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.
Von-Neumann-Architektur und LMC-Simulator
Dieses Unterrichtsmaterial vermittelt die Grundlagen der Von-Neumann-Architektur und des Fetch-Decode-Execute-Zyklus anhand klarer Erklärungen, interaktiver Visualisierungen und praktischer Übungen mit dem Little Man Computer (LMC).
Advent of Code: Chronal Classification
Eine Programmieraufgabe zur Analyse und Simulation von Prozessor-Registern und Opcodes, bei der herausgefunden werden muss, wie Befehle aufgrund von Vorher-Nachher-Zuständen interpretiert werden.
Advent of Code: Go With The Flow (Instruction Pointer und Sprungbefehle)
Eine Programmieraufgabe, bei der die Funktionsweise eines Prozessors mit einem an Register gebundenen Instruktionszeiger (Instruction Pointer) analysiert und simuliert werden muss. Lernende müssen den Ablauf von Sprungbefehlen nachvollziehen und den Zustand von Registern bestimmen.
Advent of Code: Cathode-Ray Tube
Eine Programmieraufgabe aus dem Advent of Code, bei der die Taktung und Befehlsverarbeitung einer einfachen CPU sowie Registeroperationen simuliert werden müssen. Die Lernenden analysieren Instruktionen wie addx und noop und berechnen daraus Signalstärken.
Advent of Code: Chronospatial Computer Simulation
Eine Programmier- und Logikaufgabe, bei der eine virtuelle 3-Bit-CPU mit Registern, Opcodes und Operanden simuliert werden muss, um Programmausgaben zu berechnen.
Unterrichtsmaterial zu Grundlagen der Informatik 1 & 2 (App Camps)
Umfassende, kostenfreie digitale Unterrichtsmaterialien für die Unter- und Mittelstufe zu den Bereichen Daten und Codierung, Algorithmen, Rechner und Netze sowie Informationsgesellschaft und Datensicherheit. Die Module beinhalten praktische Programmieraufgaben, Projektarbeiten sowie Einstiegsvideos und Lernkarten für selbstständiges Arbeiten.
Der Raspberry Pi als Informatiksystem
Dieses Unterrichtsmaterial verbindet theoretisches Wissen aus der imperativen Programmierung mit praktischen Experimenten an einem Raspberry Pi. Die Schülerinnen und Schüler lernen, die Hardware zu nutzen, Schaltungen zu steuern und Daten zu übertragen.
Programmübersetzung
Das Material erklärt den Prozess der Programmübersetzung von einer höheren Programmiersprache in Maschinensprache am Beispiel einer vereinfachten Sprache namens MiniPython und dem Bonsai-Modellrechner. Dabei lernen die Lernenden, Programme in Strukturen zu zerlegen und mithilfe von Schablonen Code in Assemblersprache zu erzeugen.
JOHNNY-Modellrechner
Das Material führt anhand des Simulationsprogramms JOHNNY in den Aufbau und die Funktionsweise von Computern sowie in die Assembler-Programmierung ein. Lernende erkunden schrittweise die Architektur von Rechnern und entwerfen eigene einfache Programme.
Bonsai-Modellrechner
Das Material stellt den Bonsai-Lehrcomputer vor, einen stark vereinfachten Modellrechner mit minimalistischer Assemblersprache. Er dient dazu, den komplexen Aufbau und die Funktionsweise von Computern sowie Prozessoren für den Unterricht verständlich zu machen.
Digitaltechnik: Grundlagen der digitalen Logik und Schaltungen
Dieses Unterrichtsmaterial führt in die Grundlagen der digitalen Logik, die Verknüpfung von Aussagen sowie die digitale Datenspeicherung ein. Es verbindet theoretische Konzepte mit praktischen Anwendungen wie der Simulationssoftware LogicSim und Steckbrett-Schaltungen.
Calliope Mini im Informatikunterricht
Umfassende Sammlung von Unterrichtsmaterialien und Projekten rund um den Calliope Mini. Die Themen reichen von Grundlagen der Programmierung über Sensoren, Netzwerke und Automatenmodelle bis hin zu IoT-Anwendungen und Künstlicher Intelligenz.
Design eines programmierbaren Rechners
Dieses Leitprogramm der ETH Zürich behandelt die Schnittstelle zwischen Hardware und Software und erarbeitet exemplarisch eine minimale, programmierbare Rechnerstruktur. Es vermittelt fundierte Einblicke in den Aufbau von Computern und die Umsetzung von Programmierbefehlen in Hardware.
