Download - Workshop Fetch-Execute

Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz.

Martin Ebner und Maria Grandl Tag der Informatik Fachdidaktik 2017

konzipiert für den Informatikunterricht ab der 9. Schulstufe

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/



Was ist Informatik?„Die Anwendungen des Computers drängen seine Theorie und Technik immer mehr in den Hintergrund. Das führt nicht nur zu einer Neubestimmung der Informatik, sondern auch zu einer Besinnung darüber, was die Grundgedanken der Informatik, ihre Kernideen sind.“

Peter Rechenberg, „Was ist Informatik?“, In: Informatik Spektrum (2010), Volume 33, Nr. 1, S. 54-60

„Das elementare Computermodell aus Rechenwerk und Speicher als Realisierung des endlichen Automaten“

Wie sieht ein Computer „im Inneren“ aus?

Wie arbeiten die einzelnen Hardware-Komponenten zusammen?

Wie arbeiten Hardware und Software zusammen?




Kompetenzfeld: Informatiksysteme

Kompetenzbereich: Technische Grundlagen und Funktionsweisen

Ich kann die Grundelemente eines informationsverarbeitenden Systems nennen.

Ich kann das EVA-Prinzip erklären.

Ich kann die Hauptaufgabe des Prozessors beschreiben.

Ich kann die Teile, aus denen sich ein Prozessor zusammensetzt, nennen und deren Hauptaufgabe beschreiben.

Ich kann den Begriff Register im Zusammenhang mit dem Rechenwerk erklären.

Ich kann die Hauptaufgabe des Bussystems nennen.

Ich kann den Begriff Befehlssatz im Zusammenhang mit dem Prozessor erklären.

Ich kann die Begriffe Arbeitsspeicher/Hauptspeicher und Permanentspeicher erklären.

Lehr-/Lernziele nach dem digi.komp12-Kompetenzmodell




Ich kann aus einfachen Assembler-Befehlen ein Assembler-Programmerstellen, das einen Input nach festen Regeln zu einem Output verknüpft.

Ich kann den Begriff Algorithmus definieren.

Ich kann die einzelnen Schritte zur Ausführung eines Maschinenprogramms,das sich im Hauptspeicher befindet, erklären.Ich kann den Fetch-Execute-Algorithmus beschreiben.

Link digi.komp12:http://digikomp.at/praxis/portale/digitale-kompetenzen/digikomp12ahs/kompetenzmodelle/informatik-5-klasse.html




Eingabe

AusgabePermanentspeicher

z.B. Festplatte

Bus

Hauptspeicher =

Arbeitsspeicher

CPURechenwerk = ALU

Steuerwerk




Eingabe


z.B. Festplatte

Bus

Hauptspeicher =

Arbeitsspeicher

CPURechenwerk = ALU

Steuerwerkfetch




Eingabe


z.B. Festplatte

Bus

Hauptspeicher =

Arbeitsspeicher

CPURechenwerk = ALU

Steuerwerkexecute




Offen lizenzierte Lehr- und Lernunterlagen für den (Einsatz im) Informatikunterricht

E-Book

Themenbereich: Grundlegender Aufbau und Funktionsweise eines Computers

Unit 1

Unit 2

Unit 3

Strom an und Strom aus ODER Wie sieht die Welt in Einsen und Nullen aus?

Das Geheimnis der Blackbox oder wie der Computer funktioniert.

Von der Theorie in die Praxis: Physical Computing mit dem Raspberry Pi und Pocket Code

Link: https://learninglab.tugraz.at/informatischegrundbildung/




In den nächsten 2-3 Unterrichtseinheiten wirst du erfahren, wie ein Computer im Inneren aussieht und funktioniert. Du lernst die Aufgaben der einzelnen Bauteile kennen und machst erste Erfahrungen mit der hardwarenahen Programmierung. Die Zusammenarbeit von CPU, Hauptspeicher, Festplatte, Bus und Eingabe-Ausgabegeräten wird im Rahmen des Spieles „erlebbar“.

Beim Spiel handelt es sich um eine Art Brettspiel.

Eine Spielgruppe besteht aus 3 bis maximal 4 Personen.Innerhalb einer Spielgruppe gibt es folgende Rollen:

Spielleiter/in:Der/Die Spielleiter/in erhält eine Spielanleitung und führt durch das ganze Spiel. Er vermittelt den Spieler(n)/innen das nötige Hintergrundwissen und muss im Anschluss die Spielzüge von Spieler/in 1 und Spieler/in 2 überwachen. Bei Unklarheiten nimmt der/die Spielleiter/in Kontakt zur Lehrperson auf.

Spiel Fetch-Execute – Information für Schüler/innen




Der/Die Spielleiter/in muss die in der Spielanleitung vorgegebene Abfolge genau einhalten. Er erhält zu Beginn des Spieles alle Materialien, die für das Spiel benötigt werden.

