Katrin Müller

Sachanalyse John von Neumann Komponenten eines Rechners – Die „von Neumann“-Architektur

▪ Zentraleinheit CPU

▪ Der Speicher

▪ Das Bussystem

▪ Die Eingabe-/Ausgabeeinheit

Didaktische Analyse Das Thema im Lehrplan

▪ Vorwissen der Schüler

▪ Lernziele der Stunde

Verlaufsplan der Stunde▪ Arbeitsmaterialien

Literatur

geboren in Budapest

Mathematiker

„Vater der Informatik“

veröffentlichte 1945 das

„First Draft on a Report on the EDVAC“

Abbildung 1: John von Neumann Quelle: Slanover 2007Abbildung 1: John von Neumann Quelle: Slanover 2007

Ein Text, der beschreibt welche Komponenten

ein Rechner zwingend benötigt und

wie sie anzuordnen sind

Sein Text beschreibt welche Komponenten ein Rechner

zwingend benötigt, wie sie anzuordnen sind und welche Aufgaben die einzelnen Teile

besitzen.

Das Rechner kann „denken“: erste Ergebnisse beeinflussen das weitere

Vorgehen es können während der Bearbeitung

Modifikationen durchgeführt werden Rechner trifft selbstständig logische

Entscheidungen

starrer Programmlauf flexible Programmsteuerung

der sog. Flaschenhals (engl. bottleneck)

alle Daten zur Berechnung werden aus dem Speicher geladen

Die Geschwindigkeit zwischen der CPU und dem Speicher begrenzt die Verarbeitungsgeschwindigkeit

Seine Architektur besteht aus folgenden

Teilen:

der Zentraleinheit

dem Speicher

der Ein- und Ausgabeeinheit

dem Bussystem

Abbildung 2: Struktur eines von Neumann-Rechners Quelle: Oberschelp & Vossen 2000Abbildung 2: Struktur eines von Neumann-Rechners Quelle: Oberschelp & Vossen 2000

die Zentraleinheit (CPU)

besteht aus Daten- und Befehlsprozessor

erreichbar durch Daten- und Adressbus

der Speicher

Trennung von RAM und ROM RAM = Random Access Memory

(lesen und schreiben möglich) ROM = Read Only Memory

(wichtige Systemfunktionen: früher nur lesen möglich)

das Bussystem

Bus = interner Datenweg verbindet funktionale Einheiten ermöglicht erst die Effizienz der

Architektur

die Ein- und Ausgabeeinheit

ermöglicht Kommunikation des Rechners mit der Außenwelt

nicht nur Daten sondern auch Programme können in den Rechner geladen werden

Abbildung 4: Lehrplan des Grundfaches Informatik Quelle: Oberschelp & Vossen 2000Abbildung 4: Lehrplan des Grundfaches Informatik Quelle: Oberschelp & Vossen 2000

Schüler kennen:

Hardware Festplatte, Graphikkarte, Arbeitsspeicher Ein- und Ausgabegeräte

Software Betriebssystem, Office,

Programme/Spiele

Vorstellen der noch immer aktuellen Rechnerarchitektur von Neumann´s

Die Komponenten der Architektur und ihre Funktion kennenDie Anordnung der Komponenten durch ein selbst erstelltes Schaubild festlegen

Baumann (1996) Leitidee, die nach Wirkprinzipien,

Strukturen und Funktionsweisen von Informatiksystemen fragt

Anwendung: Erschaffen mehrerer kleiner Teilsystem und anschließendes Zusammenfügen zu einem Netz

Bußmann und Heimann (1987) Zeitgemäßes Weltbild▪ Konzepte in aktuelles Weltbild einordnen

Förderung von Phantasie und Kreativität▪ Erstellen eines Schaubildes

Fähigkeit zum kritischen Vernunftgebrauch▪ Hausaufgabe deutet auch Nachteile des

Systems an▪ Harvard-Architektur als Alternative?!

Unterrichtsphase / Zeit Inhalte / Ziele Methode / Sozialform

Gelenkstelle Medien / Material

Einstieg (< 3 Minuten)

BegrüßungVorstellung des Themas: Komponenten eines Rechners

LV Wer kann mir denn mal eine Komponente eines Rechners nennen?

Erarbeitungsphase 1 (3 Minuten)

Schüler nennen Komponenten, die an der Tafel ungeordnet angeschrieben werden

Klassen-unterricht

Ihr habt schon einige Komponenten genannt. In einem Film werden wir jetzt die Funktionsweise dieser und weiterer Komponenten nochmal ansehen. Dabei achtet ihr auf die genannten Komponenten und ihre Funktionen und Besonderheiten

Tafel

Erarbeitungsphase 2 (11 Minuten)

Schüler schauen einen Auszug aus dem Film: Die Maus – Wie funktioniert ein Computer

SA Welche Komponenten sind denn hier noch zusätzlich vorgekommen?

