In den letzten Jahrzehnten hat sich die technische Umwelt durch das immer stärkere Auftreten von informationsverarbeitenden Systemen stark verändert. Durch Computer, Handy und alle diversen Smartgeräte dringt der Mikroprozessor immer stärker in den menschlichen Alltag ein und verändern damit sehr stark das soziotechnische Umfeld. Was bedeutet das für einen modernen Technikunterricht und kann der Technikunterricht überhaupt ein solch komplexes System wie ein Prozessor für Schüler verständlich aufschlüsseln? Um diese Fragen klären zu können, habe ich mich dazu entschieden einen Taschenrechner Lernbaukasten, zu entwickeln und zu fertigen.
Mikroprozessoren bestehen aus vielen verschiedenen komplexen technischen Problemlösungen und erfüllen vielfältige Aufgaben. Ihre gemeinsame Hauptaufgabe liegt aber immer im Verarbeiten von Daten und dabei ist es insbesondere wichtig, eine Additionsrechnung ausführen zu können.
In allen Mikroprozessoren gibt es eine Recheneinheit, welche genau für diesen Zweck konstruiert wurde, nämlich die Arithmetisch-logische Einheit. Diese kann zwei Datenreihen (Bitfolgen) entweder mithilfe logischer Grundfunktionen verknüpfen oder mathematisch addieren. Sieht man sich die ALU etwas genauer an, dann fällt auf, dass ihr eine kleine aber relativ simple Schaltung zugrunde liegt, welche jedoch sehr oft wiederholt wird, um immer größere Datenreihen verarbeiten zu können.
Bei einer Digitaluhr, die nur Stunden anzeigen soll, benötigt man alle Zahlen von 1 bis 12. Möchte man diese Uhr nun beispielsweise über eine digitale Eingabe stellen, so benötigt man im aller einfachsten Fall (ohne mathematische Restgruppenbetrachtung) ein kleines Rechenwerk, das zur aktuellen Uhrzeit eine manuell eingegebene Zahl hinzuaddiert.
Gewünschte Uhrzeit = Aktuelle Uhrzeit + Verschiebewert
Für diese einfache Rechenaufgabe ist es noch lange nicht nötig, einen komplexen Prozessor einzusetzen. Stattdessen lässt sich ein kleines 4-Bit-Rechenwerk dafür verwenden, da mit 4 Bit alle Ziffern zwischen 1 und 15 abgebildet werden können. Um zwei 4 Bit große Dualzahlen zu addieren, benötigt man 4 einzelne Addierglieder, nämlich für jede der 4 Bitstellen eine Additionseinheit (Volladdierer).
Ein solch simples Rechenwerk habe ich dem Taschenrechner Lernbaukasten zugrunde gelegt, da hieran gut ersichtlich wird, wie man ein Rechenwerk grundlegend aufbaut. Durch die Baukastenstruktur des Rechners können Schülerinnen und Schüler das Rechenwerk Schritt für Schritt selbstständig zusammenbauen.
Insgesamt besteht der Rechnerbaukasten aus 36 einzelnen Logikgattern, die alle zusammen schließlich das 4-Bit-Rechenwerk bilden. Zum Zusammenbau der Rechenschaltung im Technikunterricht könnten sich die Schüler zuerst immer zu zweit zusammenfinden. Nun erhält jede Zweiergruppe den Auftrag, einen sogenannten Halbaddierer aufzubauen.
Anschließend finden sich immer zwei Gruppen zusammen und bilden eine Vierergruppe, welche nun die beiden Halbaddierer zu einen Volladierer zusammenschaltet.
Wenn alle Gruppen fertig sind, dann lassen sich die 4 Volladdierer durch die simple Weitergabe des Übertrags zu einem 4-Bit-Rechenwerk zusammenschließen.
Nun muss der fertige Rechner nur noch mit der Eingabeeinheit und der Ausgabeeinheit verbunden werden.
Die Eingabeeinheit ist eine Logikschaltung, welche zuerst die eingegebenen Dezimalzahlen in Dualzahlen umcodiert, anschließend einen Speicherort im Arbeitsspeicher auswählt und die Zahl schließlich dort abspeichert. Über LEDs kann der Speicherinhalt auch jederzeit visuell abgelesen werden.
Die Ausgabeeinheit rechnet das vom Rechenwerk errechnete Ergebnis in den BCD-Code um, damit es die errechnete Zahl über 7-Segmentanzeigen im Dezimalcode anzeigen kann.
Wenn alles richtig verdrahtet ist, dann lassen sich mit dem ganzen Rechensystem nun zwei Ziffern zwischen 1 und 9 (Dezimalzahleingabe ist auf 9 begrenzt) zusammenaddieren. Die größte durchführbare Rechenoperation lautet somit: 9 + 9 = 18.