3.1.1 Die Architektur eines Computers und die Funktionsweise seiner Hauptkomponenten beschreiben
Unterrichtsmaterial zum Lernziel: Die Maturandinnen und Maturanden können die Architektur eines Computers und die Funktionsweise seiner Hauptkomponenten beschreiben.
Logische Gatter und Schaltungen
Dieses Unterrichtsmaterial behandelt grundlegende digitale Logikgatter wie Inverter, AND-, OR-, XOR- und NAND-Gatter inklusive ihrer Wahrheitstabellen. Anhand praxisnaher Anwendungsszenarien und Programmieraufgaben in CircuitVerse lernen Schülerinnen und Schüler, Schaltungen zu analysieren und zu entwerfen.
Von-Neumann-Architektur, Fetch-Decode-Execute-Zyklus und Little Man Computer (LMC)
Dieses Unterrichtsmaterial vermittelt die Grundlagen der Computerarchitektur anhand des Von-Neumann-Modells und des Fetch-Decode-Execute-Zyklus. Anhand praktischer Aufgaben mit einem LMC-Simulator (Little Man Computer) lernen die Lernenden zudem, einfache Programme in Assembler nachzuvollziehen und zu schreiben.
Maschinennahe Programmierung und der Little Man Computer
Dieses Unterrichtsmaterial führt in die Architektur von Computern und den Fetch-Decode-Execute-Zyklus ein. Anhand des 'Little Man Computer' (LMC) lernen die Lernenden maschinennahe Programmierung, Assemblerbefehle und Verzweigungen kennen und vergleichen schliesslich RISC- und CISC-Prozessoren.
Modelleisenbahnen, Mikrocontroller, Programmieren mit C++
Diese Unterrichtswerkstatt führt Schülerinnen und Schüler ohne Vorkenntnisse anhand von Arduino-Mikrocontrollern in die Programmierung mit C++ ein. Neben Grundlagen wie Bedingungen und Funktionen werden auch elektronische Bauteile, Displays und die digitale Steuerung von Modelleisenbahnen via DCC-Signalen behandelt.
Bits addieren: Vom Halbaddierer zum 4-Bit-Addierer
Dieses Unterrichtsmaterial führt Lernende schrittweise von der schriftlichen binären Addition über den Entwurf von Halb- und Volladdierern als Logikgatter-Schaltungen bis hin zum Bau eines 4-Bit-Addierers in CircuitVerse. Es verbindet theoretische Grundlagen der Datenrepräsentation und Schaltungstechnik mit praktischen Übungen.
Computersysteme: Hardware, Software und Architektur
Dieses Unterrichtsmaterial vermittelt grundlegende Konzepte von Computersystemen, einschliesslich der Unterscheidung zwischen Hardware und Software sowie der Aufgaben von Betriebssystemen. Zudem wird die klassische Von-Neumann-Architektur und das Zusammenspiel der Systemkomponenten detailliert erläutert.
Konzept Computerarchitektur
Der Text erklärt die Grundlagen der Von-Neumann-Architektur, den Aufbau eines Computers mit CPU und RAM sowie den Von-Neumann-Zyklus (fetch-execute-cycle). Er beschreibt zudem, wie grundlegende Befehle und logische Operationen auf dieser Hardware ausgeführt werden.
Photodioden: Wie Computer Licht sehen
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt detailliert die Funktionsweise, den photoelektrischen Effekt und die Anwendungen von Photodioden als Schnittstelle zwischen Licht und elektronischen Systemen. Es enthält theoretische Erklärungen, Vergleiche mit anderen Sensoren sowie ein vereinfachtes Arduino-Codebeispiel.
Repetitionsmaterial zu Hardware, Logikgatter und Von-Neumann-Architektur
Dieses Unterrichtsmaterial dient der Repetition von Informatiksystemen. Es deckt Themen wie das EVA-Prinzip, Logikgatter, Addierer sowie grundlegende Konzepte der Von-Neumann-Architektur und des Binärsystems ab.
Abstraktion und Implementierung durch modularen Systemaufbau
Dieses Unterrichtsmaterial führt in die Konzepte der Abstraktion, Implementierung und modularer Systeme ein. Anhand praktischer Metaphern wie Landkarten und dem Bau eines einfachen Rechners wird gelernt, wie man komplexe Systeme durch Divide and Conquer handhabbar macht.
Logische Schaltungen: Halb- und Volladdierer
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt anhand einer intuitiven Annäherung den Aufbau von Halb- und Volladdierern im Binärsystem. Die Lernenden erfahren, wie logische Schaltungen für die binäre Addition funktionieren und wie diese zu einem Multibit-Addierer zusammengeschaltet werden.
Logikgates und Boolesche Logik im Computer
Dieses Unterrichtsmaterial führt in die grundlegenden Logikgates (und, oder, nicht) ein, die als Bausteine für Computer dienen. Die Lernenden lernen, Wahrheitstabellen zu verstehen und aus einfachen logischen Schaltungen abzuleiten, um schliesslich einen Addierer zu bauen.
Hardware-Komponenten eines Desktopcomputers
Dieses Unterrichtsmaterial behandelt die sechs wichtigsten Komponenten eines Desktopcomputers (Mainboard, CPU, RAM, Massenspeicher, Grafikkarte und Netzteil) mitsamt ihrer Kernfunktionen und Kenngrössen. Es ist praxisnah aufgebaut und enthält Verweise auf Erklärvideos zur Veranschaulichung der Hardware.
