1. Einführung Logik / Digitale Schaltungen

Beachte auch hier die Arbeitsaufträge im Informatikunterricht – allgemeine Hinweise.

1. Arbeite Kapitel 1. Grundelemente eines Rechners bei inf-schule.de durch. Vieles wird dir bekannt vorkommen.
   Besonders wichtig für unseren weiteren Weg ist Abschnitt 1.5 „Fachkonzept – Verarbeitung und Speicher“ mit CPU, Steuerwerk, Rechenwerk (ALU), Speicher und Bussystem.
   Die Aufgaben kannst du machen, wenn sie dir beim Verständnis helfen.
   Die Hinweise auf eine Vertiefung mit Hilfe der beiden Modellrechner Bonsai und Johnny kannst du überspringen.
   Die Überprüfung am Ende ist hilfreich, um das Erarbeitete nochmal zu festigen. Hiervon brauchst du nichts abgeben, sondern nur verstehen und das Grundsätzliche (und das was dir unbekannt war) behalten.

2. Vom Rechner zur digitalen Schaltung:
   Du hast gesehen, dass die CPU unter anderem aus Rechenwerk (ALU) und Steuerwerk besteht. Aber wie kann ein Rechenwerk mit Bits tatsächlich rechnen und logische Bedingungen verarbeiten?
   Dazu müssen wir eine Ebene tiefer schauen: Im Rechner werden Informationen durch binäre Signale dargestellt, also durch zwei mögliche Zustände wie 0 und 1. Diese Signale können nach bestimmten Regeln miteinander verknüpft werden. Die technischen Bausteine dafür heißen logische Gatter.
   Aus einfachen Gattern wie AND, OR und NOT lassen sich größere logische Schaltungen zusammensetzen. Daraus können wiederum beispielsweise Addierer und schließlich Bestandteile eines Rechenwerks aufgebaut werden.Wir wechseln damit von der Betrachtung „Welche Bestandteile hat ein Rechner?“ zur Frage „Wie können diese Bestandteile technisch mit Bits arbeiten?“

3. Für das im Unterricht ausgegebene Arbeitsblatt zu den logischen Grundgattern verwenden wir im Folgenden das Programm Logisim Evolution. Damit können digitale Schaltungen aufgebaut, verändert und simuliert werden.

4. In der Schule: Probiere Logisim Evolution auf einem PC im Computerraum aus.
   Zu Hause: Lade Logisim Evolution aus dem entsprechenden Bereich bei itslearning herunter und installiere bzw. starte das Programm.
    
5. Wir werden grundsätzlich dem Kapitel 2. Digitaltechnik bei inf-schule.de folgen, allerdings nicht alle dort behandelten Inhalte übernehmen. Bei inf-schule.de werden teilweise andere Simulatoren verwendet. Wir benutzen für unsere Schaltungen stattdessen Logisim Evolution. Diese werden alle in einer Logisim Datei (.circ) erstellt, gesammelt und gespeichert (vgl. Unterricht).

2. Grundgatter

1. Bearbeite das im Unterricht ausgegebene Arbeitsblatt zu den logischen Grundgattern.
2. Arbeite im Kapitel Grundgatter die Abschnitte 1 bis 7 durch.
   Der Vorteil bei der Bearbeitung liegt darin, dass sich viele kleine Dinge online mit einem auf der Webseite von inf-schule integriertem Logik-Simulator ausprobieren lassen. Auch hier brauchst Du nichts abgeben, du solltest aber das Prinzip verstanden haben. Wenn Du Fragen zu den Aufgaben hast, notiere diese und bringe sie in den Unterricht mit. Wenn Zeit ist, können wir alle darüber kurz sprechen.
   Wichtig ist, dass du die Begriffe Wahrheitstabelle und Schaltterm (auch: logischer Ausdruck) sowie die Funktion der Grundgatter NOT (einstellig), AND und OR (zweistellig) verstanden hast.
3. Folgende Aufgaben in 2.8 Übungen bearbeiten:

• Zusatz zu Aufgabe 1: Überlege dir eine reale Anwendung, die zu dieser Wahrheitstabelle passt. Gib den Eingängen und dem Ausgang sinnvolle Bedeutungen und beschreibe das dazugehörige logische Problem.
• Aufgaben 2 bis 4: Implementiere die Schaltungen in deiner schon vorhandenen Logisim-Evolution-Datei. Lege für jede Aufgabe eine eigene Schaltung mit sinnvollem Namen an und beschrifte Ein- und Ausgänge sinnvoll.

Vom Problem zur digitalen Schaltung

Bei vielen Aufgaben gehen wir nach demselben Schema vor:

Problem beschreiben → Eingänge und Ausgang/Ausgänge festlegen → Wahrheitstabelle aufstellen → Schaltterm bestimmen → Schaltung in Logisim aufbauen → Schaltung mit der Wahrheitstabelle überprüfen

3. Logische Probleme als Schaltungen umsetzen

• Bearbeite die Anwendungsaufgaben aus dem Unterricht.
• Stelle jeweils Wahrheitstabellen auf.
• Entwickle die Schaltungen.
• Implementiere und teste sie in Logisim Evolution.
• Umsetzung der WTs der Ampelschaltungsaufgabe in logisim

4. Mehrere Bits in Logisim – Zahlendarstellung und Anzeige

• Bisher haben unsere Ein- und Ausgänge jeweils einen einzelnen Bitwert 0 oder 1 verarbeitet. Rechner arbeiten jedoch meist mit mehreren Bits gleichzeitig. In Logisim können solche mehrbitigen Signale gebündelt und mit Verteilern aufgeteilt werden.
  Bearbeite dazu die Aufgabe zum Dual-Hex- und Dual-Dez-Wandler mit Anzeige.
• Die Aufgabe und die zugehörige Beispieldatei befinden sich im Anhang. Die Beispieldatei ist als ZIP gePACKT und muss vorher entpackt werden! Dann kann aus logisim heraus als .circ geöffnet werden. Beachte in dieser Beispiel-Datei die Verwendung eines Verteilers aus der Kategorie Wiring und natürlich die Beschaltung dieser hexadezimalen Anzeige (aus der Kategorie Eingabe / Ausgabe).