Film: Die Maus - Wie funktioniert ein Computer

Sicherungsphase 1 (5 Minuten)

Die Begriffe an der Tafel werden ergänzt. Klassen-unterricht / EA

Damit ihr noch einmal gezielter die Funktionen und die wichtigsten Komponenten vor Augen habt, lest euch das Arbeitsblatt durch und versucht in Partnerarbeit eine Skizze der von Neumann-Struktur zu erstellen

Arbeitsblatt 1: Komponenten eines von Neumann-Rechners

Erarbeitungsphase 3 (10 Minuten)

Schüler lesen alleine den Text über die zusammengefassten Komponenten eines Rechners und die Funktion der einzelnen KomponentenAnschließend fertigen sie in Partnerarbeit eine Skizze an

EA

PA

Wer möchte seine Skizze einmal an der Tafel vorstellen? Tafel

Sicherungsphase 2 (10 MInuten)

Die gezeichnete Skizze der Schüler wird durch die Klasse ergänzt und auf dem Arbeitsblatt verbessert

Klassen-unterricht / EA

Das scheint ein tolles Konzept zu sein, dass sich John von Neumann da ausgedacht hat. Doch er selbst hat damals schon eine Schwäche erkannt.

Arbeitsblatt 2: The First Draft of a Report on the EDVAC

Schlussphase (2 Minuten)

Als Hausaufgabe lest ihr den Text und beantwortet mit Hilfe des Internets die Frage

LV Vielen Dank für eure Mitarbeit

Die Maus – Wie funktioniert ein Computer

Unterrichtsphase / Zeit Inhalte / Ziele Methode / Sozialform

Gelenkstelle Medien / Material

Einstieg (< 3 Minuten)

BegrüßungVorstellung des Themas: Komponenten eines Rechners

LV Wer kann mir denn mal eine Komponente eines Rechners nennen?

Erarbeitungsphase 1 (3 Minuten)

Schüler nennen Komponenten, die an der Tafel ungeordnet angeschrieben werden

Klassen-unterricht

Ihr habt schon einige Komponenten genannt. In einem Film werden wir jetzt die Funktionsweise dieser und weiterer Komponenten nochmal ansehen. Dabei achtet ihr auf die genannten Komponenten und ihre Funktionen und Besonderheiten

Tafel

Erarbeitungsphase 2 (11 Minuten)

Schüler schauen einen Auszug aus dem Film: Die Maus – Wie funktioniert ein Computer

SA Welche Komponenten sind denn hier noch zusätzlich vorgekommen?

Film: Die Maus - Wie funktioniert ein Computer

Sicherungsphase 1 (5 Minuten)

Die Begriffe an der Tafel werden ergänzt. Klassen-unterricht / EA

Damit ihr noch einmal gezielter die Funktionen und die wichtigsten Komponenten vor Augen habt, lest euch das Arbeitsblatt durch und versucht in Partnerarbeit eine Skizze der von Neumann-Struktur zu erstellen

Arbeitsblatt 1: Komponenten eines von Neumann-Rechners

Erarbeitungsphase 3 (10 Minuten)

Schüler lesen alleine den Text über die zusammengefassten Komponenten eines Rechners und die Funktion der einzelnen KomponentenAnschließend fertigen sie in Partnerarbeit eine Skizze an

EA

PA

Wer möchte seine Skizze einmal an der Tafel vorstellen? Tafel

Sicherungsphase 2 (10 MInuten)

Die gezeichnete Skizze der Schüler wird durch die Klasse ergänzt und auf dem Arbeitsblatt verbessert

Klassen-unterricht / EA

Das scheint ein tolles Konzept zu sein, dass sich John von Neumann da ausgedacht hat. Doch er selbst hat damals schon eine Schwäche erkannt.

Arbeitsblatt 2: The First Draft of a Report on the EDVAC

Schlussphase (2 Minuten)

Als Hausaufgabe lest ihr den Text und beantwortet mit Hilfe des Internets die Frage

LV Vielen Dank für eure Mitarbeit

Text, der nach Oberschelp & Vossen (2000) die Grundbestandteile eines von Neumann-Rechners beschreibt

Arbeitsauftrag:Veranschauliche die Struktur eines von Neumann-Rechners!

Unterrichtsphase / Zeit Inhalte / Ziele Methode / Sozialform

Gelenkstelle Medien / Material

Einstieg (< 3 Minuten)

BegrüßungVorstellung des Themas: Komponenten eines Rechners

LV Wer kann mir denn mal eine Komponente eines Rechners nennen?