Funktionsweise und Programmierung von Infrarot-Sensoren beim Maqueen-Roboter
Dieses Material erklärt die Funktionsweise von Infrarot-Lichtsensoren am Beispiel des Roboters Maqueen und zeigt deren digitale Signalverarbeitung mithilfe des micro:bit. Es verbindet physikalische Grundlagen von Halbleitern und Fototransistoren mit praktischen Python-Codeausschnitten.
Löt-Anleitung: Leuchtkäfer
Eine praktische Anleitung zum Zusammenlöten eines elektronischen Leuchtkäfers, der mithilfe eines Fotowiderstands und Transistors auf Lichtverhältnisse reagiert. Neben der handwerklichen Anleitung werden auch grundlegende Bauteile wie Transistoren und Fotowiderstände kurz erklärt.
Rechnerarchitektur und Von-Neumann-Rechner
Dieses Unterrichtsmaterial behandelt umfassend die Grundlagen von Rechnerarchitekturen, darunter Turingmaschinen, den Von-Neumann-Rechner, LMC-Programme sowie logische Schaltungen und Prozessorarchitekturen wie RISC und CISC. Die SuS lernen den Aufbau und die Funktionsweise von Computersystemen von der Hardware bis zur Kompilation kennen.
Rechnerarchitektur: Von-Neumann- und Harvard-Architektur
Der Text erklärt die Grundkomponenten der Von-Neumann-Architektur, den dazugehörigen Zyklus sowie das Bus-System anhand von Beispielen. Anschliessend wird die Harvard-Architektur erläutert und mit der Von-Neumann-Architektur verglichen.
Von NAND zu Tetris: Einen Computer in Simulation bauen
Diese Unterrichtseinheit für das Ergänzungsfach Informatik an Schweizer Gymnasien führt Schülerinnen und Schüler von elementaren Logikgattern über den Entwurf eines Addierers und Speichers bis hin zum funktionsfähigen Computersystem. Inspiriert vom nand2tetris-Projekt wird mithilfe von Simulationssoftware wie CircuitVerse die Abstraktionslücke zwischen Hardware und Software anschaulich geschlossen.
Corewars - Das Duell der Programme
In diesem Unterrichtsmaterial lernen Schülerinnen und Schüler spielerisch Grundkonzepte von Artificial Life und Rechnerarchitekturen kennen, indem sie Programme in einer Assemblersprache schreiben und in Corewars gegeneinander antreten lassen. Sie analysieren bestehende Programme, entwickeln eigene Strategien und experimentieren mit evolutionären Prozessen.
Hardware-Produkte: Multiplikationseinheit
Dieses Unterrichtsmaterial lässt Schülerinnen und Schüler in einer praktischen Werkstattarbeit eine einfache Multiplikationseinheit hardwaremässig realisieren. Es baut auf theoretischen Grundlagen von Multiplikationsschaltungen auf und stellt den Bezug zur realen Funktionsweise von Computern her.
Multiplikationschips
Dieses Unterrichtsmaterial für das Gymnasium behandelt den Entwurf von kombinatorischen Schaltungen zur Multiplikation binärer Zahlen. Die Schüler lernen die Methode der partiellen Produkte kennen und wenden diese auf Hardware-Komponenten an.
Tastatur und Zehnfingersystem
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die verschiedenen Tastaturbelegungen, Sondertasten sowie Tastenkombinationen für Windows und macOS. Zudem wird das Zehnfingersystem und dessen Erlernen mithilfe von Online-Tools wie TIPP10 behandelt.
Die Speicherhierarchie in Computersystemen
Das Unterrichtsmaterial erklärt anschaulich die Speicherhierarchie in Computersystemen anhand technischer Gegebenheiten wie Geschwindigkeit, Flüchtigkeit und Kosten. Anhand eines konkreten Beispiels (Bearbeiten eines Word-Dokuments) wird der Datenfluss zwischen Cloud, Massenspeicher, Arbeitsspeicher, Cache und Prozessorregistern nachvollzogen.
Einführung in CircuitVerse und Logikgatter
Diese Unterrichtsmaterial führt Schülerinnen und Schüler in die Nutzung der Online-Plattform CircuitVerse ein. Es erklärt die Grundlagen zum Erstellen von Schaltungen, Verwenden von Ein- und Ausgabeelementen sowie Logikgattern.
Bits speichern: Von der Rückkopplung zum Speicher
Dieses Unterrichtsmaterial führt anhand logischer Schaltungen und dem Online-Simulator CircuitVerse von der Rückkopplung über das SR-Flip-Flop bis hin zu Registern und Speichern. Die Lernenden bauen praxisnah Schaltungen wie Alarmanlagen mit Gedächtnis, Dekodierer und Speicherzellen auf.
Die Von-Neumann-Architektur
Der Text erklärt die grundlegende Struktur und Funktionsweise der Von-Neumann-Architektur mit ihren vier Hauptkomponenten und Bussystemen. Zudem wird die Umsetzung dieses Konzepts in modernen Prozessoren am Beispiel des Apple M1 veranschaulicht.
