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Martin Ebner und Maria Grandl
Tag der Informatik Fachdidaktik 2017
konzipiert für den Informatikunterricht ab der 9. Schulstufe
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Was ist Informatik?
„Die Anwendungen des Computers drängen seine Theorie und Technik immer mehr
in den Hintergrund. Das führt nicht nur zu einer Neubestimmung der Informatik,
sondern auch zu einer Besinnung darüber, was die Grundgedanken der Informatik,
ihre Kernideen sind.“
Peter Rechenberg, „Was ist Informatik?“, In: Informatik Spektrum (2010), Volume 33, Nr. 1, S. 54-60
„Das elementare Computermodell aus Rechenwerk und Speicher als
Realisierung des endlichen Automaten“
Wie sieht ein Computer „im Inneren“ aus?
Wie arbeiten die einzelnen Hardware-
Komponenten zusammen?
Wie arbeiten Hardware und Software
zusammen?
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Kompetenzfeld: Informatiksysteme
Kompetenzbereich: Technische Grundlagen und Funktionsweisen
Ich kann die Grundelemente eines informationsverarbeitenden Systems nennen.
Ich kann das EVA-Prinzip erklären.
Ich kann die Hauptaufgabe des Prozessors beschreiben.
Ich kann die Teile, aus denen sich ein Prozessor zusammensetzt, nennen und deren
Hauptaufgabe beschreiben.
Ich kann den Begriff Register im Zusammenhang mit dem Rechenwerk erklären.
Ich kann die Hauptaufgabe des Bussystems nennen.
Ich kann den Begriff Befehlssatz im Zusammenhang mit dem Prozessor erklären.
Ich kann die Begriffe Arbeitsspeicher/Hauptspeicher und Permanentspeicher erklären.
Lehr-/Lernziele
nach dem digi.komp12-Kompetenzmodell
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Ich kann aus einfachen Assembler-Befehlen ein Assembler-Programm
erstellen, das einen Input nach festen Regeln zu einem Output verknüpft.
Ich kann den Begriff Algorithmus definieren.
Ich kann die einzelnen Schritte zur Ausführung eines Maschinenprogramms,
das sich im Hauptspeicher befindet, erklären.
Ich kann den Fetch-Execute-Algorithmus beschreiben.
Link digi.komp12:
http://digikomp.at/praxis/portale/digitale-kompetenzen/digikomp12ahs/kompetenzmodelle/informatik-5-klasse.html
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Eingabe
Ausgabe
Permanentspeicher
z.B. Festplatte
Bus
Hauptspeicher =
Arbeitsspeicher
CPU
Rechenwerk = ALU
Steuerwerk
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Eingabe
Ausgabe
Permanentspeicher
z.B. Festplatte
Bus
Hauptspeicher =
Arbeitsspeicher
CPU
Rechenwerk = ALU
Steuerwerk
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Eingabe
Ausgabe
Permanentspeicher
z.B. Festplatte
Bus
Hauptspeicher =
Arbeitsspeicher
CPU
Rechenwerk = ALU
Steuerwerk
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Eingabe
Ausgabe
Permanentspeicher
z.B. Festplatte
Bus
Hauptspeicher =
Arbeitsspeicher
CPU
Rechenwerk = ALU
Steuerwerk
fetch
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Eingabe
Ausgabe
Permanentspeicher
z.B. Festplatte
Bus
Hauptspeicher =
Arbeitsspeicher
CPU
Rechenwerk = ALU
Steuerwerk
execute
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Offen lizenzierte Lehr- und Lernunterlagen
für den (Einsatz im) Informatikunterricht
E-Book
Themenbereich:
Grundlegender Aufbau und Funktionsweise eines Computers
Unit 1
Unit 2
Unit 3
Strom an und Strom aus ODER
Wie sieht die Welt in Einsen und Nullen aus?
Das Geheimnis der Blackbox oder wie der Computer funktioniert.
Von der Theorie in die Praxis: Physical Computing mit dem
Raspberry Pi und Pocket Code
Link: https://learninglab.tugraz.at/informatischegrundbildung/
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In den nächsten 2-3 Unterrichtseinheiten wirst du erfahren, wie ein Computer im
Inneren aussieht und funktioniert. Du lernst die Aufgaben der einzelnen Bauteile
kennen und machst erste Erfahrungen mit der hardwarenahen Programmierung.
