\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}