Der Little Man Computer (LMC)
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die Architektur und Funktionsweise des Little Man Computers als Modell für die Von-Neumann-Architektur. Es behandelt detailliert den Aufbau mit Speicher und Registern sowie den Von-Neumann-Zyklus aus Fetch, Decode und Execute.
Der Befehlssatz des Little Man Computers und Maschinennahe Programmierung
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt anhand des Little Man Computers (LMC) den Befehlssatz von Prozessoren, die Funktionsweise von Maschinenbefehlen und demonstriert einfache Programme wie Addition und Zahlenraten im direkten Vergleich mit Python.
Einführung in die Assemblersprache mit dem Little Man Computer (LMC)
Dieses Unterrichtsmaterial führt anhand des Little Man Computer (LMC) in die Grundlagen der Assemblersprache ein. Es behandelt Themen wie Instruktionen, Labels, Verzweigungen, Schleifen und die Implementierung von Algorithmen wie Multiplikation und Division auf Maschinenebene.
Grundlagen Elektronik und Stromkreise
Dieses Unterrichtsmaterial vermittelt grundlegende Konzepte der Elektronik, darunter das Ohmsche Gesetz, einfache Stromkreise, digitale Schaltungen sowie den praktischen Umgang mit Leuchtdioden und Steckplatinen. Es enthält sowohl theoretische Erklärungen als auch konkrete Berechnungs- und Aufbauaufgaben.
Ansteuerung einer Siebensegmentanzeige mit dem micro:bit
Das Material beschreibt den physischen Anschluss einer Siebensegmentanzeige an einen micro:bit und stellt eine Programmieraufgabe zur schrittweisen Anzeige der Ziffern 0 bis 9. Es verknüpft Hardware-Komponenten mit praktischer Programmierung.
Schieberegister mit micro:bit und Segmentanzeige
Das Material erklärt die Funktionsweise von Schieberegistern anhand des Chips 74HC595 und zeigt deren Verkabelung mit einem micro:bit sowie einer Segmentanzeige. In praktischen Aufgaben sollen die Schülerinnen und Schüler Schaltungen aufbauen und bestehende Programme entsprechend anpassen und erweitern.
LED-Matrix mit micro:bit
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt den Aufbau und die Ansteuerung einer LED-Matrix mithilfe eines Schieberegisters und eines micro:bit. Die Schülerinnen und Schüler lernen die hardwareseitigen Verbindungen kennen und schreiben ein Python-Programm, um die Pixel nacheinander anzusteuern.
Digitale Ein- und Ausgabe beim micro:bit
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die digitalen Ein- und Ausgänge des micro:bit-Mikrocontrollers. Anhand von Erklärungen und Python-Codebeispielen wird gezeigt, wie Pins für die Sensorik und Aktorik genutzt werden können.
Einführung in die Informatiksysteme und Computerarchitektur
Das Material bietet eine strukturierte Einführung in die Grundlagen von Informatiksystemen und Computerarchitektur. Es beschreibt anschaulich die Hauptkomponenten der Hardware und deren Zusammenspiel mit Software.
Das EVAS-Prinzip
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt das EVAS-Prinzip (Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe, Speicherung) als Grundprinzip der Datenverarbeitung. Es werden typische Ein- und Ausgabegeräte vorgestellt, begleitet von anwendenden Aufgaben und einer interaktiven Zuordnungsübung.
Der Prozessor: Aufgaben und Kenngrössen
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die Hauptaufgaben und Kenngrössen von Prozessoren in modernen Computern, einschliesslich Mehrkernprozessoren und integrierten Grafikeinheiten. Es enthält kurze Erklärungen sowie zwei Verträgungsfragen zum Thema.
Datenspeicher und Speicherhierarchie
Der Text behandelt die Grundlagen von Datenspeichern, wobei Kenngrössen wie Kapazität, Zugriffszeit und Übertragungsrate erläutert werden. Zudem werden Arbeitsspeicher (RAM) und Massenspeicher (HDD und SSD) verglichen und in eine Speicherhierarchie eingeordnet.
Grafikkarte
Der Text erklärt die Aufgaben und Kenngrössen von Grafikkarten, ihre historische Entwicklung von einfachen Textanzeigen bis hin zu modernen 3D- und KI-Berechnungen sowie gängige Bildschirm-Schnittstellen.
Hauptplatine und BIOS
Dieses Unterrichtsmaterial vermittelt die Grundlagen zur Hardware eines Computers mit Fokus auf den Aufbau der Hauptplatine (Mainboard) inklusive North- und Southbridge sowie die Rolle des BIOS beim Startvorgang. Es enthält neben Erklärungstexten und Abbildungen auch konkrete Aufgaben zur Vertiefung für Schülerinnen und Schüler.
Stromversorgung von Computern
Das Material erklärt die Funktion des Netzteils bei Computern zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom sowie die Unterscheidung zwischen Desktop- und Notebook-Netzteilen. Zudem werden Kenngrössen wie die Leistung in Watt und das Verhältnis von Leistung zur Abwärme inklusive Kühlung behandelt, ergänzt durch eine kurze Recherche- und Diskussionsaufgabe.
Ebenen der Informatiksysteme
Der Text beschreibt anschaulich den Schichtenaufbau eines Computers von der Elektronik über die digitale Logik und Rechnerarchitektur bis hin zum Betriebssystem und den Anwendungen. Er erklärt die verschiedenen Abstraktionsebenen und wie Hardware, Betriebssystem und Software ineinandergreifen.