Erarbeitungsphase 1 (3 Minuten)

Schüler nennen Komponenten, die an der Tafel ungeordnet angeschrieben werden

Klassen-unterricht

Ihr habt schon einige Komponenten genannt. In einem Film werden wir jetzt die Funktionsweise dieser und weiterer Komponenten nochmal ansehen. Dabei achtet ihr auf die genannten Komponenten und ihre Funktionen und Besonderheiten

Tafel

Erarbeitungsphase 2 (11 Minuten)

Schüler schauen einen Auszug aus dem Film: Die Maus – Wie funktioniert ein Computer

SA Welche Komponenten sind denn hier noch zusätzlich vorgekommen?

Film: Die Maus - Wie funktioniert ein Computer

Sicherungsphase 1 (5 Minuten)

Die Begriffe an der Tafel werden ergänzt. Klassen-unterricht / EA

Damit ihr noch einmal gezielter die Funktionen und die wichtigsten Komponenten vor Augen habt, lest euch das Arbeitsblatt durch und versucht in Partnerarbeit eine Skizze der von Neumann-Struktur zu erstellen

Arbeitsblatt 1: Komponenten eines von Neumann-Rechners

Erarbeitungsphase 3 (10 Minuten)

Schüler lesen alleine den Text über die zusammengefassten Komponenten eines Rechners und die Funktion der einzelnen KomponentenAnschließend fertigen sie in Partnerarbeit eine Skizze an

EA

PA

Wer möchte seine Skizze einmal an der Tafel vorstellen? Tafel

Sicherungsphase 2 (10 MInuten)

Die gezeichnete Skizze der Schüler wird durch die Klasse ergänzt und auf dem Arbeitsblatt verbessert

Klassen-unterricht / EA

Das scheint ein tolles Konzept zu sein, dass sich John von Neumann da ausgedacht hat. Doch er selbst hat damals schon eine Schwäche erkannt.

Arbeitsblatt 2: The First Draft of a Report on the EDVAC

Schlussphase (2 Minuten)

Als Hausaufgabe lest ihr den Text und beantwortet mit Hilfe des Internets die Frage

LV Vielen Dank für eure Mitarbeit

englischer Text nach dem Original von John von Neumann

beschreibt authentischer, was er sich von seinem System erhofft

nennt ein Problem der Architektur

Aufgabenstellung: Erkläre das Problem, das John von Neumann als Flaschenhals an seinem System beschreibt

Erklären des „Flaschenhalses“ des Systems

Die Harvard-Architektur als weiteres Konzept: welche Vorteile/Nachteile hat sie gegenüber dem von Neumann´schen Konzept?

Aktuell gibt es eine Kombination beider Architekturen in Computern

BAUMANN, R. (1996): Didaktik der Informatik. Stuttgart. BECKER, K. (2009): Informatik. Was ist Informatik. Internet:

http://inf.burg-kl.de/index.php?punkt=informatik (3.6.2009) BILDUNGSSERVER RHEINLAND-PFALZ INFORMATIK (2008): Einheitliche

Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Informatik. Internet: http://www.kmk.org/fileadmin/veroeffentlichungen_beschluesse/1989/1989_12_01-EPA-Informatik.pdf (30.5.2009)

HAUBRICH, H. (1997): Didaktik der Geographie konkret. München. MINISTERIUM FÜR BILDUNG, WISSENSCHAFT, JUGEND UND KULTUR (o. J.):

Lehrplanentwurf Informatik. Grund- und Leistungsfach – Einführungsphase und Qualifikationsphase der gymnasialen Oberstufe.

OBERSCHELP, W. UND G. VOSSEN (2000): Rechneraufbau und Rechnerstrukturen. München. Wien.

PLATE, J. (2008): Rechner-Peripherie. Ein- und Ausgabeschnittstellen. Internet: http://www.netzmafia.de/skripten/hardware/rp0/rp0.html (17.6.2009).

SCHWILL, A. (1999): Informatik und Schule. Fachspezifische und fachübergreifende didaktische Konzepte. Berlin.

SLANOVER, A. (2007): John von Neumann´s Extraordinary Life. Internet: http://www.sinc.sunysb.edu/Stu/aslanove/ (3.6.2009).

VOGT, C. (2004): Informatik – Eine Einführung in Theorie und Praxis. Heidelberg. VON NEUMANN, J. (1945): First Draft of a Report on the EDVAC. WELLER, C. (2007): Computer history online. Die ersten Computer. Internet:

http://www.weller.to/his/h05-erste-computer.htm (3.6.2009) WP WISSENSPORTAL (2009): Schule und Bildung - Das Bildungsportal. Informatik

in der Schule. Internet: www.schule.bayern.de/texte/Informatik.pdf (20.5.2009).

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit