Lernziele
- Sie wissen, was die Buchstaben des “EVA”-Prinzip bedeuten, und welche Teile auf dem Logik-Board diese Aufgaben übernehmen
- Sie kennen den Hauptunterschied zwischen analogen und digitalen Signalen
EVA = Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe
Beginnen wir weit vorne: Ein Computer ist im Grunde eine Datenverarbeitungsmaschine. Inputs aus Maus, Tastatur, Datenbanken, Game-Controllern, et cetera werden verarbeitet und die Resultate als Outputs ausgegeben an Bildschirmen, Lautsprechern, Motoren, und so weiter… Und vielleicht wird zwischendurch ein Speicher gelesen oder beschrieben.
Jetzt sind sie dran
Schauen Sie sich zu zweit oder zu dritt das Logikboard an.
- Was für Möglichkeiten sehen Sie für Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe?
- Verbinden Sie mit einem Kabel einen Schalter und ein Lämpchen. Was passiert? Was ist jetzt Eingabe, was Verarbeitung, was Ausgabe?
Lösung
Wie wollen wir Zahlen repräsentieren?
Diskutieren Sie
Wir wollen ja einen Rechner bauen. Aber wie wollen wir Zahlen repräsentieren? Überlegen Sie sich im Speziellen die Ausgabe: Wie könnten wir mit Lämpchen Zahlen repräsentieren?
Analoge und digitale Signale
Ein analoges Signal ist ein Signal, das unendlich viele Werte innerhalb eines Bereichs annehmen kann und keine klaren Abgrenzungen. Das Signal kann immer ein bisschen mehr oder ein bisschen weniger stark sein und man kann zwei Zustände ohne Probleme mischen.
Ein Beispiel wäre ein Lichtdimmer bei dem die Helligkeit jede beliebige Stufe zwischen komplett aus und maximal hell einnehmen kann. Viele Dinge in der Natur sind analog: z.B. die Lautstärke oder die Höhe von Tönen. Eher schwierig für analoge Signale sind Dinge mit klaren Grenzen: z.B. exakte Zahlen (1,2.5,132…) und Buchstaben. Der Nachteil eines analogen Signals ist, dass es beim Kopieren oder Weiterleiten sehr anfällig auf Störungen ist.
Für die Repräsentationen der Zahlen würde ein analoges Signal bedeuten, dass z.B. die Stärke des Signals die Zahl repräsentiert. Wenn wir einem ganz angestelltem LED den Wert 1000 gäben und einem ganz abgestelltem LED 0, wäre 371 ungefähr ein Drittel hell… Aber eben: Es wäre unmöglich abzulesen!
Im Gegensatz dazu arbeitet ein digitales Signal mit klar definierten Zuständen, oft in Form von “ON” (1) und “OFF” (0). Man kann die Zustände nicht mischen, “Halb-ON” (0.5) gibt es schlicht nicht. Ein solches Signal ist viel weniger anfällig auf Störungen, dafür hat man Mühe, Dinge mit weichen Übergängen zu repräsentieren - eben genau wie Töne und Farben. Klar abgetrennte Dinge wie Ganzzahlen und Buchstaben sind dafür sehr gut darstellbar.
Wir werden also ein digitales Signal verwenden - die Lämpchen sind entweder an (ON) oder aus (OFF). Wir sagen: OFF = 0 und ON = 1.
Strom ist naturgemäss analog. Aber gibt es digitale Grössen in der Natur?
Digitale Signale sind Unterschiede in der Stromspannung (Volt). Aber Spannung ist in der Natur eine analoge Grösse. Wenn Sie also die Spannung eines digitalen Signals in einem Kabel messen würden, würde das ungefähr so aussehen.
Es gibt aber durchaus auch natürliche digitale Grössen. Ein Beispiel wären die vier Basen der DNA.
Aus der Perspektive der Teilchenphysik könnte man auch argumentieren, dass viele Grössen, die wir analog erleben, tatsächlich digital sind, wenn sie quantifiziert vorliegen.
Binär: Zahlen aus nur 0 und 1?
Wie wollen wir also mit drei solchen LEDs Zahlen repräsentieren? Wenn man nur LEDs zählt, die ON sind, hat man vier Zahlen: 0, 1, 2, 3.
Aber wir können viel mehr Zahlen verwenden, wenn wir alle möglichen Kombinationen verwenden. Wie viele Kombinationen gibt es?