Digitale Schaltungen und Wahrheitstabellen
Dieses Unterrichtsmaterial führt in die Grundlagen digitaler Schaltungen ein und erklärt anhand von Wahrheitstabellen, wie Eingaben und Ausgaben logisch verknüpft werden. Es werden verschiedene Sensor- und Aktor-Typen sowie einfache Verknüpfungen wie direkte Verbindungen und Verzweigungen vorgestellt.
CircuitVerse Einführung
Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Nutzung der Online-Plattform CircuitVerse für den Entwurf und die Simulation von Logikschaltungen. Lernende erfahren, wie sie Konten anlegen, Schaltungselemente wie Ein- und Ausgänge sowie Gatter verwenden und Projekte speichern.
Der Inverter (Logikgatter)
Das Material führt in das logische Bauteil des Inverters (NOT-Gatter) ein, zeigt Wahrheitstabellen und Symbole. Anhand von Alltagsbeispielen und interaktiven Aufgaben in CircuitVerse wird die Anwendung logischer Inversion praktisch geübt.
AND-Gatter
Dieses Unterrichtsmaterial führt in das logische AND-Gatter ein, erklärt Wahrheitstabellen und Schaltpläne anhand von Beispielen wie Kaffeemühlen oder Heizungen und bietet Übungen zum Entwerfen und Analysieren von Schaltungen mit integrierten Links zu CircuitVerse.
OR-Gatter und logische Schaltungen
Dieses Unterrichtsmaterial führt in das logische OR-Gatter und Boolesche Grundschaltungen ein. Anhand von Beispielen wie Türöffnern und Alarmanlagen sowie integrierten interaktiven Aufgaben in CircuitVerse lernen die Schülerinnen und Schüler, Wahrheitstabellen zu erstellen und Schaltungen zu entwerfen und zu analysieren.
XOR-Gatter und logische Schaltungen
Dieses Unterrichtsmaterial führt in das Konzept des XOR-Gatters und logische Schaltungen ein. Anhand von Beispielen aus dem Alltag und praktischen Aufgaben mit einem Online-Simulator (CircuitVerse) entwerfen und analysieren die Lernenden eigene Schaltungen.
NAND-Gatter
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die Funktionsweise und Wahrheitstabelle von NAND-Gattern. Es wird auf deren Eigenschaft als Universalgatter eingegangen, mit konkreten Aufgaben zum Nachbau verschiedener Logikgatter.
Addierer
Das Unterrichtsmaterial behandelt die binäre Addition und leitet schrittweise über logische Gatter zur Konstruktion von Halbaddierern, Volladdierern und schliesslich einem 4-Bit-Addierer an. Die Lernenden setzen das Gelernte praktisch im Logiksimulator CircuitVerse um.
Speicher und Rückkopplung in digitalen Schaltungen
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt anhand von Logikgattern und Rückkopplungsschleifen, wie Computer Informationen speichern können. Die Schülerinnen und Schüler lernen das Konzept des SR-Flip-Flops sowie des D-Flip-Flops kennen und wenden dieses direkt in interaktiven Simulationen in CircuitVerse an.
Der Von-Neumann-Zyklus
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt den Von-Neumann-Zyklus und seine drei Hauptschritte: Befehl laden, Befehl decodieren und Befehl ausführen. Es bietet eine verständliche Einführung in die Funktionsweise des Prozessors.
Modellrechner MOPS
Das Unterrichtsmaterial führt in den Assembler-Simulator MOPS ein und lässt Lernende einfache Programme auf Basis eines Befehlssatzes und Speichermodells erstellen. Es beinhaltet eine ausführliche Befehlsreferenz sowie konkrete Programmieraufgaben wie die Berechnung von Fakultäten oder der Fibonacci-Folge.
Unterrichtsmaterial zu Rechnerarchitektur, Digitaler Logik und Betriebssystemen
Das Material bietet eine strukturierte Sammlung von Präsentationen, Arbeitsblättern und praktischen Aktivitäten zu den Themen Speicherhierarchie, digitale Logik mit Gatter-Schaltungen, CPU-Funktionsweise und Betriebssystemen. Es enthält sowohl geführte Lektionen mit Rollenspielen und Hardware-Workshops als auch selbstständige Einheiten für den Unterricht an Gymnasien.
Informatiksysteme und Rechnermodell
Dieses Unterrichtsmaterial behandelt die Grundlagen von Computersystemen inklusive des EVAS-Prinzips, digitaler Logik, der Von-Neumann-Architektur und den Aufgaben von Betriebssystemen. Es vermittelt fundiertes theoretisches Wissen über Hardwarekomponenten, Kennzahlen und Rechnermodelle.
CPU-Rollenspiel zur Von-Neumann-Architektur
In diesem Unterrichtsmaterial schlüpfen Schülerinnen und Schüler in die Rollen verschiedener Komponenten einer Von-Neumann-Architektur, um die Funktionsweise einer CPU und das Fetch-Decode-Execute-Prinzip spielerisch nachzuvollziehen. Das Material enthält detaillierte Hinweise für Lehrpersonen sowie Druckvorlagen für Rollenanleitungen und Programme.
