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Katrin Müller. Sachanalyse John von Neumann Komponenten eines Rechners – Die von Neumann-Architektur Zentraleinheit CPU Der Speicher Das Bussystem Die.

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Präsentation zum Thema: "Katrin Müller. Sachanalyse John von Neumann Komponenten eines Rechners – Die von Neumann-Architektur Zentraleinheit CPU Der Speicher Das Bussystem Die."—  Präsentation transkript:

1 Katrin Müller

2 Sachanalyse John von Neumann Komponenten eines Rechners – Die von Neumann-Architektur Zentraleinheit CPU Der Speicher Das Bussystem Die Eingabe-/Ausgabeeinheit Didaktische Analyse Das Thema im Lehrplan Vorwissen der Schüler Lernziele der Stunde Verlaufsplan der Stunde Arbeitsmaterialien Literatur

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4 geboren in Budapest Mathematiker Vater der Informatik veröffentlichte 1945 das First Draft on a Report on the EDVAC Abbildung 1: John von Neumann Quelle: Slanover 2007 Abbildung 1: John von Neumann Quelle: Slanover 2007

5 Ein Text, der beschreibt welche Komponenten ein Rechner zwingend benötigt und wie sie anzuordnen sind

6 Sein Text beschreibt welche Komponenten ein Rechner zwingend benötigt, wie sie anzuordnen sind und welche Aufgaben die einzelnen Teile besitzen.

7 Vorteil: Programm wird geladen und anschließend ausgeführt Nachteil: Interaktion zwischen Speicher und CPU wird langsamer ausgeführt als die eigentliche Berechnung

8 Das Rechner kann denken: erste Ergebnisse beeinflussen das weitere Vorgehen es können während der Bearbeitung Modifikationen durchgeführt werden Rechner trifft selbstständig logische Entscheidungen starrer Programmlauf flexible Programmsteuerung

9 der sog. Flaschenhals (engl. bottleneck) alle Daten zur Berechnung werden aus dem Speicher geladen Die Geschwindigkeit zwischen der CPU und dem Speicher begrenzt die Verarbeitungsgeschwindigkeit

10 Seine Architektur besteht aus folgenden Teilen: der Zentraleinheit dem Speicher der Ein- und Ausgabeeinheit dem Bussystem

11 Abbildung 2: Struktur eines von Neumann-Rechners Quelle: Oberschelp & Vossen 2000 Abbildung 2: Struktur eines von Neumann-Rechners Quelle: Oberschelp & Vossen 2000

12 die Zentraleinheit (CPU) besteht aus Daten- und Befehlsprozessor erreichbar durch Daten- und Adressbus

13 der Speicher Trennung von RAM und ROM RAM = Random Access Memory (lesen und schreiben möglich) ROM = Read Only Memory (wichtige Systemfunktionen: früher nur lesen möglich)

14 das Bussystem Bus = interner Datenweg verbindet funktionale Einheiten ermöglicht erst die Effizienz der Architektur

15 die Ein- und Ausgabeeinheit ermöglicht Kommunikation des Rechners mit der Außenwelt nicht nur Daten sondern auch Programme können in den Rechner geladen werden

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17 Abbildung 4: Lehrplan des Grundfaches Informatik Quelle: Oberschelp & Vossen 2000 Abbildung 4: Lehrplan des Grundfaches Informatik Quelle: Oberschelp & Vossen 2000

18 Schüler kennen: Hardware Festplatte, Graphikkarte, Arbeitsspeicher Ein- und Ausgabegeräte Software Betriebssystem, Office, Programme/Spiele

19 Vorstellen der noch immer aktuellen Rechnerarchitektur von Neumann´s Die Komponenten der Architektur und ihre Funktion kennen Die Anordnung der Komponenten durch ein selbst erstelltes Schaubild festlegen

20 Baumann (1996) Leitidee, die nach Wirkprinzipien, Strukturen und Funktionsweisen von Informatiksystemen fragt Anwendung: Erschaffen mehrerer kleiner Teilsystem und anschließendes Zusammenfügen zu einem Netz

21 Bußmann und Heimann (1987) Zeitgemäßes Weltbild Konzepte in aktuelles Weltbild einordnen Förderung von Phantasie und Kreativität Erstellen eines Schaubildes Fähigkeit zum kritischen Vernunftgebrauch Hausaufgabe deutet auch Nachteile des Systems an Harvard-Architektur als Alternative?!

