen, mit der ihr arbeiten und lernen könnt. Nachdem ihr dieses Kapitel bewältigt habt, könnt ihr euch eines der anderen vier Kapitel (CPU, GPU, Speicher oder Mainboard und Anschlüsse) aussuchen. Welches ihr wählt, ist euch überlassen. Viel Erfolg :)

Aufgabe 1:

Im Folgenden werden drei verschiedene Szenarien beschrieben. Verwendet euer Vorwissen, um das Problem zu beschreiben und was eine mögliche Lösung sein könnte. Da offen gestellte Probleme verschiedene Ursachen haben können, kann es auch mehrere Lösungen geben.
a) Im Browser sind viele Tabs offen und der Computer wird langsamer.
b) Ihr könnt eure Bilder nicht vom Handy auf euren Computer übertragen.
c) Der Computer wird sehr warm und die Lüfter laut.

Aufgabe 2:

Vor euch findet ihr eine Mindmap auf einem A3-Blatt zum Thema der Von Neumann Architektur. Schaut euch die folgenden Informationen an und füllt die frei stehenden Boxen aus. Die drei untersten Boxen, auf eurem ausgedruckten A3-Blatt, können freigelassen werden. Diese werden ersichtlich wenn das Thema des Speichers bearbeitet wurde.

Das Funktionsprinzip eines Computers wurde vom ungarischen Mathematiker John von Neumann entwickelt. Zwar hat sich die praktische Ausprägung im Laufe der Zeit und der technischen Weiterentwicklung immer wieder verändert, aber die grundsätzliche Architektur ist gleich geblieben.

Die Architektur des Von-Neumann-Rechners besteht aus vier Funktionseinheiten:

Rechenwerk (Logical Unit)
Steuerwerk (Control Unit)
Speicherwerk (Memory)
Ein-/Ausgabewerk (Input/Output)

Im Von-Neumann-Rechner werden die wichtigsten Einheiten Rechenwerk und Steuerwerk in der eigentlichen Verarbeitungseinheit, dem Prozessor (Central Processing Unit - CPU), vereint. Die CPU übernimmt die Ausführung der Befehle und die Ablaufsteuerung. Die Befehle werden nacheinander, Schritt für Schritt, ausgeführt. Die Befehle und Daten werden vom Steuerwerk aus dem Speicher geholt. Da Grafikkarten (Graphics Processing Unit - GPU) in den 1950er Jahren noch nicht essentiell für Alltags-Computer mit grafischen Ansprüchen waren, wurden diese nicht speziell in der Von-Neumann-Architektur berücksichtigt. Sie würden in der Von-Neumann-Weltsicht heutzutage als weitere Verarbeitungseinheit neben der CPU angesehen werden. Die GPU besitzt auch ein Rechen- und Steuerwerk genau wie die CPU. Die Verbindung zwischen den Prozessoren (CPU und GPU), Speicherwerk und Ein-/Ausgabewerk bezeichnet man als Bus-System, der im eigentlichen Von-Neumann-Rechner unerwähnt bleibt, aber in der Praxis eine wichtige Rolle spielen. Im Von-Neumann-Rechner werden alle Instruktionen und Daten über das Bus-System geführt. Hier kann es schnell zu Engpässen kommen, wenn Daten aus dem Speicher geladen werden und gleichzeitig neue Instruktionen ausgeführt werden müssen, um das Rechenwerk optimal auszulasten. Man spricht deshalb auch vom „Von-Neumann'schen Flaschenhals“. Obwohl der Von-Neumann-Rechner ein sehr einfaches Modell eines Computers ist, basieren die meisten modernen Computer auf diesem einfachen Prinzip.

Falls ihr bei der Mindmap nicht weiterkommt, könnt ihr den Hilfe-Button drücken. Dieser wird euch die Begriffe vorgeben, die in die Mindmap einzutragen sind. Die Begriffe sind nicht sortiert.