Spieler/in 1Du trittst gegen Spieler/in 2 an.

Spieler/in 2:Du trittst gegen Spieler/in 1 an.

Ihr müsst den Anweisungen des/der Spielleiter(s)/in folgen und in der Einleitungsphase des Spiels genau zuhören.

Wer hier besser aufpasst, hat in der Spielphase einen entscheidenden Vorteil gegenüber dem anderen.

Spiel Fetch-Execute – Information für Schüler/innen




Bilden von 3er/4er Gruppen

Rolleneinteilung: Spielleiter/in, Spieler/in 1, Spieler/in 2

Ausgabe der Spielanleitung und aller Materialien an die Spielleiter

Beginn des Spieles




1 2

Tisch




Herzlich Willkommen zum Spiel Fetch- Execute.Heute spielen wir ein etwas anderes Computerspiel.Die folgenden Fragen und Erklärungen sollen zum besseren Verständnis des Spieles beitragen und werden in Form von Quiz-Fragen während des eigentlichen Spieles erneut gestellt. Das bedeutet: Gut Aufpassen!

Was versteht ihr unter einem Automaten?

Könnt ihr Beispiele für Automaten nennen?

Was haben alle diese Automaten (=informationsverarbeitende Systeme) gemeinsam?

Welche Eingaben und Ausgaben erfolgen bei einem Getränkeautomaten?

Was entspricht der Ein- und Ausgabe bei Computern?




Wir werden uns in diesem Spiel näher damit befassen, was im „Inneren“ eines Computers vorgeht, also wie die Verarbeitung von Daten erfolgt und was genau bei der Ausführung eines Computerprogrammes passiert. Um das zu verstehen, müssen wir uns zuerst damit beschäftigen, aus welchen Bauteilen (Hardware) sich ein Computer zusammensetzt.

Übersichtsplan




1 2




Spielfeld CPU + Pfeil




1 2




Spielfeld CPU schematische Darstellung der CPU

Rechenwerk: 8 Register R1-R8

Der Programmzähler (Program Counter, Instruction Pointer) ist ein Register,

in dem die Speicheradresse des Befehles steht, der soeben vom

Steuerwerk aus dem Hauptspeicher geholt wurde.

Der Programmzähler „zeigt“ also immer auf eine Speicheradresse

im Hauptspeicher.

Register = Speicher mit „super-schneller“ Zugriffszeit




READ S8

Spielfeld Hauptspeicher

LOAD S8,R1

LOAD S8,R2

MULT R1, R2, R3

STORE R3, S9

WRITE S9

STOP

Spielfeld CPU

READ S8S1




1 2





Damit die CPU ein Maschinen-programm ausführen kann, müssen

sich das Programm und die zu verarbeitenden Daten im

Hauptspeicher (=Arbeitsspeicher) befinden.

Die CPU kann direkt auf die Speicheradressen und somit auf den Speicherinhalt des Hauptspeichers

zugreifen.

FETCH – EXECUTE

Speicheradressen: S0-S47




Spielfeld BUS Spielfeld Tastatur

Eingabe-Einheit

Spielfeld Monitor

Ausgabe-EinheitDatentransport




1 2




Spielfeld Festplatte Beispiel für Permanentspeicher

Damit ein auf der Festplatte gespeichertes Programm von der CPU

ausgeführt werden kann, muss es zuerst in den Hauptspeicher geladen werden.




1 2




Der Befehlssatz ist die Menge aller Befehle,

welche die CPU verarbeiten kann.

Befehlssatz (3x)

Übersicht über die zulässigen 8 Befehle READ, WRITE, LOAD, STORE,

ADD, MULT, MULTF und STOP

Sowohl der/die Spielleiter/in als auch die beiden Spieler/innen müssen die Befehle

verstehen.




Ausführen eines Testprogrammes

Spielfeld CPUSpielfeld

Hauptspeicher

SpielfeldFestplatte




Programm erwartet eine Eingabe




Testprogramm auf das Spielfeld Festplatte legen.

Programm von der Festplatte in den Hauptspeicher laden

Pfeil zeigt auf den ersten Befehl des Programmes

Spielfeld HauptspeicherSpielfeld Festplatte




Das Programm erwartet eine Eingabe

(Seitenlänge des Quadrates)

Eingabe auf leeres Befehlskärtchen schreiben

Eingabe auf STDIN legen

Die Speicheradresse S0 wird für Input und Output verwendet.

Spielfeld Tastatur Spielfeld Hauptspeicher




1. Befehl: READ S8

liest einen Wert von STDINund speichert den Wert im Haus

mit der Speicheradresse S8

Ausführen eines Befehles

S1 READ S8

Programmzähler

Spielfeld CPUSpielfeld Hauptspeicher




1. Befehl wurde von der CPU (Spielleiter/in) ausgeführt

Spieler/in 1 und Spieler/in 2 müssen darauf achten, dass

der/die Spielleiter/in den Befehl richtig ausführt.

