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TeX
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\chapter{Rechner}
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\columnratio{0.55}
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\begin{paracol}{2}
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\textsf{\textbf{Rechner}} \newline
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Hilfsmittel zum Durchführen von \enquote{Rechnungen}.
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\begin{itemize}[noitemsep]
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\item schneller
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\item fehlerfreier
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\item besseres Speichervermögen
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\end{itemize}
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\switchcolumn
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\textsf{\textbf{Rechenmaschine}}
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\begin{itemize}[noitemsep]
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\item Abakus (mechanisch, digital)
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\item Rechenschieber (mechanisch, analog)
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\end{itemize}
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\end{paracol}
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\textsf{\textbf{Arbeitsweise}}
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Man unterscheidet zwischen mechanisch vs elektrisch und digital vs analog.
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Moderne \enquote{Rechner} (PC \& Co.) arbeiten elektrisch und digital. Dem gegenüber stehen elektrische Analogrechner (elektrisch und analog; um die 1920er).
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\section{Geschichte}
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\subsection{Elektrischer Digitalrechner}
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\begin{description}
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\item[ZUSE] Z1, Z2 (ab \circa{1940})
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Relais als zentrale Bauteile (elektromagnetischer Schalter mit Elektromagnet)
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\begin{itemize}[noitemsep]
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\item[$\oplus$] Automatismus möglich
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\item[$\ominus$] langsame Geschwindigkeit
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\item[$\ominus$] großer Platzverbrauch
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\item[$\ominus$] Geräusche beim Schalten
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\item[$\ominus$] hoher Energieverbrauch beim Schalten
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\item[$\ominus$] großer Verschleiß
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\end{itemize}
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\item[ENIAC] (\circa{1945}) \newline
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Die ENIAC besitzt als zentrales Bauteil eine Elektronenröhr. Eine Elektronenröhre ist ein eigentlich analog arbeitender Verstärker, wird hier aber als digitaler Schalter genutzt. Die Funktionsweise wird in \autoref{fig:elektronenstrahlroehre} dargestellt, wobei die Kathode negativ und die Anode positiv geladen sind.
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\begin{itemize}[noitemsep]
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\item[$\oplus$] sehr hohe Geschwindigkeit
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\item[$\ominus$] großer Platzverbrauch
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\item[$\ominus$] ständiges Summen bei $50Hz$ oft möglich
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\item[$\ominus$] hoher, ständiger Energieverbrauch
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\item[$\ominus$] großer Verschleiß
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\end{itemize}
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\begin{figure}[ht]
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\centering
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\includegraphics[width=11cm]{Bilder/800px-Cathode_ray_tube_de.png}
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\caption{Funktionsweise Kathodenstrahlröhre [Quelle: \href{https://de.wikipedia.org/wiki/Kathodenstrahlr\%C3\%B6hre}{Wikipedia}]}
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\label{fig:elektronenstrahlroehre}
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\end{figure}
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\item[Moderne Rechner] Moderne transistorisierte Digitalrechner (\zB Uniac) ab Ende der 1950er).
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\begin{itemize}[noitemsep]
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\item Transistor als zentrales Bauteil.
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Ein Transistor ist ein analog arbeitender Verstärker, wird hier aber als digital arbeitender Schalter genutzt.
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\item[$\oplus$] sehr hohe Geschwindigkeit
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\item[$\oplus$] sehr geringer Platzverbrauch
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\item[$\oplus$] keine Geräuschentwicklung (außer Lüfter)
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\item[$\oplus$] sehr niedriger Energieverbrauch
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\item[$\oplus$] geringer Verschleiß
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\end{itemize}
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\end{description}
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\section{Fundamentalarchitektur}
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\subsection{von-Neumann-Architektur}
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In \autoref{fig:neumann_architektur} wird die von-Neumann-Architektur vereinfacht dargestellt.
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\begin{description}
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\item[Zentraleinheit (\acs{CPU})] Die CPU besteht aus:
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\begin{description}
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\item[Rechenwerk] Rechnen mit Zahlen und logischen Werten
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\item[Steuerwerk] Zuständig für das Steuern und Koordinieren aller anderen Komponenten $\Rightarrow$ Interpretation und Ausführung des (Maschinensprachen-)Programms
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\end{description}
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\item[Speicherwerk] (Hauptspeicher, Primärspeicher) \newline
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Speichern von Informationen (sowohl Programmcode als auch Nutzdaten gleichermaßen)
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\item[Bus] verbindet alle Komponenten und ermöglicht den Informationsaustausch/Datenfluss zwischen ihnen.
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\item[Eingabewerk] \enquote{Schnittstelle} für Eingabegeräte (\zB USB-Controller, S-ATA-Controller) nicht jedoch das Peripheriegerät selbst (also nicht die Tastatur)
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\item[Ausgaberwerk] \enquote{Schnittstelle} für Ausgabegeräte (\zB Grafikkarte)
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\end{description}
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\begin{figure}[ht]
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\centering
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\includegraphics[width=8cm]{Bilder/Von-Neumann_Architektur.png}
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\caption{Vereinfachte Darstellung der von-Neumann-Architektur}
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\label{fig:neumann_architektur}
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\end{figure}
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\subsection{Harvard-Architektur}
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Die Harvard-Architektur ist ähnlich der von-Neumann-Architektur, besitzt aber anstatt eines gemeinsamen, zwei getrennte Speicherwerke für Nutzdaten und für Programmcode. Zusätzlich kann noch ein optionales zweites Eingabewerk existieren, welches nur für den Programmcode vorhanden ist. Das Speicher- und Eingabewerk für den Programmcode wird über einen zweiten Bus angebunden. \newline
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Dadurch ist eine klare physikalische Trennung von Programmcode und Nutzdaten möglich.
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\begin{figure}[ht]
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\centering
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\includegraphics[width=8cm]{Bilder/Harvard-architektur.png}
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\caption{Vereinfachte Darstellung der Harvard-Architektur}
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\label{fig:harvard_architektur}
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\end{figure}
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