Die Zusammenarbeit von CPU, Hauptspeicher, Festplatte, Bus und Eingabe-
Ausgabegeräten wird im Rahmen des Spieles „erlebbar“.
Beim Spiel handelt es sich um eine Art Brettspiel.
Eine Spielgruppe besteht aus 3 bis maximal 4 Personen.
Innerhalb einer Spielgruppe gibt es folgende Rollen:
Spielleiter/in:
Der/Die Spielleiter/in erhält eine Spielanleitung und führt durch das ganze Spiel.
Er vermittelt den Spieler(n)/innen das nötige Hintergrundwissen und muss im
Anschluss die Spielzüge von Spieler/in 1 und Spieler/in 2 überwachen.
Bei Unklarheiten nimmt der/die Spielleiter/in Kontakt zur Lehrperson auf.
Spiel Fetch-Execute – Information für Schüler/innen
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Der/Die Spielleiter/in muss die in der Spielanleitung vorgegebene Abfolge genau
einhalten. Er erhält zu Beginn des Spieles alle Materialien, die für das Spiel benötigt
werden.
Spieler/in 1
Du trittst gegen Spieler/in 2 an.
Spieler/in 2:
Du trittst gegen Spieler/in 1 an.
Ihr müsst den Anweisungen des/der Spielleiter(s)/in folgen und
in der Einleitungsphase des Spiels genau zuhören.
Wer hier besser aufpasst, hat in der Spielphase einen entscheidenden Vorteil
gegenüber dem anderen.
Spiel Fetch-Execute – Information für Schüler/innen
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Bilden von 3er/4er Gruppen
Rolleneinteilung: Spielleiter/in, Spieler/in 1, Spieler/in 2
Ausgabe der Spielanleitung und aller Materialien
an die Spielleiter
Beginn des Spieles
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Tisch
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Herzlich Willkommen zum Spiel Fetch- Execute.
Heute spielen wir ein etwas anderes Computerspiel.
Die folgenden Fragen und Erklärungen sollen zum besseren Verständnis
des Spieles beitragen und werden in Form von Quiz-Fragen während des
eigentlichen Spieles erneut gestellt. Das bedeutet: Gut Aufpassen!
Was versteht ihr unter einem Automaten?
Könnt ihr Beispiele für Automaten nennen?
Was haben alle diese Automaten
(=informationsverarbeitende Systeme) gemeinsam?
Welche Eingaben und Ausgaben erfolgen
bei einem Getränkeautomaten?
Was entspricht der Ein- und Ausgabe bei Computern?
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Wir werden uns in diesem Spiel
näher damit befassen, was im
„Inneren“ eines Computers
vorgeht, also wie die Verarbeitung
von Daten erfolgt und was genau
bei der Ausführung eines
Computerprogrammes passiert.
Um das zu verstehen, müssen wir
uns zuerst damit beschäftigen, aus
welchen Bauteilen (Hardware)
sich ein Computer zusammensetzt.
Übersichtsplan
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Spielfeld CPU + Pfeil
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Spielfeld CPU schematische Darstellung der CPU
Rechenwerk: 8 Register R1-R8
Der Programmzähler (Program Counter,
Instruction Pointer) ist ein Register,
in dem die Speicheradresse des
Befehles steht, der soeben vom
Steuerwerk aus dem Hauptspeicher
geholt wurde.
Der Programmzähler „zeigt“ also
immer auf eine Speicheradresse
im Hauptspeicher.
Register = Speicher mit
„super-schneller“ Zugriffszeit
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READ S8
Spielfeld Hauptspeicher
LOAD S8,R1
LOAD S8,R2
MULT R1, R2, R3
STORE R3, S9
WRITE S9
STOP
Spielfeld CPU
READ S8S1
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Spielfeld Hauptspeicher
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Spielfeld Hauptspeicher
Damit die CPU ein Maschinen-
programm ausführen kann, müssen
sich das Programm und die zu
verarbeitenden Daten im
Hauptspeicher (=Arbeitsspeicher)
befinden.