Tetra - Ein Mikroprozessor-Rollenspiel
Dieses Unterrichtsmaterial beschreibt ein Rollenspiel, bei dem Schülerinnen und Schüler die Komponenten und die Funktionsweise eines einfachen Mikroprozessors (Architektur, Mikrocode) physisch nachspielen und ausführen. Es vermittelt ein tiefes Verständnis der Hardware-Ebene und der Interaktion von Komponenten durch ein haptisches Klassenzimmer-Experiment.
Hardware-Workshop
Ein praktischer Workshop, bei dem Schülerinnen und Schüler an verschiedenen Stationen Computer-Hardware wie Festplatten, RAM, Grafikkarten und CPUs physisch untersuchen, ein- und ausbauen sowie im BIOS überprüfen.
Spannung messen mit dem BBC micro:bit
Dieses Unterrichtsmaterial zeigt, wie man mit dem BBC micro:bit und Python die Spannung an einem analogen Pin misst. Die Schülerinnen und Schüler führen praktische Messungen an Batterien durch und analysieren die erhaltenen Werte und deren Grenzen.
Potentiometer und Spannungsteiler
Das Unterrichtsmaterial erklärt den Aufbau und die Funktionsweise eines Potentiometers als variablen Widerstand und Spannungsteiler. In einer praktischen Übung wird das Bauteil mit einem micro:bit und Python-Code verschaltet, um Messungen durchzuführen.
Puls messen mit dem micro:bit und Pulssensor
In diesem Unterrichtsmaterial lernen Schülerinnen und Schüler, wie man einen physischen Pulssensor verkabelt und mithilfe von Python auf einem micro:bit auswertet. Das Material enthält eine detaillierte Anleitung zur Hardware-Inbetriebnahme sowie eine praktische Messaufgabe inklusive Daten-Plotting.
Unterrichtsmaterial zum Thema Messen und physische Computing mit dem micro:bit
Dieses Materialpaket für Lehrpersonen enthält Präsentationen und Arbeitsblätter für den Einstieg in das Thema Messen. Es werden digitale Sensoren, Temperaturmessung und Herzfrequenzmessung behandelt, unter anderem mittels des micro:bit.
8-Bit-Addierer mit Speicher
In diesem praktischen Auftrag bauen die Schülerinnen und Schüler in CircuitVerse einen 8-Bit-Addierer mit Speicherfunktion und Rückkopplung auf. Sie erarbeiten sich dabei grundlegende Konzepte der digitalen Logik und Computerarchitektur.
GPIO-Pin-Belegung und Schaltungsanalyse beim Raspberry Pi
Dieses Unterrichtsmaterial behandelt die Pin-Belegung der GPIO-Schnittstelle eines Raspberry Pi am Beispiel der Broadcom-Nummerierung (BCM). Die Schülerinnen und Schüler analysieren Schaltspezifikationen, ordnen physische Pins den BCM-Nummern zu und wenden ihr Wissen anhand von Python-Programmen und praktischen Aufgaben an.
Python-Code kompilieren mit py-compile
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt anhand von Beispielen und praktischen Übungen, wie Python-Skripte mit dem Modul py_compile kompiliert werden, wie die interaktive Python-Shell genutzt wird und wie .pyc-Dateien in eigenen Projekten verwendet werden.
Sensoren des Thymio-Roboters
Das Unterrichtsmaterial erklärt anschaulich die physikalische Funktionsweise von Distanz- und Beschleunigungssensoren am Beispiel des Thymio-Roboters. Dabei wird auf Infrarotlicht, Reflexionseigenschaften von Oberflächen sowie kapazitive Messungen bei Beschleunigung eingegangen.
Sensoren des Thymio-Roboters
Diese Dokumentation beschreibt die verschiedenen Sensoren des Thymio-Roboters und deren zugehörige Variablen. Es werden unter anderem Tasten, Distanz- und Bodensensoren, Beschleunigungsmesser sowie Timer behandelt.
Elements of Robotics
Dieses Material bietet eine Einführung in die Robotik und behandelt grundlegende Konzepte rund um den Bau und die Programmierung von Robotersystemen. Es eignet sich gut für den projektorientierten Informatikunterricht an Gymnasien.
Grundlagen Elektronik
Dieses Unterrichtsmaterial vermittelt grundlegende Konzepte der Elektronik wie Spannungsquellen, Stromkreise, das Ohmsche Gesetz, Widerstände und Leuchtdiode. Es enthält sowohl theoretische Erklärungen als auch konkrete Berechnungsbeispiele und eine einfache praktische Aufgabe.
Digitale Ausgabe und Logikpegel
Das Unterrichtsmaterial erklärt anhand der Steuerung von Leuchtdiode mit positiver und negativer Logik, wie binäre Werte in Spannungen umgesetzt werden. In praktischen Übungen erstellen die Lernenden entsprechende Schaltungen und schreiben Programme, um LEDs im Sekundentakt blinken zu lassen.
Digitale Eingabe und Pull-Widerstände
Das Material erklärt die Funktionsweise von digitalen Eingängen an Mikrocontrollern, das Problem des hochohmigen Zustands sowie den Einsatz von Pullup- und Pulldown-Widerständen bei positiver und negativer Logik. Eine integrierte Aufgabe verknüpft die elektronische Schaltung mit praktischen Programmierübungen.