22 Unterrichtsphase / ZeitInhalte / Ziele Methode / Sozialform GelenkstelleMedien / Material Einstieg (< 3 Minuten) Begrüßung Vorstellung des Themas: Komponenten eines Rechners LV Wer kann mir denn mal eine Komponente eines Rechners nennen? Erarbeitungsphase 1 (3 Minuten) Schüler nennen Komponenten, die an der Tafel ungeordnet angeschrieben werden Klassen- unterricht Ihr habt schon einige Komponenten genannt. In einem Film werden wir jetzt die Funktionsweise dieser und weiterer Komponenten nochmal ansehen. Dabei achtet ihr auf die genannten Komponenten und ihre Funktionen und Besonderheiten Tafel Erarbeitungsphase 2 (11 Minuten) Schüler schauen einen Auszug aus dem Film: Die Maus – Wie funktioniert ein Computer SA Welche Komponenten sind denn hier noch zusätzlich vorgekommen? Film: Die Maus - Wie funktioniert ein Computer Sicherungsphase 1 (5 Minuten) Die Begriffe an der Tafel werden ergänzt. Klassen- unterricht / EA Damit ihr noch einmal gezielter die Funktionen und die wichtigsten Komponenten vor Augen habt, lest euch das Arbeitsblatt durch und versucht in Partnerarbeit eine Skizze der von Neumann-Struktur zu erstellen Arbeitsblatt 1: Komponenten eines von Neumann- Rechners Erarbeitungsphase 3 (10 Minuten) Schüler lesen alleine den Text über die zusammengefassten Komponenten eines Rechners und die Funktion der einzelnen Komponenten Anschließend fertigen sie in Partnerarbeit eine Skizze an EA PA Wer möchte seine Skizze einmal an der Tafel vorstellen?Tafel Sicherungsphase 2 (10 MInuten) Die gezeichnete Skizze der Schüler wird durch die Klasse ergänzt und auf dem Arbeitsblatt verbessert Klassen- unterricht / EA Das scheint ein tolles Konzept zu sein, dass sich John von Neumann da ausgedacht hat. Doch er selbst hat damals schon eine Schwäche erkannt. Arbeitsblatt 2: The First Draft of a Report on the EDVAC Schlussphase (2 Minuten) Als Hausaufgabe lest ihr den Text und beantwortet mit Hilfe des Internets die Frage LVVielen Dank für eure Mitarbeit

23 Die Maus – Wie funktioniert ein Computer

24 Unterrichtsphase / ZeitInhalte / Ziele Methode / Sozialform GelenkstelleMedien / Material Einstieg (< 3 Minuten) Begrüßung Vorstellung des Themas: Komponenten eines Rechners LV Wer kann mir denn mal eine Komponente eines Rechners nennen? Erarbeitungsphase 1 (3 Minuten) Schüler nennen Komponenten, die an der Tafel ungeordnet angeschrieben werden Klassen- unterricht Ihr habt schon einige Komponenten genannt. In einem Film werden wir jetzt die Funktionsweise dieser und weiterer Komponenten nochmal ansehen. Dabei achtet ihr auf die genannten Komponenten und ihre Funktionen und Besonderheiten Tafel Erarbeitungsphase 2 (11 Minuten) Schüler schauen einen Auszug aus dem Film: Die Maus – Wie funktioniert ein Computer SA Welche Komponenten sind denn hier noch zusätzlich vorgekommen? Film: Die Maus - Wie funktioniert ein Computer Sicherungsphase 1 (5 Minuten) Die Begriffe an der Tafel werden ergänzt. Klassen- unterricht / EA Damit ihr noch einmal gezielter die Funktionen und die wichtigsten Komponenten vor Augen habt, lest euch das Arbeitsblatt durch und versucht in Partnerarbeit eine Skizze der von Neumann-Struktur zu erstellen Arbeitsblatt 1: Komponenten eines von Neumann- Rechners Erarbeitungsphase 3 (10 Minuten) Schüler lesen alleine den Text über die zusammengefassten Komponenten eines Rechners und die Funktion der einzelnen Komponenten Anschließend fertigen sie in Partnerarbeit eine Skizze an EA PA Wer möchte seine Skizze einmal an der Tafel vorstellen?Tafel Sicherungsphase 2 (10 MInuten) Die gezeichnete Skizze der Schüler wird durch die Klasse ergänzt und auf dem Arbeitsblatt verbessert Klassen- unterricht / EA Das scheint ein tolles Konzept zu sein, dass sich John von Neumann da ausgedacht hat. Doch er selbst hat damals schon eine Schwäche erkannt. Arbeitsblatt 2: The First Draft of a Report on the EDVAC Schlussphase (2 Minuten) Als Hausaufgabe lest ihr den Text und beantwortet mit Hilfe des Internets die Frage LVVielen Dank für eure Mitarbeit

25 Text, der nach Oberschelp & Vossen (2000) die Grundbestandteile eines von Neumann-Rechners beschreibt Arbeitsauftrag: Veranschauliche die Struktur eines von Neumann- Rechners!