Der/die Spieler/in muss den Programmzähler

auf die nächste Stelle im Speicher setzen.


READ S8




2. Befehl: LOAD S8, R1

holt den Wert, der im Haus mit der angegebenen Speicheradresse

gespeichert ist, in das angegebeneCPU-Register


S2 LOAD S8, R1

Programmzähler





Spielfeld CPU

5


LOAD S8, R1


Der/die Spieler/in muss den Programmzähler auf die nächste Stelle

im Speicher setzen.




3. Befehl: LOAD S8, R2

holt den Wert, der im Haus mit der angegebenen Speicheradresse

gespeichert ist, in das angegebeneCPU-Register


S3 LOAD S8, R2

Programmzähler





Spielfeld CPU

5


LOAD S8, R2


5


im Speicher setzen.




4. Befehl: MULT R1, R2, R3

Multipliziert die in Register R1 und Register R2 gespeicherten Werteund speichert das Ergebnis in Register R3


S4 MULT R1, R2, R3

Programmzähler





Spielfeld CPU

5


MULT R1, R2, R3


55

25


im Speicher setzen.




5. Befehl: STORE R3, S9

speichert den Wert, der im Register R3 gespeichert ist, im Haus mit der Speicheradresse S9


S5 STORE R3, S9

Programmzähler





Spielfeld CPU

5

STORE R3, S9

55

25Inhalt des Registers R3 auf

leeres Befehlskärtchen schreiben

Kärtchen auf das Haus/Feld mit der Speicheradresse S9 legen.





STORE R3, S9

Spielfeld Hauptspeicher Spielfeld Hauptspeicher


im Speicher setzen.




6. Befehl: WRITE S9

schreibt den im Haus mit der Speicheradresse S9 gespeicherten Wert auf STDOUT (Standard-Output)


S6 WRITE S9

Programmzähler





WRITE S9


Die Zahl 25 wird am Monitor ausgegeben.

Spielfeld Monitor

Kontrolle des Ergebnisses6. Befehl wurde von der CPU

(Spielleiter/in) ausgeführt




WRITE S9

Spielfeld Monitor Spielfeld Hauptspeicher

6. Befehl wurde von der CPU (Spielleiter/in) ausgeführt Der/die Spieler/in muss den

Programmzähler auf die nächste Stelle im Speicher setzen.




7. Befehl: STOP

beendet das Programm. Die Kontrolle wird wieder an das Betriebssystem übertragen.


S7 STOP

Programmzähler





Der/die Spielleiter/in nimmt das gesamte Programm und die gespeicherten Daten

vom Spielfeld Hauptspeicher und „leert“ alle verwendeten CPU-Register

STOP




Spielblatt Spieler/in 1 und Spielblatt Spieler/in 2




1 2




Programmcode

Spieler 1 Spieler 2

Programm 1 Programm 1

Programm 2 Programm 2

leere Befehlskärtchen leere Befehlskärtchen




Spielblatt Spieler/in 1 und Spielblatt Spieler/in 2

Spieler 1 Spieler 2

Programm erwartet 2 Eingaben




Jetzt wird gespielt!

Bleistift, Radiergummi, Würfel

Wer darf beginnen? Beide Spieler würfeln nacheinander mit einem Würfel. Der Spieler mit der höheren Augenzahl darf beginnen. Bei gleicher Augenzahl muss erneut gewürfelt werden.

Erste Würfelphase Jeder Spieler würfelt 3 Mal hintereinander. Würfelt ein Spieler die Augenzahl 1,2,3,4 oder 5, so muss er erneut würfeln. Würfelt ein Spieler die Augenzahl 6, so darf das Programm von der Festplatte in den auf dem Spielblatt angegebene User-Space im Hauptspeicher geladen werden. Er geht nun in die zweite Würfelphase über. Danach ist der andere Spieler an der Reihe.




Zweite Würfelphase

Befindet sich der Programmcode im Hauptspeicher, so kann mit der Ausführung des Programmes begonnen werden. Dies hängt aber von der gewürfelten Augenzahl ab.




Aktionskarten, Schutzkarten

SchutzkarteAktionskarte




Zweite Würfelphase

Befindet sich der Programmcode im Hauptspeicher, so kann mit der Ausführung des Programmes begonnen werden. Dies hängt aber von der gewürfelten Augenzahl ab.




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Viel Spaß beim „Computer spielen“!




Alle Unterlagen zum Spiel:

Website

Link: https://learninglab.tugraz.at/informatischegrundbildung/

Wir freuen uns über Feedback!


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