Beschleunigungssensor des micro:bit in Python
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die Nutzung des Beschleunigungssensors und der Gestenerkennung des micro:bit mittels Python-Befehlen. Es enthält Funktionsbeschreibungen sowie konkrete Code-Beispiele wie einen Schrittzähler.
Digitale Ein- und Ausgabe mit dem micro:bit
Das Lehrmaterial erklärt die Nutzung der physischen Anschlüsse (Pins) eines micro:bit-Mikrocontrollers für die digitale Ein- und Ausgabe. Es zeigt anhand von Python-Codebeispielen, wie Pins gelesen, geschaltet und als Touch-Tasten verwendet werden können.
Analoge Ein- und Ausgabe mit dem micro:bit
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt anhand von Codebeispielen in Python, wie die analogen Pins des micro:bit für die Eingabe und Ausgabe genutzt werden können. Es thematisiert dabei auch Konflikte mit dem Display und die Steuerung von PWM-Signalen.
Einführung in Assembler
Der Text erklärt die Grundlagen von Prozessoren, Maschinensprache und Opcodes sowie die Funktionsweise von Assemblersprachen als menschenlesbare Alternative zum Maschinencode. Anhand von Beispielen wird die Übersetzung von Assemblerinstruktionen in Maschinenbefehle veranschaulicht.
Hello World in Assembler
Dieses Unterrichtsmaterial zeigt ein einfaches Hello-World-Programm in Assembler unter Verwendung von NASM und der C-Funktion printf. Die Lernenden kopieren den Code, führen ihn aus und erhalten eine kurze Erklärung zu Registern, Labels und der Null-Terminierung von Strings.
Addition und Subtraktion in Assembler
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt anhand von Code-Beispielen die Addition, Subtraktion sowie das Inkrementieren und Dekrementieren von Werten in der Programmiersprache Assembler. Es enthält kurze Aufgaben zum Verständnis der Befehle sowie zum Schreiben eines kleinen Programms mit Ausgabe.
Kontrollstrukturen und Sprünge in Assembler
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die Funktionsweise von unbedingten und bedingten Sprüngen sowie Vergleichen auf Assembler-Ebene und zeigt Gegenüberstellungen zu Python. Anhand von Code-Beispielen und einer konkreten Programmieraufgabe zu den Fibonacci-Zahlen wird das Verständnis für tiefgreifende Kontrollstrukturen gefördert.
Multiplikation und Division in der Assembler-Programmierung
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die Funktionsweise und Besonderheiten der mul- und div-Instruktionen in der Assembler-Programmierung auf verschiedenen Bit-Ebenen von 8 bis 64 Bit. Anhand konkreter Aufgaben können Lernende kleine Programme schreiben, Register und Speicher verwenden sowie Rest- und Überlaufverhalten analysieren.
Computerkategorien
Das Material gibt eine kurze Übersicht über verschiedene Computerkategorien, von Wegwerfcomputern und Mikrocontrollern bis hin zu Supercomputern, und klassifiziert diese nach Anwendungsbeispielen und Kosten. Es vermittelt grundlegendes Wissen über die Vielfalt und Skalierung von Computersystemen.
Assembler-Grundlagen
Dieses Unterrichtsmaterial vermittelt die Grundlagen der Assembler-Programmierung, einschliesslich der Struktur von Instruktionen, Direktiven und Speicherverwaltung sowie der Verwendung von Registern und Befehlen wie 'mov'. Es bietet eine kompakte theoretische Einführung in die maschinennahe Programmierung.
Konzept Hardware
Der Text erklärt die grundlegenden Komponenten eines Computersystems wie CPU und Speicher sowie Peripheriegeräte und veranschaulicht das Konzept mithilfe einer biologischen Analogie. Er dient als kurze Einführung in die physischen Bestandteile von Informatiksystemen.
EVA-Prinzip und analoge versus digitale Signale
Dieses Unterrichtsmaterial führt grundlegend in das EVA-Prinzip (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe) anhand eines Logik-Boards ein und erklärt den Unterschied zwischen analogen und digitalen Signalen sowie deren Eigenschaften.
Sensorik mit AHT21 und ENS160 in Python
Dieses Unterrichtsmaterial leitet dazu an, Informationen zu Umweltsensoren (AHT21 und ENS160) zu recherchieren und diese über die I2C-Schnittstelle mit Python auf einem Mikrocontroller auszulesen. Die Lernenden schreiben Programme zum permanenten Abfragen der Sensoren und zur Ausgabe der Messwerte.
Entwurf eines programmierbaren Rechners
Dieses Leitprogramm führt in den Entwurf eines einfachen programmierbaren Rechners ein, indem grundlegende Hardware-Komponenten und Assembler-Befehle vorgestellt werden. Es richtet sich an Lernende mit Vorkenntnissen in logischen Schaltungen, binären Zahlen und der Assembler-Programmierung.
Abstraktionsebenen eines Computers
Der Text erklärt den komplexen Aufbau von Computern anhand verschiedener Abstraktionsebenen, angefangen bei der Elektronik über die digitale Logik und Rechnerarchitektur bis hin zum Betriebssystem und zu den Anwendungsprogrammen. Dabei werden grundlegende Hardware-Komponenten und deren Zusammenspiel beschrieben.
Aufbau und Funktionsweise von Mikrochips
Der Text erklärt die physikalischen und technologischen Grundlagen von Mikrochips, angefangen beim Transistor als elektronischem Schalter über Grössenordnungen im Nanometerbereich bis hin zur hierarchischen Struktur von Schaltungen und der Verwendung von Silizium als Halbleiter.
Herstellung von Mikrochips
Der Text beschreibt anschaulich die komplexen und mehrstufigen Schritte zur Herstellung von Mikrochips aus Silizium in Reinräumen. Dabei werden zentrale Prozesse wie Lithografie, Ätzen und Dotieren sowie der Aufbau von Transistoren und Leiterbahnen im Überblick erklärt.
Lösungen zu Logikgattern und Binäraddition
Dieses Dokument enthält Musterlösungen für verschiedene Aufgaben zu logischen Gattern (Inverter, AND, OR, XOR, NAND) sowie zur binären Addition und zu Schaltungsanalysen.
Rechnerarchitektur und Von-Neumann-Architektur
Der Text führt in die Grundlagen der Rechnerarchitektur ein und erläutert die Von-Neumann-Architektur sowie den Befehlssatz. Als didaktisches Modell wird der Little Man Computer vorgestellt, um die interne Funktionsweise eines Computers zu veranschaulichen.
micro:bit Magnetometer
Dieses Unterrichtsmaterial beschreibt die Funktionsweise und Programmierung des integrierten Magnetometers auf dem micro:bit. Es werden wichtige Funktionen zur Messung der magnetischen Feldstärke sowie zur Kompasskalibrierung anhand von Python-Codebeispielen erläutert.
Analoge Ein- und Ausgabe mit dem micro:bit
Das Unterrichtsmaterial erklärt anhand von Codebeispielen in Python, wie die analogen Pins des micro:bit für die Ein- und Ausgabe verwendet werden können. Dabei werden auch Konflikte mit dem integrierten Display und Funktionen zur Pulsweitenmodulation thematisiert.
Von-Neumann-Architektur
Der Text erklärt die Grundlagen der Rechnerarchitektur mit Fokus auf das Von-Neumann-Modell. Dabei werden die zentralen Komponenten wie Rechenwerk, Steuerwerk und Speicherwerk sowie der historische Kontext und die Alternative der Harvard-Architektur beschrieben.
Befehlssatz von Prozessoren
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt den Befehlssatz eines Prozessors anhand typischer Operationen wie Laden, Speichern, Addieren, Eingabe und Ausgabe. Es bietet eine anschauliche Einführung in die grundlegenden Mechanismen der Hardware- und Prozessorarchitektur.
Einführung in den micro:bit
Das Material stellt den programmierbaren Mikrocontroller BBC micro:bit vor. Es beschreibt seine technischen Komponenten wie LEDs, Knöpfe und Sensoren sowie die Möglichkeit zur Programmierung.
Betreiben des micro:bit ohne Computer
Dieses Kapitel beschreibt, wie ein micro:bit Mikrocontroller autonom ohne ständige Verbindung zu einem Computer betrieben werden kann. Es behandelt das automatische Starten von Programmen, die mobile Stromversorgung sowie das Speichern von Daten für die spätere Auswertung.
Spannungsteiler
Das Material erklärt die physikalischen und mathematischen Grundlagen eines Spannungsteilers in elektrischen Stromkreisen. Es leitet die Formeln her und zeigt die praktische Anwendung in Kombination mit einem Mikrocontroller (micro:bit) zur Spannungsmessung.
Raspberry Pi konfigurieren
Diese Anleitung beschreibt die ersten Schritte zur Inbetriebnahme eines Raspberry Pi, von der physischen Verkabelung über den Ersteinrichtungsassistenten bis hin zur Aktivierung des SSH-Servers für den Fernzugriff.
Digitale Schaltung und Logikpegel
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die Grundlagen digitaler Schaltungen anhand von Spannungsschwellen und Logikpegeln. Es wird demonstriert, wie Schalterstellungen zu binären Werten von 0 oder 1 führen, und es werden Fehlerzustände wie Kurzschlüsse oder hochohmige Zustände besprochen.
Verwendung des Magnetometers mit dem micro:bit
Das Material erklärt die Verwendung des integrierten Magnetometers im micro:bit zur Messung der magnetischen Flussdichte. Es werden wichtige Funktionen und Befehle zur Kalibrierung und zum Auslesen der Sensorwerte vorgestellt.
CPU-Register in x86/x64-Architekturen
Dieses Unterrichtsmaterial beschreibt die Struktur und Benennung von 16-Bit-, 32-Bit- und 64-Bit-Registern in Prozessoren. Es zeigt auf, wie Register in kleinere Einheiten unterteilt werden können und listet gängige Register wie Akkumulator oder Stack Pointer auf.
Assemblieren, Linken und Ausführen von Assembler-Programmen
Dieses Material erklärt Schritt für Schritt, wie man NASM-Assembler-Programme unter Linux assembliert, linkt und ausführt. Zudem wird ein praktisches Shell-Script zur Automatisierung dieses Prozesses vorgestellt und in einer Übung angewendet.
ESP 8266 Löten und Zusammenbauen
Eine praktische Anleitung zum Löten, Testen und Verkabeln eines ESP 8266 Mikrocontrollers für den Einsatz im Unterricht. Es werden detaillierte Schritte zur Pin-Belegung und zum Erstellen von Kabelverbindungen beschrieben.