26 Unterrichtsphase / ZeitInhalte / Ziele Methode / Sozialform GelenkstelleMedien / Material Einstieg (< 3 Minuten) Begrüßung Vorstellung des Themas: Komponenten eines Rechners LV Wer kann mir denn mal eine Komponente eines Rechners nennen? Erarbeitungsphase 1 (3 Minuten) Schüler nennen Komponenten, die an der Tafel ungeordnet angeschrieben werden Klassen- unterricht Ihr habt schon einige Komponenten genannt. In einem Film werden wir jetzt die Funktionsweise dieser und weiterer Komponenten nochmal ansehen. Dabei achtet ihr auf die genannten Komponenten und ihre Funktionen und Besonderheiten Tafel Erarbeitungsphase 2 (11 Minuten) Schüler schauen einen Auszug aus dem Film: Die Maus – Wie funktioniert ein Computer SA Welche Komponenten sind denn hier noch zusätzlich vorgekommen? Film: Die Maus - Wie funktioniert ein Computer Sicherungsphase 1 (5 Minuten) Die Begriffe an der Tafel werden ergänzt. Klassen- unterricht / EA Damit ihr noch einmal gezielter die Funktionen und die wichtigsten Komponenten vor Augen habt, lest euch das Arbeitsblatt durch und versucht in Partnerarbeit eine Skizze der von Neumann-Struktur zu erstellen Arbeitsblatt 1: Komponenten eines von Neumann- Rechners Erarbeitungsphase 3 (10 Minuten) Schüler lesen alleine den Text über die zusammengefassten Komponenten eines Rechners und die Funktion der einzelnen Komponenten Anschließend fertigen sie in Partnerarbeit eine Skizze an EA PA Wer möchte seine Skizze einmal an der Tafel vorstellen?Tafel Sicherungsphase 2 (10 MInuten) Die gezeichnete Skizze der Schüler wird durch die Klasse ergänzt und auf dem Arbeitsblatt verbessert Klassen- unterricht / EA Das scheint ein tolles Konzept zu sein, dass sich John von Neumann da ausgedacht hat. Doch er selbst hat damals schon eine Schwäche erkannt. Arbeitsblatt 2: The First Draft of a Report on the EDVAC Schlussphase (2 Minuten) Als Hausaufgabe lest ihr den Text und beantwortet mit Hilfe des Internets die Frage LVVielen Dank für eure Mitarbeit

27 englischer Text nach dem Original von John von Neumann beschreibt authentischer, was er sich von seinem System erhofft nennt ein Problem der Architektur Aufgabenstellung: Erkläre das Problem, das John von Neumann als Flaschenhals an seinem System beschreibt

28 Erklären des Flaschenhalses des Systems Die Harvard-Architektur als weiteres Konzept: welche Vorteile/Nachteile hat sie gegenüber dem von Neumann´schen Konzept? Aktuell gibt es eine Kombination beider Architekturen in Computern

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30 B AUMANN, R. (1996): Didaktik der Informatik. Stuttgart. B ECKER, K. (2009): Informatik. Was ist Informatik. Internet: kl.de/index.php?punkt=informatik ( ) B ILDUNGSSERVER R HEINLAND -P FALZ I NFORMATIK (2008): Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Informatik. Internet: Informatik.pdf ( ) Informatik.pdf H AUBRICH, H. (1997): Didaktik der Geographie konkret. München. M INISTERIUM FÜR B ILDUNG, W ISSENSCHAFT, J UGEND UND K ULTUR (o. J.): Lehrplanentwurf Informatik. Grund- und Leistungsfach – Einführungsphase und Qualifikationsphase der gymnasialen Oberstufe. O BERSCHELP, W. UND G. V OSSEN (2000): Rechneraufbau und Rechnerstrukturen. München. Wien. P LATE, J. (2008): Rechner-Peripherie. Ein- und Ausgabeschnittstellen. Internet: ( ). S CHWILL, A. (1999): Informatik und Schule. Fachspezifische und fachübergreifende didaktische Konzepte. Berlin. S LANOVER, A. (2007): John von Neumann´s Extraordinary Life. Internet: ( ). V OGT, C. (2004): Informatik – Eine Einführung in Theorie und Praxis. Heidelberg. V ON N EUMANN, J. (1945): First Draft of a Report on the EDVAC. W ELLER, C. (2007): Computer history online. Die ersten Computer. Internet: ( ) WP W ISSENSPORTAL (2009): Schule und Bildung - Das Bildungsportal. Informatik in der Schule. Internet: ( ).

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit


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