Die CPU kann direkt auf die
Speicheradressen und somit auf den
Speicherinhalt des Hauptspeichers
zugreifen.
FETCH – EXECUTE
Speicheradressen: S0-S47
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Spielfeld BUS Spielfeld Tastatur
Eingabe-Einheit
Spielfeld Monitor
Ausgabe-EinheitDatentransport
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Spielfeld Festplatte Beispiel für Permanentspeicher
Damit ein auf der Festplatte
gespeichertes Programm von der CPU
ausgeführt werden kann, muss es zuerst
in den Hauptspeicher geladen werden.
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Der Befehlssatz ist die
Menge aller Befehle,
welche die CPU verarbeiten kann.
Befehlssatz (3x)
Übersicht über die zulässigen 8 Befehle
READ, WRITE, LOAD, STORE,
ADD, MULT, MULTF und STOP
Sowohl der/die Spielleiter/in als auch die
beiden Spieler/innen müssen die Befehle
verstehen.
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Ausführen eines Testprogrammes
Spielfeld CPU
Spielfeld
Hauptspeicher
Spielfeld
Festplatte
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Programm erwartet eine Eingabe
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Testprogramm auf das
Spielfeld Festplatte legen.
Programm von der Festplatte
in den Hauptspeicher laden
Pfeil zeigt auf den ersten Befehl
des Programmes
Spielfeld HauptspeicherSpielfeld Festplatte
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Das Programm erwartet
eine Eingabe
(Seitenlänge des Quadrates)
Eingabe auf leeres
Befehlskärtchen schreiben
Eingabe auf STDIN legen
Die Speicheradresse S0 wird für
Input und Output verwendet.
Spielfeld Tastatur Spielfeld Hauptspeicher
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1. Befehl: READ S8
liest einen Wert von STDIN
und speichert den Wert im Haus
mit der Speicheradresse S8
Ausführen eines Befehles
S1 READ S8
Programmzähler
Spielfeld CPUSpielfeld Hauptspeicher
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1. Befehl wurde von der CPU
(Spielleiter/in) ausgeführt
Spieler/in 1 und Spieler/in 2
müssen darauf achten, dass
der/die Spielleiter/in
den Befehl richtig ausführt.
Der/die Spieler/in muss den
Programmzähler
auf die nächste Stelle
im Speicher setzen.
Spielfeld Hauptspeicher
READ S8
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2. Befehl: LOAD S8, R1
holt den Wert, der im Haus mit der
angegebenen Speicheradresse
gespeichert ist, in das angegebene
CPU-Register
Ausführen eines Befehles
S2 LOAD S8, R1
Programmzähler
Spielfeld CPUSpielfeld Hauptspeicher
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Spielfeld CPU
5
2. Befehl wurde von der CPU
(Spielleiter/in) ausgeführt
LOAD S8, R1
Spielfeld Hauptspeicher
Der/die Spieler/in muss den
Programmzähler auf die nächste Stelle
im Speicher setzen.
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3. Befehl: LOAD S8, R2
holt den Wert, der im Haus mit der
angegebenen Speicheradresse
gespeichert ist, in das angegebene
CPU-Register
Ausführen eines Befehles
S3 LOAD S8, R2
Programmzähler
Spielfeld CPUSpielfeld Hauptspeicher
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Spielfeld CPU
5
3. Befehl wurde von der CPU
(Spielleiter/in) ausgeführt
LOAD S8, R2
Spielfeld Hauptspeicher
5
Der/die Spieler/in muss den
Programmzähler auf die nächste Stelle
im Speicher setzen.
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4. Befehl: MULT R1, R2, R3
Multipliziert die in Register R1 und
Register R2 gespeicherten Werte
und speichert das Ergebnis in
Register R3
Ausführen eines Befehles
S4 MULT R1, R2, R3
Programmzähler
Spielfeld CPUSpielfeld Hauptspeicher
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Spielfeld CPU
5
4. Befehl wurde von der CPU
(Spielleiter/in) ausgeführt
MULT R1, R2, R3
Spielfeld Hauptspeicher
55
25
Der/die Spieler/in muss den
Programmzähler auf die nächste Stelle
im Speicher setzen.
