Digitaltechnik (1)

Inhalt - Digitaltechnik

Teil 1:

Analoge Darstellung
Digitale Darstellung
DIGITALE SIGNALE
Anwendungen im Alltag  
Technische Umsetzungsmöglichkeiten
Logische Zustände: „0“ und „1“
ELEKTRIZITÄT (RÜCKBLICK)
SCHALTSYMBOLE
Elektrische Schaltsymbole
Digitale Schaltsymbole
LOGISCHE VERKNÜPFUNGSGLIEDER
❶ Die UND – Verknüpfung (AND)
❷ Die ODER – Verknüpfung (OR)
❸ Die NICHT – Verknüpfung (NOT)
❹ Die NICHT-UND – Verknüpfung (NAND)
❺ Die NICHT –ODER-Verknüpfung (NOR)
❻ Die EXKLUSIV-ODER – Verknüpfung (XOR) (Antivalenzglied)
❼ Die ÄQUIVALENZ– Verknüpfung (XNOR) (Äquivalenzglied)
AUFBAU DER ZUSAMMENGESETZTEN GATTER DURCH GRUNDGATTER
SCHALTUNGSANALYSE
Welche Verknüpfung erzeugen einzelne Schaltungsteile?
Digitalschaltung aus der Funktionsgleichung erstellen
SCHALTUNGSANALYSE (AUFGABEN)

→ Teil 2:

BOOLESCHE ALGEBRA
Vorüberlegungen
Grundgesetze der Schaltalgebra
❶ Grundgleichungen
❷ Rechenregeln mit einer Variablen
❸ Rechenregeln mit zwei und mehr Variablen
Morgansche Gesetze
Bindungsregeln
BOOLESCHE ALGEBRA (AUFGABEN 1)
Anwendung der Gesetzmäßigkeiten
BOOLESCHE ALGEBRA (AUFGABEN 2)
SCHALTUNGSSYNTHESE
Die ODER-Normalform
Vereinfachung der ODER-Normalform: KV-Diagramme
SCHALTUNGSSYNTHESE (AUFGABEN - 1)
SCHALTUNGSSYNTHESE (AUFGABEN - 2)
DATEN SPEICHERN
Das Flipflop
Funktionsweise – RS-Flipflop
Aufbau eines RS-Flipflops durch NAND-Glieder
RS-Flipflop mit dominierendem Eingang
Taktzustandsgesteuertes RS-Flipflop (Auffang-Flipflop)
D-Flipflop
Taktflankengesteuerte Flipflops
Taktflankengesteuertes RS-Flipflop
Taktflankengesteuertes D-Flipflop
Das Schieberegister
RECHENSCHALTUNGEN
Dualzahlen
Der Halbaddierer
Der Volladdierer (FA – engl. full adder) 
Die Paralleladdierschaltung

Allgemeine Hinweise zu den Themenseiten

Die hier angebotenen Themenseiten fassen die grundlegenden Inhalte, Informationen und Hefteinträge zu den Unterrichtsinhalten von verschiedenen Themenbereichen der Fächer Mathematik, Physik und dem Wahlpflichtfach MINT/Technik zusammen. Diese sind online, kostenlos und ohne Registrierung verfügbar und sollen zur besseren Selbstorganisation der Schüler beitragen.

Die im Internet bereitgestellten Materialien bieten aber auch noch zusätzliche Möglichkeiten: Sie sollen den Schülern einen Leitfaden zur Vorbereitung auf Kursarbeiten, aber auch bei Fehlstunden zur Nacharbeit der versäumten Unterrichtsinhalte dienen und weiterhin den Eltern die Möglichkeit zur Unterstützung bei den unterrichtsbegleitenden Hilfestellungen geben. Die Zusammenfassungen zu den Unterrichtsinhalten auf den Themenseiten werden dabei jeweils ergänzt durch Lernvideos, Infotexten, Aufgaben, Bildergalerien und interaktiven Tools. Diese sollen dabei helfen selbstständig eigene Ergebnisse zu überprüfen oder zusätzliche Informationen zu den Inhalten erhalten. Bei den Lernvideos handelt es sich teilweise um die YouTube-Video des YT-Kanals Mathe-Physik-Technik. Weiterhin sind bei den einzelnen Folien zusätzliche Videovorschläge von anderen YouTube-Kanälen zugeordnet. Der jeweilige Link leitet dann ggf. direkt auf die YouTube-Video-Seite weiter.

