Technik 10 Informatik-+01.pdf · • Grundlagen – Programmierung – Elektrotechnik • Sensoren • Verständnis – Computer – Signale Digital/Analog – Robotik – Networking

Gebrüder-Humboldt-SchuleEuropaschule Wedel

Gebrüder-Humboldt-SchuleWedel

Technik 10 Informatik

Jonas [email protected]

12.02.2019


12.02.2019 Gebrüder-Humboldt-Schule Wedel 2

Übersicht

• Allgemeines• Hardware - Computer• Logik• Programme• Arduino


• ghswedel.deMenschen Kollegium Sorgenfrei Uploads

• Theorie & Praxis• Aufgaben als Arbeitszettel• Ggf. arbeiten Zuhause


Allgemeines

Vorführender

Präsentationsnotizen

Lösungen sind am folgenden Donnerstag abzugeben

http://ghswedel.de/personen/uploads.php?id=1&folder=/Techniklehre/


• Grundlagen – Programmierung– Elektrotechnik

• Sensoren

• Verständnis– Computer– Signale Digital/Analog– Robotik– Networking

• Skills– Kritisches Denken– Gemeinschaftliches Lernen– Problemlösung

Ziel




Computer

Informatiksystem

Hardware

Zentraleinheit

Prozessor

Arbeitsspeicher

Peripherie

Ein- & Ausgabe-

geräte

Ext. Speicher

…

Software

Systemsoftware

Datei-verwaltung

Ein-/Ausgabe-steuerung

…

Applikations-software

Spiele

Textverarbeitung

Internet-Browser

…



Computer

Prozessor

Arbeitsspeicher Festplatte

GrafikkarteMainboard

Vorführender



Prozessor (Central Processing Unit)• Gehirn des Computers• „Rechner“• Enthält (Millionen von)

Transistoren• Taktgeber zum Auslesen der

Transistoren (Hertz)• Besteht aus Leitwerk &

Rechenwerk


Computer

Vorführender


CPU (Prozessor) – Gehirn des Computers, führt elementaren Berechnungen durch und kontrolliert die Komponenten (Central Processing Unit) Taktrate => Anweisungen pro Sekunde Hertz -> Takt pro Sekunde (Intel Core i7 7700K 4x4.20 GHz => 4x 4.20x10^9(milliarden) Anweisungen pro Sekunde) Leitwerk/Steuerwerk: Koordiniert alle Arbeitsabläufe im Prozessor Rechenwerk(Arithmetic and Logical Unit): Abarbeitung sämtlicher Befehle => Berechnungen, Verknüpfungen, Vergleiche



Computer

Speicher• Hauptspeicher

(Arbeitsspeicher)– Schneller Speicher– Daten mit denen der

Prozessor (gerade) arbeitet

• Sekundärspeicher (z.b.Festplatte)– „langsamer“ Speicher– Langfristige Speicherung

Vorführender


Hauptspeicher: Eng mit Prozessor verbunden Rege Kommunikation mit dem CPU Braucht ständig Energie um seine Informationen zu halten Random-Access Memory => beliebiges Ansprechen jeder Speicherzelle Teuer Geringe Kapazität DRAM & SRAM Sekundärspeicher: Mit Hauptspeicher durch Bus und Controller verbunden Braucht kein Strom um Daten zu behalten Magnetischer Speicher HDD | Flashspeicher SSD Günstiger Große Kapazität



Computer

Grafikkarte (Graphic Processing Unit)• Steuert Grafikausgabe• Wandelt Daten um, sodass

der Monitor dies Darstellen kann

• Anschlüsse für externe Geräte:– VGA– DVI– HDMI– DisplayPort



Computer

Mainboard• Verbindung der Hardware

Komponenten• Zentrale Platine eines

Computers

Vorführender


Mainboard – verbindungs element der Hardwarekomponenten Bus – Gruppe von Leitungen auf der Hauptplatine des Computers Controller – koordinieren Aktivitäten zwischen Bus und Komponenten Komponenten auf einem Mainboard Ergänzung -> Bios -> SATA-Anschlüsse -> System-Panel-Anschlüsse -> Div. Controller (LAN, SATA..) -> div. Chipssätze (Super I/O; Audio …)