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5. Befehl: STORE R3, S9
speichert den Wert, der im Register
R3 gespeichert ist, im Haus mit der
Speicheradresse S9
Ausführen eines Befehles
S5 STORE R3, S9
Programmzähler
Spielfeld CPUSpielfeld Hauptspeicher
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Spielfeld CPU
5
STORE R3, S9
55
25
Inhalt des Registers R3 auf
leeres Befehlskärtchen
schreiben
Kärtchen auf das Haus/Feld mit
der Speicheradresse S9 legen.
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5. Befehl wurde von der CPU
(Spielleiter/in) ausgeführt
STORE R3, S9
Spielfeld Hauptspeicher Spielfeld Hauptspeicher
Der/die Spieler/in muss den
Programmzähler auf die nächste Stelle
im Speicher setzen.
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6. Befehl: WRITE S9
schreibt den im Haus mit der
Speicheradresse S9 gespeicherten
Wert auf STDOUT (Standard-Output)
Ausführen eines Befehles
S6 WRITE S9
Programmzähler
Spielfeld CPUSpielfeld Hauptspeicher
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WRITE S9
Spielfeld Hauptspeicher
Die Zahl 25 wird
am Monitor ausgegeben.
Spielfeld Monitor
Kontrolle des Ergebnisses
6. Befehl wurde von der CPU
(Spielleiter/in) ausgeführt
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WRITE S9
Spielfeld Monitor Spielfeld Hauptspeicher
6. Befehl wurde von der CPU
(Spielleiter/in) ausgeführt Der/die Spieler/in muss den
Programmzähler auf die nächste Stelle
im Speicher setzen.
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7. Befehl: STOP
beendet das Programm.
Die Kontrolle wird wieder an das
Betriebssystem übertragen.
Ausführen eines Befehles
S7 STOP
Programmzähler
Spielfeld CPUSpielfeld Hauptspeicher
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Der/die Spielleiter/in nimmt das
gesamte Programm und die gespeicherten Daten
vom Spielfeld Hauptspeicher und
„leert“ alle verwendeten CPU-Register
STOP
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Spielblatt Spieler/in 1 und Spielblatt Spieler/in 2
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1 2
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Programmcode
Spieler 1 Spieler 2
Programm 1 Programm 1
Programm 2 Programm 2
leere Befehlskärtchen leere Befehlskärtchen
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Spielblatt Spieler/in 1 und Spielblatt Spieler/in 2
Spieler 1 Spieler 2
Programm erwartet 2 Eingaben
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Jetzt wird gespielt!
Bleistift, Radiergummi, Würfel
Wer darf beginnen?
Beide Spieler würfeln nacheinander mit einem Würfel.
Der Spieler mit der höheren Augenzahl darf beginnen.
Bei gleicher Augenzahl muss erneut gewürfelt werden.
Erste Würfelphase
Jeder Spieler würfelt 3 Mal hintereinander.
Würfelt ein Spieler die Augenzahl 1,2,3,4 oder 5, so muss er erneut
würfeln.
Würfelt ein Spieler die Augenzahl 6, so darf das Programm von der
Festplatte in den auf dem Spielblatt angegebene User-Space im
Hauptspeicher geladen werden.
Er geht nun in die zweite Würfelphase über.
Danach ist der andere Spieler an der Reihe.
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Zweite Würfelphase
Befindet sich der
Programmcode im
Hauptspeicher,
so kann mit der
Ausführung des
Programmes
begonnen werden.
Dies hängt aber
von der
gewürfelten
Augenzahl ab.
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Aktionskarten, Schutzkarten
SchutzkarteAktionskarte
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Zweite Würfelphase
Befindet sich der
Programmcode im
Hauptspeicher,
so kann mit der
Ausführung des
Programmes
begonnen werden.
Dies hängt aber
von der
gewürfelten
Augenzahl ab.
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Viel Spaß beim „Computer spielen“!
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Alle Unterlagen zum Spiel:
Website
Link: https://learninglab.tugraz.at/informatischegrundbildung/
Wir freuen uns über Feedback!