Bau eines elektronischen Würfels mit Lötarbeiten
Dieses praxisorientierte Unterrichtsmaterial beschreibt den Bau eines elektronischen Würfels auf einer Platine. Die Schülerinnen und Schüler lernen grundlegende handwerkliche Tätigkeiten wie das Löten, die Handhabung von Bauteilen sowie die Funktionsweise eines einfachen geschlossenen Stromkreises kennen.
Physische Datenträger Karten
Eine Sammlung von Bildkarten physischer Datenträger und Hardwarekomponenten wie Kassetten, Festplatten, Lochkarten und RAM, die für verschiedene unterrichtliche Aktivitäten eingesetzt werden können.
Transistoren
Der Text erklärt kurz das Konzept von Transistoren als elektronische Bauelemente und Schalter, die die Grundlage für digitale Computerchips bilden. Es wird zudem auf das Herstellungsverfahren und die heutige Miniaturisierung eingegangen.
Sensoren in der Informatik und Physik
Der Text erklärt die Definition von Sensoren und unterscheidet zwischen aktiven und passiven Sensoren anhand physikalischer Messprinzipien. Es wird zudem auf moderne Sensoren mit integrierter Elektronik und Analog-Digital-Wandlung eingegangen.
Messen mit dem micro:bit
Das Material beschreibt kurz die Pin-Belegung des BBC micro:bit, insbesondere im Hinblick auf Messungen an Pin 1. Es handelt sich um eine kurze technische Einführung, die als Einstieg für Hardware- oder Sensorik-Projekte dienen kann.
Raspberry Pi 5 Spezifikationen und GPIO-Belegung
Diese Materialseite stellt die technischen Spezifikationen des Einplatinencomputers Raspberry Pi 5 vor und zeigt die Pin-Belegung der GPIO-Schnittstelle. Es bietet eine kurze Übersicht zur Hardware und verweist auf die offizielle Dokumentation.
Das LadderBoard für den Raspberry Pi
Das Material stellt das LadderBoard als Hardware-Erweiterung für den Raspberry Pi vor, inklusive LEDs und Schaltern. Es verlinkt auf Pläne und Schaltungen, um eine eigene Version des Boards einzusetzen.
micro:bit Firmware-Update
Eine kurze Anleitung zur Überprüfung und Aktualisierung der Firmware eines micro:bit-Mikrocontrollers. Es wird erklärt, wie man die Versionsnummer ausliest, den Wartungsmodus aktiviert und neue Firmware-Dateien auf das Gerät überträgt.
Assembler-Programmgerüst
Dieses Material stellt ein grundlegendes Programmgerüst in Assembler zur Verfügung, das für praktische Programmierübungen verwendet werden kann. Es zeigt die Struktur von Daten-, BSS- und Text-Segmenten sowie den Einstiegspunkt für den gcc-Compiler.
Präsentationen zu Assembler und MoVfuscator
Das Material bietet Präsentationen im PDF- und PPTX-Format rund um das Thema Assembler und den MoVfuscator. Es behandelt hardwarenahe Programmierung und maschinennahe Konzepte für den Informatikunterricht.
Das EVAS-Prinzip
Das Material erklärt das EVAS-Prinzip der Datenverarbeitung anhand der Schritte Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe und Speicherung sowie typischer Geräte. Der Text bricht jedoch am Ende unvollständig ab.
LadderBoard löten
Diese Anleitung beschreibt das praktische Zusammenlöten einer Hardwareplatine (LadderBoard) mit verschiedenen elektronischen Bauteilen wie LEDs, Widerständen und Schaltern anhand eines Videos und einer Schritt-für-Schritt-Aufgabe.
LadderBoard testen
Eine kurze praktische Anleitung zum Testen der Hardware-Komponenten (Schalter, LEDs und GPIO-Connector) eines LadderBoards mithilfe einer Test-Station, inklusive Fehlerbehebung bei den Lötstellen.
Steckplatine
Das Material erklärt kurz und anschaulich den Aufbau und die Funktionsweise einer Steckplatine (Breadboard) für den prototypischen Aufbau von elektronischen Schaltungen ohne Löten. Es wird beschrieben, wie interne Kontakte vertikal und äussere Kontakte horizontal verschaltet sind.
micro:bit Firmware-Update
Das Material beschreibt kurz, wie man die Firmware-Version eines micro:bits überprüft und wie man ein Firmware-Update durchführt. Es handelt sich um eine technische Anleitung für die Inbetriebnahme beziehungsweise Wartung der Hardware.
Microchips
Das Material bietet eine kurze Einführung in das Thema Microchips und deren Grundlagen. Es beschreibt die technischen Hintergründe auf einfache Weise, eignet sich jedoch primär als Übersicht ohne vertiefende praktische Übungen.
BBC micro:bit Pinout und Komponenten
Es handelt sich um eine grafische Übersicht der Vorder- und Rückseite des Mikrocontrollers BBC micro:bit mit Beschriftung der Pins und Hardware-Komponenten. Das Material zeigt lediglich die Hardware-Architektur des Geräts und enthält keinen erklärenden Text, Übungs- oder Programmierteil.
Thymio-Tutorial
Dieses kurze Tutorial stellt die verschiedenen Sensoren und Aktoren des Roboters Thymio II Wireless vor. Es beschreibt, wie der Roboter auf Umwelteinflüsse reagieren kann.