Werkstattunterricht Multiplikation: Entwurf eines Multiplikationschips
Dieses Unterrichtsmaterial behandelt den Entwurf einer kombinatorischen Schaltung zur Multiplikation zweier binärer Zahlen. Die Schüler erarbeiten theoretische Grundlagen zu partiellen Produkten und setzen diese in praktischen Aufträgen und Übungen um.
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.
Assemblersprache und Programmierung mit dem Little Man Computer
Dieses Unterrichtsmaterial führt in die Assemblersprache am Beispiel des Little Man Computers (LMC) ein. Die Schülerinnen und Schüler lernen anhand von Codebeispielen, Aufgaben und Programmierideen den Umgang mit Labels, Daten, Verzweigungen, Schleifen und Algorithmen auf Maschinennahmen-Ebene.
Der Little Man Computer und Maschinenbefehle
Dieses Material führt anhand des Little Man Computers in die Funktionsweise von Prozessoren und den Von-Neumann-Zyklus ein. Es erklärt detailliert verschiedene Befehle und enthält konkrete Beispielprogramme sowie spannende Übungen für den direkten Einstieg in die Rechnerarchitektur.
Bits Speichern: Rückkopplung und Speicherchips mit CircuitVerse
Das Material führt anschaulich in das Speichern von Bits durch Rückkopplung und logische Schaltungen wie Flip-Flops und Dekodierer ein. Anhand interaktiver Simulationen in CircuitVerse können Schülerinnen und Schüler grundlegende Hardware-Komponenten von Computern selbst aufbauen und praktisch erproben.
Logische Gatter und Schaltungen
Dieses Unterrichtsmaterial führt anschaulich in die Welt der digitalen Logik ein, behandelt Inverter, AND-, OR-, XOR- und NAND-Gatter anhand realitätsbezogener Beispiele und lässt Lernende Schaltungen in CircuitVerse entwerfen und analysieren.
8-Bit-Multiplikation
Dieses Unterrichtsmaterial führt Schülerinnen und Schüler schrittweise an die binäre Multiplikation und den Shift-&-Add-Algorithmus heran. Durch haptisches Konstruieren eines Automaten aus einem Lochbrett und strukturierte Reflexionsschritte wird verstanden, wie eine CPU im Binärsystem rechnet.
Maschinennahe Programmierung mit dem Little Man Computer
Dieses Unterrichtsmaterial führt anschaulich in die Architektur von Computern und den Fetch-Decode-Execute-Zyklus ein. Anhand des interaktiven Simulators 'Little Man Computer' (LMC) schreiben und testen Schülerinnen und Schüler eigene Assembler-Programme und lernen den Unterschied zwischen RISC- und CISC-Prozessoren kennen.
Computer/zero Assembly Tutorial
Das Material stellt eine minimalistische 8-Bit-Architektur namens Computer/zero vor, die sich an absolute Anfänger richtet. Es behandelt grundlegende Befehlssätze, Speicherorganisation und fortgeschrittene Konzepte wie selbstmodifizierenden Code auf Maschinenebene.
Referenzen in Java: Stack und Heap
Dieses kurze Unterrichtsmaterial erklärt den Unterschied zwischen Stack und Heap in Java und verdeutlicht, dass Java-Referenzen ausschliesslich auf Objekte auf dem Heap zeigen.
Nebel und 3D-Visualisierung mit Fog
Das Unterrichtsmaterial erklärt anhand eines X3D-Beispiels, wie der Nebel-Effekt (Fog) in 3D-Szenen zur Tiefenwirkung und Performanzsteigerung eingesetzt wird. Die Lernenden passen den Code an, um ein Koordinatenkreuz mit blauem Nebel zu versehen.
6502 Assembly Programmier- und Architektur-Referenz
Eine umfassende technische Referenz zum 6502-Mikroprozessor und dessen Assemblersprache. Der Text beschreibt Register, Speicherlayout, Adressierungsmodi, Prozessorflags und Optimierungstechniken für effizienten Code.
Sammlung von Unterrichtsmaterialien zu den Informatik-Grundlagen
Eine umfangreiche Sammlung von Arbeitsblättern und Tests zu grundlegenden Informatikthemen wie Computergeschichte, Hardware, EVA-Prinzip, Dateistrukturen, Textverarbeitung und objektorientierten Konzepten für den Unterricht.
