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Art: Skripte
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Heinrich-Hertz-Gymnasium 2018/
- Informatik Info
2 - 2 2018/19 P. Kreißig
Informatik 10 2. Entwicklung der Rechentechnik Info
P. Kreißig 2018/19 2 - 3
Info
Es muss folgende Befehlstypen geben:
Bestimmte Speicherzellen, auf die besonders oft zugegriffen wird, befinden sich in der CPU. Diese nennt man Register.
Steuerbus RAM
Datenbus
Adressbus
In dieser Art funktionieren andere Befehle ebenfalls.
3 - 2 2018/19 P. Kreißig
Informatik 10 3. Von-Neumann-Rechnerarchitektur (1945) Info
Decode
Dn
An
Wobei die Abkürzungen folgende Bedeutungen haben:
Abk. Englisch Deutsch CPU Central Processing Unit Zeintraleinheit CU Control Unit Steuerwerk MBR Memory Buffer Register Datenpuffer-Register MAR Memory Address Register Adresspuffer-Register PC Programm Counter Befehlszähler IR Instruction Register Befehlsregister SR Status Register Statusregister ALU Arithmetic Logic Unit arithmetisch-logische Einheit Decode Decoding Unit Dekodierwerk D 0... Dn Data Register Datenregister A 0... An Address Register Adressregister HS Main Store (Memory) Hauptspeicher IO Input / Output Unit Ein- und Ausgabewerk I Input Register Eingaberegister O Output Register Ausgaberegister Bus Leitungen C Control Bus Steuerleitung A Address Bus Adressleitung D Data Bus Datenleitungen
P. Kreißig 2018/19 3 - 3
Informatik 10 4. Stellenwertsysteme Info
Das von-Neumann-Konzept lässt die Rechner im Binärsystem arbeiten.
Trotzdem sind auch andere Stellenwertsysteme wie das übliche Dezimalsystem, aber auch das Oktalsystem und das Hexadezimalsystem von Bedeutung.
Demzufolge müssen Zahlen von einem in das andere Stellenwertsystem umgerechnet werden.
Beispiel 4.1 : Dezimalsystem
523610 = 5 000 + 200 + 3 + 6 = 5 · 103 + 2 · 102 + 3 · 101 + 6 · 100
Jede Stelle wird mit einer Zehnerpotenz multipliziert, diese Produkte werden addiert. Die Basis des Systems ist die 10, es gibt die 10 Ziffern 0... 9.
Analog sieht die Darstellung bei anderen Basen aus:
Beispiel 4.2 : Dualsystem
1011112 = 1 · 25 + 0 · 24 + 1 · 23 + 1 · 22 + 1 · 21 + 1 · 20 Hieraus ergibt sich sofort die Umrechnung in das Dezimalsystem. = 32 + 0 + 8 + 4 + 2 + 1 = 47 10
Die Basis des Dualsystems ist die 2. Es gibt zwei Ziffern 0 und 1.
Beispiel 4.3 : Oktalsystem
2378 = 2 · 82 + 3 · 81 + 7 · 80 Hieraus ergibt sich wieder die Umrechnung in das Dezimalsystem. = 2 · 64 + 3 · 8 + 7 · 1 = 128 + 24 + 7 = 159 10
Die Basis des Dualsystems ist die 8. Es gibt acht Ziffern 0... 7.
Beispiel 4.4 : Hexadezimalsystem
Die Basis ist nun 16. Man benötigt also 16 Ziffern. Zu den Ziffern 0... 9 kommen noch die Ziffern A... F hinzu mit folgenden Bedeutungen: A = 10 B = 11 C = 12 D = 13 E = 14 und F = 15 3 BD 16 = 3 · 162 + 11 · 161 + 13 · 160 Hieraus ergibt sich wieder die Umrechnung in das Dezimalsystem. = 3 · 256 + 11 · 16 + 13 · 1 = 768 + 176 + 13 = 957 10
Allgemein: Zahl=
∑^ n
i=
ai · bi^ , wobei ai die entsprechende Ziffer, b die Basis und i die Potenz
darstellt.
P. Kreißig 2018/19 4 - 1
Info
Das schriftliche Rechnen (Addition, Subtrktion, Multiplikation und Division) erfolgt in allen Stellenwertsystemen wie im Dezimalsystem. Man muss nur die entsprechenden Überträge beach- ten.
Aufgabe 4.1: Addition
Berechne folgende Summen schriftlich. Überprüfe durch Umrechnung in das Dezimalsystem.
Aufgabe 4.2: Subtraktion
Berechne analog die Differenzen.
Aufgabe 4.3: Multiplikation und Division
Löse die folgenden Aufgaben schriftlich im Binärsystem, überprüfe im Dezimalsystem.
Lösung 4.
Lösung 4.
4 - 2 2018/19 P. Kreißig
Info
Aufgabe 4.4: Umrechnung Dezimal ⇒ Oktal
Rechne analog zu Beispiel 4.6 die Dezimalzahl 24510 in eine Oktalzahl um.
Lösung 4.
