Wir werden uns im Informatikunterricht (auch) mit Aufbau und Funktion von Computer-systemen befassen. Dazu ist es sinnvoll, zunächst die relevanten Geräte und Bauteile kennen zu lernen.

Doch wie arbeitet nun ein Computersystem? Eine Übersicht findet sich hinter der folgenden URL: https://t1p.de/ASS-Neumann1



Achte darauf, die URL in die Adressleiste, und nicht etwa in die Suchleiste einzugeben!

Vor allem die Verarbeitung (unterstützt durch den Arbeitsspeicher RAM) ist für uns von Interesse. Leider bringt es uns nicht weiter, die entsprechenden Bauteile aufzuschneiden oder einfach zu vergrößern - daher werden wir demnächst auf ein Simulationsmodell zurückgreifen, um die Funktionsweise nachzuvollziehen.



CPU, RAM, BUS, ... - bei der Beschäftigung mit Computersystemen begegnen wir unweigerlich vielen Fachbegriffen und Abkürzungen. Vervollständige die angegebenen Tabellen in Deinem Heft, um einen Überblick zu erhalten. Verwende die angegebenen Abkürzungen bzw. Begriffe!



Verwende dabei als Quelle das digitale Schulbuch (https://t1p.de/ASS-EVA-V) und eigene Recherchen!

Computersysteme werden oft mit Leistungsangaben beworben oder beschrieben. Dabei gibt es für die Kategorien Speicher und Rechengeschwindigkeit jeweils eine Grundeinheit, die dann mit Präfixen für Größenordnungen erweitert werden können:

Der Murmelrechner ist ein Simulationsmodell, bei dem ihr die Rolle ausgewählter Bauteile eines Rechnersystems übernehmt und damit die Verarbeitung von Rechenaufgaben durch ein Computersystem analysieren könnt.

Der Name kommt von den Murmeln (es geht auch mit Holzperlen, Bohnen, ...), die zur Darstellung von Zahlenwerten verwendet werden.



Damit bei der Durchführung auch alles funktioniert, müsst ihr die Bauteile und ihre Funktion verstehen. Lest bitte alle Erklärungen genau durch und stellt, wenn nötig, Fragen!

Der Speicher wird durch Plastikbecher symbolisiert, die von Null an aufsteigend nummeriert sind. Die Anzahl der Murmeln in den Behältern gibt den darin gespeicherten Zahlenwert an. Die Nummern der Gefäße sind wichtig, damit immer klar ist, welche Speicherzelle gemeint ist. Das Bild zeigt einen Speicher aus sechs Behältern:

Die dargestellte Situation entspricht der folgenden Speicherbelegung:

Um die Möglichkeiten eines Computersystems auf unterster Ebene zu simulieren, müssen wir die möglichen Operationen auf jene begrenzen, die dem Computersystem zur Verfügung stehen.



Weder wir noch ein Computersystem kann leicht (für uns: "mit einem Blick" erkennen, welches von zwei Gefäßen mehr Murmeln enthält, sofern nicht gerade eines davon leer ist. Das "Leersein" eines Gefäßes hingegen ist leicht festzustellen.



Ebenso ist es relativ leicht, eine Murmel hinzuzufügen oder zu entfernen.

Du hast es bestimmt schnell herausgefunden: Um die Zahlen zu addieren, kann wie folgt vorgegangen werden - das Ergebnis ist im Gefäß "0" ablesbar:

Für das Hinzufügen und das Wegnehmen von Murmeln gibt es Fachbegriffe, die wir zukünftig verwenden werden:



• Inkrementieren: Erhöhen eines Wertes um 1 / Hinzufügen einer Murmel
• Dekrementieren: Senken eines Wertes um 1 / Entfernen einer Murmel



Eine Abfolge von Murmelrechnerbefehlen, die der Reihe nach ausgeführt werden können, um eine Aufgabe zu lösen, wird als Murmelrechnerprogramm bezeichnet. Pro Zeile gibt es immer nur einen Befehl.

Die Befehle lassen sich in verschiedene Kategorien einsortieren:

Die Befehle dec und inc greifen nicht in den Programmablauf ein, sondern beeinflussen nur den Inhalt von Speicherstellen.

Daher werden sie als Rechenbefehle bezeichnet.



Rechenbefehle erhalten als Parameter die Nummer der zu inkrementierenden bzw. zu dekrementierenden Speicherstelle.

Die Befehle jmp, tst und hlt greifen in den Ablauf des Programms ein, verändern also, ob und welche Befehle als nächstes ausgeführt werden.

Daher werden sie als Kontrollbefehle bezeichnet.



Der Kontrollbefehl jmp erhält als Parameter die Programmcodezeile, in der das Programm weiter ausgeführt werden soll.

Der Befehl tst erhält als Parameter die Nummer der zu testenden Speicherstelle und hlt benötigt keine Parameter.

Der tst-Befehl ermöglicht es überhaupt erst, Programme für beliebige Probleme zu schreiben. Ohne Nulltest könnte man nur Programme für konkrete Aufgaben (wie "3+2") schreiben, da es keine Möglichkeit gibt, das Programm erst zu beenden, wenn eine der Eingabespeicherstellen leer ist.



Der tst-Befehl funktioniert so:



1. Test, ob die angegebene Speicherstelle noch Murmeln enthält
2. Wenn ja, dann wird der Befehl in der nächsten Zeile ausgeführt (danach geht die Ausführung je nach Inhalt dieser Zeile normal weiter).
3. Wenn nein, dann wird stattdessen in der übernächsten Zeile weiter ausgeführt.

Innerhalb unseres Prozessormodells "Murmelrechner" gibt es (wie in der realweltlichen Vorlage, dem Prozessor) verschiedene Aktuere, die jeweils eigene Aufgaben erledigen:

Der/Die Rechenkünstler/in führt die Rechenbefehle dec und inc sowie den Testbefehl tst aus. Dazu erhält er/sie ein "Akkumulator" genanntes Gefäß, in dem er die Operationen ausfüht, und ein Vorratsgefäß mit Murmeln, aus dem/in das er/sie die dabei benötigten Murmeln entnimmt bzw. ablegt. Außerdem kann er/sie an den Steuermann / die Steuerfrau das Ergebnis des Nulltests kommunizieren ("ja"/"nein").

Diese Rolle hat die Aufgabe, dem/der Rechenkünstler/in die Murmeln aus den angegebenen Speicherstellen zur Verfügung zu stellen bzw. diese nach den Operationen wieder zurück zu bringen.

Dazu verwendet er/sie ein eigenes Transportgefäß.

Diese Rolle gibt den beiden anderen Rollen Anweisungen, was zu tun ist. Dazu erhält er/sie das Programm und eine Markierung, mit der verfolgt werden kann, welche Zeile gerade ausgeführt wird.

Zu welchen bereits bekannten Komponenten könnten diese Beschreibungen passen?