Der Calliope mini als Informatiksystem
Das Unterrichtsmaterial bietet eine praxisnahe Einführung in den Calliope mini als Mikrocontroller. Es behandelt Themen wie blockbasierte Programmierung, den Einsatz von Sensoren und Aktoren, Kommunikation über Bluetooth sowie IoT-Anwendungen und Projektideen.
Funktionsweise eines Rechners
Dieses Unterrichtsmaterial führt in die grundlegende Funktionsweise von Computern ein. Anhand vereinfachter Modellrechner wie dem Bonsai- oder dem JOHNNY-Modellrechner werden die technischen Prinzipien für Schülerinnen und Schüler verständlich aufbereitet.
Grundelemente eines Rechners
Dieses Unterrichtsmaterial bietet einen einführenden Überblick über die Hardware-Komponenten und die Architektur eines Computers. Es beinhaltet praktische Vorschläge wie das Öffnen eines ausrangierten Rechners sowie die Auseinandersetzung mit Kenngrössen der Leistungsfähigkeit und der Systemsoftware.
Der Little Man Computer (LMC)
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt den Little Man Computer als anschauliches Rechnermodell zur Veranschaulichung der Von-Neumann-Architektur. Es beschreibt detailliert den Aufbau mit Speicher und Registern sowie den dazugehörigen Von-Neumann-Zyklus mit den Schritten Fetch, Decode und Execute.
Bits addieren: Von der binären Addition zum 4-Bit-Addierer
Dieses Unterrichtsmaterial führt Schritt für Schritt von der schriftlichen Binäraddition über den Entwurf von Halb- und Volladdierern bis hin zum Bau eines 4-Bit-Addierers im Logiksimulator CircuitVerse. Es verbindet theoretische Grundlagen der Datenrepräsentation und Schaltungstechnik mit praktischen Konstruktionsaufgaben.
AND - logische Multiplikation
Dieses Unterrichtsmaterial führt Schülerinnen und Schüler auf spielerische und handwerkliche Weise in die Boolsche Algebra und die logischen Verknüpfungen AND, OR und NOT ein. Die Lernenden basteln einen mechanischen Apparat, um die AND-Funktion zu implementieren, und arbeiten mit Wertetabellen.
Vom Gatter zu Tetris: Einen Computer in Simulationen bauen
Diese Unterrichtseinheit für das Gymnasiums führt Schülerinnen und Schüler von logischen Gattern über den Entwurf von Rechenwerken bis hin zum funktionierenden Computersystem. Basierend auf dem Nand2Tetris-Ansatz schliesst die Arbeit die Lücke zwischen Hardware und Software auf sehr motivierende Weise.
Referenzen und Objekte in Python
Das Lehrmittel erklärt anschaulich das Variablenmodell in Python anhand des Übergangs von einfachen Werten zu komplexeren Datenstrukturen wie Listen. Mit Hilfe eines Etiketten-und-Schnur-Modells wird veranschaulicht, wie Referenzen auf Objekte im Speicher verweisen und welche Konsequenzen dies bei Zuweisungen hat.
Microbit-Programmierung: Radio und Sensoren
Dieses Unterrichtsmaterial führt Schülerinnen und Schüler praxisnah in die Programmierung von Microbit-Mikrocontrollern ein. Es behandelt die drahtlose Kommunikation über Funk sowie die Nutzung integrierter Sensoren wie des Beschleunigungssensors anhand konkreter Programmieraufgaben.
Microbit und Maqueen Roboter Programmierung in Python
Dieses Unterrichtsmaterial führt schrittweise in die Programmierung des Maqueen-Roboters mit dem BBC micro:bit in Python ein. Anhand anschaulicher Erklärungen zur Hardware-Schnittstelle sowie konkreter Aufgaben und Code-Beispiele lernen Schülerinnen und Schüler, Sensoren und Motoren anzusteuern.
Das EVA-Prinzip und analoge vs. digitale Signale
Das Material führt anschaulich in das EVA-Prinzip (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe) anhand eines Logik-Boards ein und erklärt den Unterschied zwischen analogen und digitalen Signalen mit verständlichen Beispielen.
Von der logischen Schaltung zum Binäraddierer
Dieses Unterrichtsmaterial führt anschaulich von der binären Addition über Halbaddierer zum Volladdierer und schliesslich zum Multibit-Addierer. Es enthält didaktisch gut aufbereitete Denkschritte, Erklärungen und Vorlagen zur Schaltungslogik.
Abstraktion und Implementierung durch modulare Systemarchitektur
Das Unterrichtsmaterial führt anhand anschaulicher Analogien wie Landkarten und Microsoft Word in die Konzepte der Abstraktion, Implementierung und des modularen Entwurfs ("Divide and Conquer") ein. Es vermittelt grundlegende Prinzipien der Systemtechnik und bereitet den Bau eines einfachen Hardware-Rechners vor.
Computersysteme: Hardware, Software, Betriebssystem und Architektur
Dieses Material vermittelt anschaulich und anhand gelungener Analogien die Grundlagen von Computersystemen, von Hardware und Software über Betriebssysteme bis hin zur Von-Neumann-Architektur. Es enthält praxisnahe Bezüge und verweist auf interaktive Werkzeuge und Aufgaben wie den Little Man Computer.
Schieberegister mit micro:bit und Segmentanzeige
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die Funktionsweise von Schieberegistern (am Beispiel des Chips 74HC595) und wie sie mit einem micro:bit und Segmentanzeigen verkabelt und programmiert werden. Es enthält praktische Aufgaben zur Ansteuerung von ein oder zwei Schieberegistern.
Einstieg in CircuitVerse und Logikgatter
Dieses Material führt Schritt für Schritt in die Nutzung des Online-Simulators CircuitVerse ein. Die Lernenden richten ein Benutzerkonto ein, lernen Ein- und Ausgabeelemente zu bedienen, Schaltungen zu verbinden und Projekte abzuspeichern.
Funktionsweise von Infrarot-Sensoren beim Maqueen-Roboter
Das Unterrichtsmaterial erklärt anschaulich die Funktionsweise der Infrarot-Patrol-Sensoren des Maqueen-Roboters und wie der micro:bit diese digitalen Signale einliest. Zudem werden physikalische Grundlagen von Halbleitern und Fototransistoren sowie typische Grenzen der Sensorik beleuchtet.
Digitale Ein- und Ausgabe beim micro:bit
Das Material erklärt die Verwendung der digitalen Anschlüsse des micro:bit mittels Python. Es werden Pin-Belegungen, Konflikte mit dem Display sowie Befehle für Eingabe, Ausgabe und Touch-Tasten anhand kurzer Code-Beispiele beschrieben.
Die Speicherhierarchie im Computersystem
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die Speicherhierarchie von Computersystemen und erläutert anhand eines praxisnahen Beispiels zur Bearbeitung eines Word-Dokuments, wie Daten zwischen Cloud, Massenspeicher, Arbeitsspeicher und Prozessor verschoben werden. Es bietet eine solide theoretische Grundlage mit einem anschaulichen Beispiel, enthält jedoch keine Übungsaufgaben.
Multiplikationschips
Dieses Unterrichtsmaterial für fortgeschrittene Schüler behandelt den Entwurf einer kombinatorischen Schaltung zur Multiplikation binärer Zahlen mithilfe partieller Produkte. Es baut auf Vorkenntnissen zu binären Schaltungen und der ALU auf und führt zu praktischen Anwendungen über.
Interactive Little Man Computer Befehlsliste
Dieses Material bietet eine kompakte Übersicht der Befehlsliste für den Little Man Computer, die für die Simulation von Von-Neumann-Architekturen und Assembler-Programmierung verwendet werden kann. Es eignet sich als handliches Cheat-Sheet oder Nachschlagewerk für den Unterricht.
Logikgates und Wahrheitstabellen
Das Material führt in die Grundlagen von Logikgates und Wahrheitstabellen ein, die als Bausteine für Computer und Addierer dienen. Es enthält Erklärungen, Wahrheitstabellen sowie mehrere Aufgaben mit dazugehörigen Lösungen und Erklärvideos.
Repetitionsmaterial zu Computerarchitektur, Logikgattern und EVA-Prinzip
Dieses Dokument bietet eine Zusammenfassung und Übungsaufgaben inklusive Lösungen für Themen wie das EVA-Prinzip, Binärsystem, Logikgatter, Addierer und die Von-Neumann-Architektur. Es enthält neben Textaufgaben teilweise auch Erklärvideos und Lückentexte.
Photodioden: Wie Computer Licht sehen
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt anschaulich die Funktionsweise von Photodioden und den photoelektrischen Effekt. Es zeigt anhand zahlreicher Alltagsbeispiele und eines einfachen Arduino-Beispiels, wie Licht in elektrische Signale umgewandelt wird.