Computer

CPU

Bussysteme (vereinfacht)

Mainboard (North- & Southbridge)

Arbeitsspeicher

Frontsidebus

GrafikkartePCI-Bus

Tastatur & Maus

LAN-Baustein

Audio-Baustein

…

Interner Steuer- &Datenbus



Computer

EVA-Prinzip (Input/Output)

Eingabe Verarbeitung Ausgabe

Speichereinheit

Vorführender


Netzwerkkarte => Ein- & Ausgabegerät


Arbeit Prozessor & RAM

Computer Ergänzung


RAMAdresse 1

Adresse 3

Adresse 2

Adresse 5

Adresse 6

Adresse 4

…

Aufgabe: sin(90) + 5² + 5

1) Werte in den Arbeitsspeicher laden



Computer Ergänzung


RAM

90

5

5

Adresse 1

Adresse 3

Adresse 2

Adresse 5

Adresse 6

Adresse 4

..


1) Werte in den Arbeitsspeicher laden2) CPU – Abarbeitung der Befehle



Computer Ergänzung


RAM

90

5

5

1

25

26

Adresse 1

Adresse 3

Adresse 2

Adresse 5

Adresse 6

Adresse 4

…



Rechenwerk Leitwerk

90 Operation sin(x)

5 Operation x²

1 25 Operation x + y




Computer Ergänzung


RAM

90

5

5

1

25

26

Adresse 1

Adresse 3

Adresse 2

Adresse 5

Adresse 6

Adresse 4

…



Rechenwerk Leitwerk

90 Operation sin(x)

5 Operation x²


26 5 Operation x + yReih

enfo

lge

Ergebnis: 31


Mikroprozessor



• Alle Bausteine sind auf einem Mikrochip vereint (Integrierter Schaltkreis, IC)

• Name - Bezogen auf Größe des Prozessors– Intel Pentium 4 Stukturbreite 130 nm

• 55 Mio. Transistoren auf 131mm² Chipfläche

• In Alltagsgeräten (Eingebettete Systeme)

Mikroprozessor




Computer

Transistoren• Elektro-Schalter• Verwendung von MOSFET

– Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor

• Gate Steuerspannung• Source Drain Stromfluss

Vorführender


Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor Bit = 2 Zustände


Binär • „zwei Zustände“• Bit => 21 Zustand• Zustände => 2Anzahl Bits

• Byte => 28 Zustände


Logik

= 0

= 1

Bit



Logikgatter

AND &&

NOT !

OR ||


Beispiel Schaltungen (für Aufgabe 5a)

Logikgatter - Ergänzungen


Ergebnis ist „1“ wenn Bit 1 und Bit 2 jeweils „1“ sind

Ergebnis ist „1“ wenn Bit 1 oder Bit 2 „1“ sind (aber auch beide gleichzeitig!)

Ergebnis ist „1“ wenn Bit 1 „0“ ist

Ergebnis ist „1“ wenn Bit 1 „0“ ist und Bit 2 „1“

Software Logisim (Download)http://www.cburch.com/logisim/de/

Diese Beispiele findet ihr in der Zip-Datei Beispiel Schaltungen im Downloadbereich von mir

http://www.ghswedel.de/access/uploads/JSO/Beispielschaltungen.zip


Bool‘sche Algebra• 1 && 0 0• 1 || 0 1• 0 && 0 0• 1 && 0 && 1 0• 1 || 0 || 0 1• 1 || 0 && 0 || 0 0• 1 || ( 0 && 0 || 0) 1


Logik


ZahlenDezimalsystem Dualsystem0 01 12 103 1110 101016 1 0000


Logik


Addieren von Binärzahlen2 10 2 10

+ 1 01 + 2 10------------------- ------------------3 11 4 100

AND-Schaltung mit Übertrag


Logik

+1


Umrechnung einer Dezimalzahl in eine DualzahlZahl Ganzzahlig teilen Rest125 :2 62 162 :2 31 031 :2 15 115 :2 7 17 :2 3 13 :2 1 11 :2 0 1