Bei den klassischen physikalischen Themenbereichen sind die jeweiligen Folien für den digitalen Unterricht weitestgehend angepasst und optimiert worden. Insbesondere durch die Corona-Krise rückt der digitale und eigenverantwortliche Unterricht immer mehr in den Fokus. Zu den einzelnen Folien sind deshalb jeweils passende Videos zu den Inhalten zugeordnet und zu vielen Folien auch passende Aufgaben eingearbeitet worden. Dadurch sind die Themenbereiche in Teilabschnitten strukturiert und für die Arbeit mit Wochenplänen optimiert worden. Sie ermöglichen den Schülern so die selbstständige Arbeit daheim und geben jedem Schüler die Möglichkeit die Lernziele auch unter den gegebenen Umständen bestmöglich zu erreichen. Dabei können Schüler dann sogar die positiven Seiten des digitalen Unterrichts (Eigenes Lerntempo festlegen, optimale Anpassung von Lernzeit und Zeitpunkt an den eigenen Biorhythmus zum effizienten Lernen, etc.) für sich besonders gut nutzen.

Siehe hierzu auch: → Konzept - mathe-physik-technik.de

Skript → Publikationen

Hinweis:
Für die Unterrichtseinheit ist die Anschaffung des Skripts für meine Schüler*innen nicht notwendig! Die Folien werden nacheinander bearbeitet und notwendige Materialien ggf. kopiert.

Skripte:

Konrad Zuse 

Konrad Ernst Otto Zuse (1910 - 1995) war ein deutscher Bauingenieur, Erfinder und Unternehmer (Zuse KG). Mit seiner Entwicklung der Z3 im Jahre 1941 baute Zuse den ersten funktionsfähigen Computer der Welt.
Konrad Zuse wurde als Sohn von Maria und Emil Zuse geboren. Zuse hat sich selbst als „Bummelstudent“ bezeichnet. Als 17-Jähriger studierte er an der Technischen Hochschule Berlin-Charlottenburg (heute Technische Universität Berlin) zunächst Maschinenbau, wechselte dann zur Architektur und schließlich zum Bauingenieurswesen. 1935 schloss Zuse sein Ingenieurstudium mit einem Diplom ab. Danach arbeitete er zunächst als Statiker bei der Henschel Flugzeug-Werke AG in Schönefeld bei Berlin, gab diese Stelle jedoch bald auf und richtete eine Erfinderwerkstatt in der Wohnung seiner Eltern ein. Hier entstand die Z1, eine programmierbare Rechenmaschine, die allerdings noch nicht voll funktionsfähig war, weil sie mechanisch funktionierte. Das Prinzip der Z1 übernahm Zuse dann für die Z3, die er mit Relais aufbaute. Dies war der erste voll funktionsfähige Computer der Welt. Zuse verfügte über die Gabe, Menschen mit seiner Begeisterung so anzustecken, dass sie ihm immer wieder Geld gaben – sein Vater ließ sich sogar aus dem Ruhestand reaktivieren, um die Entwicklung mitzufinanzieren – oder Arbeitszeit spendeten.

Z1 – ein „mechanisches Gehirn“
Da die statischen Berechnungen im Bauingenieurwesen sehr monoton und mühselig waren, kam Zuse die Idee, diese zu automatisieren. Er kündigte 1935 seine Statiker-Tätigkeit und widmete sich ausschließlich der Umsetzung seiner Pläne, die er in einem Tagebucheintrag vom Juni 1937 beschreibt: „Seit etwa einem Jahr beschäftige ich mich mit dem Gedanken des mechanischen Gehirns.“ Das Resultat war der 1938 fertiggestellte, elektrisch angetriebene mechanische Rechner Z1. Er arbeitete als erster Rechner mit binären Zahlen und einen Programmwerk, das die Programme von gelochten Kinofilmstreifen ablas. Die Z1 arbeitete aufgrund von Problemen mit der mechanischen Präzision nie zuverlässig; die mechanischen Schaltwerke klemmten regelmäßig. Noch während er an der Z1 arbeitete, übertrug er die mechanische Schaltung in die elektromechanische Relaistechnik. Dies führte 1939 zu einem Prototyp Z2. 