245 : 8 = 30 Rest 5 30 : 8 = 3 Rest 6 3 : 8 = 0 Rest 3 Also folgt 24510 = 365 8
Der Computer rechnet zwar grundsätzlich mit Dualzahlen, jedoch ist deren Darstellung bei grö- ßeren Zahlen für uns Menschen sehr unübersichtlich.
Eine Ziffer einer Dualzahl nennt man auch ein Bit.
4.3.1 Oktalzahlen
Da die 7 die größte Zahl aus 3 Bits ist, 710 = 111 2 , kann man 3 Bits zu einer Ziffer der entspre- chenden Dualzahl zusammenfassen.
So lassen sich Dualzahlen sehr leicht in Oktalzahlen umwandeln und umgekehrt.
Beispiel 4.7 : Dualzahl ⇔ Oktalzahl
110101102 = 011︸︷︷︸ 3
2
6
Als noch Datenwörter von 24 Bit Länge gebräuchlich waren, deren Wertebereich genau dem einer achtstelligen Oktalzahl entsprach, wurden Oktalzahlen zur Eingabe und Ausgabe von Bitmustern verwendet.
Oktalzahlen werden heute noch bei der Darstellung von Dateizugriffsrechten unter Unix verwen- det, wo je drei Bit die Rechte einer Benutzerklasse darstellen (chmod).
Anwendung in der Luftfahrt: Der Transpondercode (Squawk) in jedem Flugzeug arbeitet mit Oktalzahlen.
4 - 4 2018/19 P. Kreißig
Informatik 10 4. Stellenwertsysteme Info
4.3.2 Hexadezimalzahlen
Analog kann man 4 Bits zusammenfassen und erhält als größte Zahl die 1510 = F 16 , der größten Hexadezimalziffer.
Alle 8-Bit-, 16-Bit-, 32-Bit-, 64-Bit-Zahlen usw. lassen sich zu je 4 Bits zusammenfassen und so übersichtlicher darstellen.
Beispiel 4.8 : Dualzahl ⇔ Hexadezimalzahl
110101102 = 1101︸ ︷︷︸ 13
6
Die konsequente Weiterführung der Potenzen bedeutet für die Nachkommastellen:
Vorkomma Nachkomma Beispielzahl 1 1 1 , (^1 1 1 ) Wert der Stelle als Potenz 22 21 20 2 −^1 2 −^2 2 −^3 2 −^4 Wert der Stelle als Dezimalzahl 4 2 1
Gesamtwert Dezimal: 4 + 2 + 1 + 0, 5 + 0, 25 + 0, 125 + 0, 0625 = 7, 9375
Die Nachkommastellen sind also Potenzen von 12 und müssen unabhängig von den Vorkommas- tellen berechnet werden.
Beispiel 4.9 : Umrechnung Nachkommastellen Dezimal ⇔ Dual
0 , 82812510 = (1 + 0, 65625) · (^12)
∣Klammer auflösen = 1 · 12 + 0, 65625 · (^12)
∣0,65625 zerlegen = 1 · 12 +
∣Klammer auflösen = 1 · 12 + 1 ·
2
2
0,3125 zerlegen = 1 · 12 + 1 ·
2
2
∣Klammerauflösen = 1 · 12 + 1 ·
2
2
2
0,625 zerlegen = 1 · 12 + 1 ·
2
2
2
Klammer auflösen = 1 · 12 + 1 ·
2
2
2
2
0,25 zerlegen = 1 · 12 + 1 ·
2
2
2
2
Klammer auflösen = 1 · 12 + 1 ·
2
2
2
2
2
0,5 zerlegen = 1 · 12 + 1 ·
2
2
2
2
2
Mit der 1 bricht das Verfahren ab und wir haben die Kommastellen in der richtigen Reihenfolge. Im anderen Fall könnte man beliebig weitere Kommastellen berechnen. 0 , 82812510 = 0, (^1101012)
Dieses Verfahren kann man natürlich auc wieder deutlich verkürzt aufschreiben. Man multipliziert immer mit 2 und notiert, ob das Ergebnis größer 1 ist oder nicht. Dies zeigt das folgende Beispiel.
P. Kreißig 2018/19 4 - 5
Informatik 10 5. Boolsche Algebra Info
Mit binären Zahlen kann man rechnen, die zwei Werte ermöglichen aber auch die Interpretation als whr und falsch wie in der Logik. So lassen sich mit 0 (falsch) und 1 (wahr) auch logische Funktionen umsetzen.
Die theoretische Grundlage hierfür bildet die boolsche Algebra, eine algebraische Struktur, die bereits Mitte des 19. Jahrhunderts von dem britischen Philosophen nd Mathematiker George Boole entwickelt wurde.
In Form der Schaltalgebra ist sie das Fundament der Technischen Informatik.
Die häufigste Begriffsdefinition einer boolschen Algebra stammt vom Amerikaner Edward Ver- milye Huntington (1874-1952), der 1904 zeigen konnt, dass nur 4 Axiome genügen.