Logik - Ergänzung


Dualzahl 1 1 1 1 1 0 126 25 24 23 22 21 20

Dezimalzahl 64 + 32 + 16 + 8 + 4 + 0 + 1 => 125

Die Dezimalzahl 125entspricht der Dualzahl 111 1101


1 Bit 2 Zustände1 Byte (8 bit) 1 Zahl/BuchstabeKilobyte (103 Byte) ~1 Nachricht (Email)Megabyte (106 Byte) ~1 ein Song (2 Min)Gigabyte (109 Byte) ~1 Film/~400 FotosTerabyte (1012 Byte) ~ 500.000 Fotos

(Entsprechend der Dateigrößen)


Logik


• Folge von Anweisungen– Deklarationen – Instruktionen

• Nach Regeln einer Programmiersprache– Formale Sprache zur Formulierung von

Datenstrukturen & Algorithmen (Rechenvorschriften)

– Vorgegebenes Muster (Syntax)


Programm



Code Aktion

public class MeineApplication1 {public static void main(String[] args) {

System.out.println("Hello World");}

}

Source Code

Quellcode

Compiler

Compiler Programm

Bytecode(Maschinensprache)

0101001010101010101010110101010010010100101010010101010110101010101010101011111111100000111110101010110101010100101010010101010111110000000101010….

Hello World

Prozessor

Vorführender


Bytecode => Byte = 8 Bits (Übersetzer) => Eindeutigkeit



Arduino

• Physikalische Computing Plattform– Software + Hardware

• Programmiersprache C/C++ ähnlich– Incl. Umfangreiche Bibliotheken

• Verschiedene Ausführungen der Hardware– Boards basierend auf Atmel-AVR-Mikrocontroller– Analoge + Digitale Input- & Output-Pins (I/O-Pins)

Gebrüder-Humboldt-SchuleEuropaschule WedelArduino Uno


• Basierend auf dem Atmega328P

• 14 digitale Inputs/Outputs (6 für PWM) – jeweils 5 Volt max. 40 mA

• 6 Analoge Inputs

Gebrüder-Humboldt-SchuleEuropaschule WedelArduino Uno


Receive TTL serial DataTransmit TTL serial Data

Trigger external Interrupts

Trigger external InterruptsPWM

PWMPWM

PWMPWMPWM

SS-Pin (SPI Communication)MOSI-Pin (SPI Communication)MISO-Pin (SPI Communication)SCK-Pin (SPI Communication)

Verbunden mit PIN13

USB2.0B-Port

Reset Button

DC Input7-12V

Atmega328P

Analog Pin INAnalog Pin INAnalog Pin INAnalog Pin INAnalog Pin IN

SpannungsRegulator

In-Circuit Serial Programming Header

Crystal Oscillator

GroundAnaloger Referenz WertI2C KommunikationI2C Kommunikation

Digitale Pins

(Ext. Power) Input SpannungAnalog Pin IN

GroundGround5V Output

3.3V Output

5V Output

Gebrüder-Humboldt-SchuleEuropaschule WedelArduino Software


• Programmier-Software für Arduinos

• Setup– Initialisierung des

Programmes, der Pins & Variablen

• Loop– Wiederholschleife für

Programmausführung


ArduinoZum weiterlesen/vertiefen:• www.arduino-tutorial.de• www.arduino.cc• http://mthackathon.info/resources/The-Most-

Complete-Starter-Kit-for-UNO-V1.0.17.3.6.pdf


Allgemeines

http://www.arduino-tutorial.de/

http://www.arduino.cc/

http://mthackathon.info/resources/The-Most-Complete-Starter-Kit-for-UNO-V1.0.17.3.6.pdf



Aufgabenblatt 1

Aufgabenblatt 1• Wiederholung der Themen

aus der Stunde• Praktisches Üben• 4 Seiten

– 4. Seite (nur Extraaufgaben) für Schnelle

– Weitere Freiwillige Teile sind gekennzeichnet

• Bearbeitung alleine oder in 2er Gruppen

• Abgabe am 21.02.2019


Bildquellen: https://pixabay.comhttp://wikipedia.orghttp://www.lacroix-electronics.de


Quellen

https://pixabay.com/

http://wikipedia.org/

http://www.lacroix-electronics.de/

Documents

Technik 10 Informatik-+01.pdf · • Grundlagen – Programmierung – Elektrotechnik • Sensoren • Verständnis – Computer – Signale Digital/Analog – Robotik – Networking