Z3 – der erste funktionsfähige Computer der Welt
1941 baute Zuse in den Räumen des Ingenieurbüros, das er inzwischen gegründet hatte, die Z3. Am 12. Mai 1941 stellte Zuse diese Rechenmaschine Z3 vor. Es war ein vollautomatisch arbeitender Rechner mit Speicher und einer Zentralrecheneinheit aus Telefonrelais. Die Z3 gilt heute als erster funktionstüchtiger Computer der Welt. Das Gerät wurde praktisch zur Berechnung einer komplexen Matrix eingesetzt, die zur Untersuchung des Flügelflatterns, das zum Absturz zahlreicher Flugzeuge geführt hatte, benötigt wurde. Allerdings wurde die Z3 nie als „dringlich“ eingestuft und auch nie in den Routinebetrieb übernommen. 

Z4 – Grundlage einer deutschen Computerindustrie
Auch die Weiterentwicklung der Z3 wurde von der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt gefördert. Es handelte sich auch bei dieser Entwicklung um einen aus Relais aufgebauten elektromechanischen Rechner. Bis dahin waren sämtliche Rechner aus der Zuse-Produktion mit dem Anfangsbuchstaben Z wie „Zuse“ benannt worden. 1949 reiste Professor Eduard Stiefel von der ETH Zürich in das Allgäu, um Zuse zu treffen und sich die Eignung der Z4 für Forschungen an der Universität demonstrieren zu lassen. Stiefel zeigte sich begeistert und einigte sich mit Zuse über einen Mietvertrag zur Nutzung der Z4. Mit diesen finanziellen Mitteln war Zuse noch im selben Jahr im Stande, die Zuse KG zu gründen. Als 1950 die Z4 nach Zürich gebracht und an der ETH eingesetzt wurde, war sie zu diesem Zeitpunkt der einzige funktionierende Computer in Mitteleuropa und der erste kommerzielle Computer weltweit. 

Scheitern des Patentanspruchs
Zuse hatte schon vor dem Krieg mehrere Patente angemeldet. Am wichtigsten war jedoch eine Patentanmeldung von 1941, in der er die Z3 beschrieb. Die deutschen Prüfer hatten gegen Zuses Ansprüche keine Einwände, und das Patent wurde 1952 bekanntgemacht. Dagegen erhoben Triumph, später auch IBM Einspruch. Der Prozess zog sich durch sämtliche Instanzen, bis das Bundespatentgericht 1967 zur endgültigen Entscheidung kam, dass dem Erfinder des Computers „mangels Erfindungshöhe“ kein Patent erteilt werden könne.

Zuse KG
Nach dem Krieg gründete Zuse 1949 in Neukirchen im damaligen Kreis Hünfeld die Zuse KG. Weitere Computer wurden gebaut, die Typenbezeichnung war immer ein Z und eine fortlaufende Nummer. Herausragend war die noch in Relaistechnik ausgeführte Z11, die der optischen Industrie, Universitäten und Flurbereinigungsbehörden verkauft wurde. Mit der Einführung der Elektronik begann eine neue Zählung, und die Z22 wurde 1955 zum ersten in Röhrentechnik aufgebauten Computer von Zuse. Die Daten wurden in einem Magnetspeicher gespeichert.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1. Konrad Zuse und seine ersten Computer der Welt - Fernsehbericht von 1958 [6:42]

2. Doku Die Zuse Story Wie ein Deutscher den Computer erfand deutsch [29:03]

3. [Doku] Digitale Verlustzone - Wie Deutschland den Anschluss an die Digitalisierung verlor [44:04]

Anmerkung: Die Links in diesem Ordner verweisen auf externe YouTube-Videos anderer YouTube-Kanäle. Gelegentlich werden Videos dort auch wieder entfernt. Entsprechende Hinweise zur Aktualisierung dieser Seite werden gerne per → Mail oder über das → Kontaktformular entgegengenommen. - Vielen Dank schon vorab für den Hinweis!

Fragen zum Text:

1. Welches Fach studierte Konrad Zuse und wann beendete er sein Studium?
2. Zuse erfand die „Z1“, eine programmierbare Rechenmaschine, die allerdings noch nicht voll funktionsfähig war. Warum war diese nicht voll funktionsfähig?
3. Aus welchem Grund fing Zuse mit dem Bau der Z1 an?
4. Die Z1 arbeitete mit Programmen (Software). Wie wurden diese „gespeichert“?
5. Wann wurde die weiterentwickelte „Z3“ vorgestellt?
6. Aus welchen Bauteilen wurde bei der „Z3“ die Zentralrecheneinheit aufgebaut?
7. Wofür wurden die Berechnungen mit der „Z3“ benötigt?
8. Wie konnte Zuse die Gründung der Zuse AG finanzieren?
9. Aus welchem Grund wurde Zuse die Patentanmeldung für die Z3 verweigert?