Wir benutzen statt einer allgemeinen Bezeichnung der Operatoren gleich die logischen Funktionen Konjunktion „und“ (∧), Alternative „oder“ (∨) und Negation „nicht“ (¬).
Um die Übersichtlichkeit zu erhöhen, vereinfachen wir die Schreibweisen von ∧ und ¬.
Operator bisherige Schreibweise neue Schreibweise oder x 1 ∨ x 2 x 1 ∨ x 2 und x 1 ∧ x 2 x 1 · x 2 bzw. x 1 x 2 nicht ¬x x
Huntigton-Axiome
duales Gesetz durch Vertauschen von · und ∨ sowie von 0 und 1
x · x = 0 (KP1) x ∨ x = 1 (KP2)
Aus diesen Axiomen lassen sich weitere Regeln ableiten: Assoziativgesetze x ∨ (y ∨ z) = (x ∨ y) ∨ z (A1) x · (y · z) = (x · y) · z (A2) Idempotenzgesetze x ∨ x = x (ID1) x · x = x (ID2) Eliminationsgesetze x ∨ 1 = 1 (E1) x · 0 = 0 (E2) de Morgan Regeln x ∨ y = x · y (M1) x · y = x ∨ y (M2) Doppelnegation x = x (DN) Dualitätsgesetz 0 = 1 (DU1) 1 = 0 (DU2) Absorptionsgesetz x ∨ (x · y) = x (AB1) x · (x ∨ y) = x (AB2)
P. Kreißig 2018/19 5 - 1
Info
Aufgabe 5.1: Abgeleitete Regeln
Leite aus den 4 Huntigton-Axiomen
Lösung 5.
= (x ∨ x) · 1 (KP2) = (x ∨ x) · (x ∨ x) (D2) = x ∨ (x · x) (KP1) = x ∨ 0 (N2) = x
= (x ∨ 1) · 1 (KP2) = (x ∨ 1) · (x ∨ x) (D2) = x ∨ (1 · x) (K1) = x ∨ (x · 1) (N1) = x ∨ x (KP2) = x
= (x · 1) ∨ (x · y) (D1) = x · (1 ∨ y) (K2) = x · (y ∨ 1) (E1) = x · 1 (N1) = x
Aufgabe 5.2: Vereinfachung boolscher Ausdrücke
Vereinfache mit Hilfe der Huntington-Axiome und -Regeln
Lösung 5.
= a · (b ∨ b) (KP1) = a · 1 (N1) = 1
5 - 2 2018/19 P. Kreißig
Informatik 10 6. Schaltfunktionen Info
Definition 6.0 : Schaltfunktion
Jede Funktion der Form y = f (x 1 , x 2 ,... , xn) mit xi ∈ {0; 1} heißt Schaltfunktion der Stelligkeit n.
Jede Wertetabelle, deren Eingangsparameter mit 0 oder 1 belegt werden können, stellt eine solche Schaltfunktion dar, also auch alle bekannten logischen Funktionen wie „Und“ , „Oder“ ,....
Für die meisten logischen Funktionen gibt es auch eine elektrische Schaltung zur Umsetzung.
∧ ∨ ∧ ∨ ↔ = → x x
x 1 x 2 ANDORNANDNOR XOR ID
x
0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0
KonjunktionAlternativeÄquivalenzAntivalenzImplikationIdentitätNegation
Ziele einer Schaltfunktion und ggf. ihrer Vereinfachung sind
P. Kreißig 2018/19 6 - 1
Info
Beispiel 6.2 : Demokratieschaltung
In einem Schlafwagon mit drei Betten soll das Licht nur leuchten, wenn sich zwei oder drei Insassen einig sind.
a) Wertetabelle: Index
i
a b c y 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 2 0 1 0 0 3 0 1 1 1 4 1 0 0 0 5 1 0 1 1 6 1 1 0 1 7 1 1 1 1
b) Finde einschlägige Indizes Ein Index heißt einschlägig, wenn der Fun- tionswert in dessen Zeile 1 ist. Hier sind dies 3, 5, 6 und 7. c) Bilde die Minterme Minterme sind durch „und“ verknüpfte Eingangsvariablen der einschlägigen Indi- zes.
M 3 = abc = 0 · 1 · 1 , M 5 = abc = 1 · 0 · 1 , M 6 = abc = 1 · 1 · 0 und M 7 = abc = 1 · 1 · 1.
d) Kanonisch disjunktive Normalform (KDNF)
kanonisch - jede mögliche Eingangansbelegung hat einen Ausgangswert disjunktiv - die zuletzt auszuführende Operation ist eine Disjunktion (Alternative)
Jede Schaltfunktion (Wertetabelle) lässt sich darstellen als disjunktive Verknüpfung ihrer Minterme. y = M 3 ∨ M 5 ∨ M 6 ∨ M 7 = abc ∨ abc ∨ abc ∨ abc
e) Schaltung
Die Schaltung wurde mit dem Programm logisim erstellt. Dieses ist für alle Plattformen im Internet frei verfügbar.
Einen negierten Eingang erkennt man an dem Kreis.
6 - 2 2018/19 P. Kreißig