diff --git a/Bilder/800px-Cathode_ray_tube_de.png b/Bilder/800px-Cathode_ray_tube_de.png new file mode 100644 index 0000000..d065f4c Binary files /dev/null and b/Bilder/800px-Cathode_ray_tube_de.png differ diff --git a/Bilder/Harvard-architektur.png b/Bilder/Harvard-architektur.png new file mode 100644 index 0000000..d6d13d8 Binary files /dev/null and b/Bilder/Harvard-architektur.png differ diff --git a/Bilder/Von-Neumann_Architektur.png b/Bilder/Von-Neumann_Architektur.png new file mode 100644 index 0000000..91e7428 Binary files /dev/null and b/Bilder/Von-Neumann_Architektur.png differ diff --git a/Kapitel/02_Rechner.tex b/Kapitel/02_Rechner.tex new file mode 100644 index 0000000..09bb457 --- /dev/null +++ b/Kapitel/02_Rechner.tex @@ -0,0 +1,109 @@ +\chapter{Rechner} +\columnratio{0.55} +\begin{paracol}{2} + \textsf{\textbf{Rechner}} \newline + Hilfsmittel zum Durchführen von \enquote{Rechnungen}. + \begin{itemize}[noitemsep] + \item schneller + \item fehlerfreier + \item besseres Speichervermögen + \end{itemize} + + \switchcolumn + + \textsf{\textbf{Rechenmaschine}} + \begin{itemize}[noitemsep] + \item Abakus (mechanisch, digital) + \item Rechenschieber (mechanisch, analog) + \end{itemize} +\end{paracol} + + +\textsf{\textbf{Arbeitsweise}} + +Man unterscheidet zwischen mechanisch vs elektrisch und digital vs analog. + +Moderne \enquote{Rechner} (PC \& Co.) arbeiten elektrisch und digital. Dem gegenüber stehen elektrische Analogrechner (elektrisch und analog; um die 1920er). + + +\section{Geschichte} +\subsection{Elektrischer Digitalrechner} + +\begin{description} + \item[ZUSE] Z1, Z2 (ab \circa{1940}) + + Relais als zentrale Bauteile (elektromagnetischer Schalter mit Elektromagnet) + + \begin{itemize}[noitemsep] + \item[$\oplus$] Automatismus möglich + \item[$\ominus$] langsame Geschwindigkeit + \item[$\ominus$] großer Platzverbrauch + \item[$\ominus$] Geräusche beim Schalten + \item[$\ominus$] hoher Energieverbrauch beim Schalten + \item[$\ominus$] großer Verschleiß + \end{itemize} + + \item[ENIAC] (\circa{1945}) \newline + 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. + + \begin{itemize}[noitemsep] + \item[$\oplus$] sehr hohe Geschwindigkeit + \item[$\ominus$] großer Platzverbrauch + \item[$\ominus$] ständiges Summen bei $50Hz$ oft möglich + \item[$\ominus$] hoher, ständiger Energieverbrauch + \item[$\ominus$] großer Verschleiß + \end{itemize} + + \begin{figure}[ht] + \centering + \includegraphics[width=11cm]{Bilder/800px-Cathode_ray_tube_de.png} + \caption{Funktionsweise Kathodenstrahlröhre [Quelle: \href{https://de.wikipedia.org/wiki/Kathodenstrahlr\%C3\%B6hre}{Wikipedia}]} + \label{fig:elektronenstrahlroehre} + \end{figure} + + \item[Moderne Rechner] Moderne transistorisierte Digitalrechner (\zB Uniac) ab Ende der 1950er). + \begin{itemize}[noitemsep] + \item Transistor als zentrales Bauteil. + Ein Transistor ist ein analog arbeitender Verstärker, wird hier aber als digital arbeitender Schalter genutzt. + \item[$\oplus$] sehr hohe Geschwindigkeit + \item[$\oplus$] sehr geringer Platzverbrauch + \item[$\oplus$] keine Geräuschentwicklung (außer Lüfter) + \item[$\oplus$] sehr niedriger Energieverbrauch + \item[$\oplus$] geringer Verschleiß + \end{itemize} +\end{description} + +\section{Fundamentalarchitektur} +\subsection{von-Neumann-Architektur} +In \autoref{fig:neumann_architektur} wird die von-Neumann-Architektur vereinfacht dargestellt. + +\begin{description} + \item[Zentraleinheit (\acs{CPU})] Die CPU besteht aus: + \begin{description} + \item[Rechenwerk] Rechnen mit Zahlen und logischen Werten + \item[Steuerwerk] Zuständig für das Steuern und Koordinieren aller anderen Komponenten $\Rightarrow$ Interpretation und Ausführung des (Maschinensprachen-)Programms + \end{description} + \item[Speicherwerk] (Hauptspeicher, Primärspeicher) \newline + Speichern von Informationen (sowohl Programmcode als auch Nutzdaten gleichermaßen) + \item[Bus] verbindet alle Komponenten und ermöglicht den Informationsaustausch/Datenfluss zwischen ihnen. + \item[Eingabewerk] \enquote{Schnittstelle} für Eingabegeräte (\zB USB-Controller, S-ATA-Controller) nicht jedoch das Peripheriegerät selbst (also nicht die Tastatur) + \item[Ausgaberwerk] \enquote{Schnittstelle} für Ausgabegeräte (\zB Grafikkarte) +\end{description} + +\begin{figure}[ht] + \centering + \includegraphics[width=8cm]{Bilder/Von-Neumann_Architektur.png} + \caption{Vereinfachte Darstellung der von-Neumann-Architektur} + \label{fig:neumann_architektur} +\end{figure} + +\subsection{Harvard-Architektur} +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 +Dadurch ist eine klare physikalische Trennung von Programmcode und Nutzdaten möglich. + +\begin{figure}[ht] + \centering + \includegraphics[width=8cm]{Bilder/Harvard-architektur.png} + \caption{Vereinfachte Darstellung der Harvard-Architektur} + \label{fig:harvard_architektur} +\end{figure}