COMPUTERTECHNIK · DIGITALE LOGIK

Digitale
Logik

Wie aus Strom und kein Strom das Rechnen entsteht.

0 AND 1  ·  1 XOR 1  ·  1 + 1 = 10

Rückblick · Wo wir stehen

Unser Weg durch die Computertechnik

Teil 1
Aufbau & Bauteile
Mainboard, CPU, RAM, Speicher — welche Teile ein Computer hat und was sie tun.
Teil 2
Der Prozessor
Von-Neumann-Architektur und der Zyklus Holen → Decodieren → Ausführen — wie die CPU Befehle abarbeitet.
Teil 3 · jetzt
Digitale Logik
Ein Stockwerk tiefer: womit die CPU eigentlich rechnet.

Wir öffnen die Blackbox ein letztes Mal — und schauen den Gattern beim Rechnen zu.

Die Brückenfrage

Aber wie rechnet ein Prozessor?

Im Prozessor sitzt das Rechenwerk (die ALU) — der Teil der Von-Neumann-Architektur, der Zahlen addiert, vergleicht und verknüpft. Wenn die CPU 3 + 4 ausführt, passiert das hier.

Ein Computer kennt aber nur Strom und kein Strom. Wie kann eine Maschine mit nur zwei Zuständen rechnen? Genau das lösen wir jetzt — mit logischen Schaltungen.

Der Grundbaustein

Alles beginnt mit zwei Zuständen

Wie schon bei Daten & Codierung: Ein Draht führt Strom (1) oder nicht (0). Eine Lampe leuchtet oder bleibt dunkel. Aus diesem einen Bit bauen wir jetzt Logik.

0
Zustand: 0 · kein Strom
Klick auf die Lampe

Die erste Schaltung

Vom Schalter zur Schaltung

Verbinden wir den Schalter über eine Leitung mit Lampen, haben wir schon eine Schaltung. Eine Leitung kann sich verzweigen — beide Zweige tragen denselben Wert. Klick auf den Schalter:

0 Schalter 0 0

Bausteine einer Schaltung: Eingänge (Schalter), Ausgänge (Lampen), Leitungen — und gleich die Operatoren, die aus Signalen etwas Neues machen.

Beschreibungssprache

Die Wahrheitstabelle

Hier steckt eine unbekannte Schaltung in einer Box. Du siehst nicht, was drin ist — aber du kannst alle Eingabe-Kombinationen durchklicken und die Tabelle füllen. Genau das ist eine Wahrheitstabelle: der vollständige Steckbrief einer Schaltung.

Egal was in der Box steckt — die Tabelle beschreibt ihr Verhalten komplett. Öffnen wir jetzt die Box.

Gatter 1 · Inverter (NOT)

Der Inverter dreht um

Ein Eingang, ein Ausgang: Aus 0 wird 1 und umgekehrt.

Alltag: Das Kühlschranklicht geht an, sobald die Tür den Knopf nicht mehr drückt.

Gatter 2 · AND

Das AND-Gatter ist streng

Der Ausgang ist nur 1, wenn beide Eingänge 1 sind.

Alltag: Die Kaffeemühle läuft nur, wenn der Deckel geschlossen und der Schalter an ist.

Gatter 3 · OR

Das OR-Gatter ist grosszügig

Der Ausgang ist 1, sobald mindestens einer der Eingänge 1 ist.

Alltag: Die Haustür lässt sich per Knopf aus dem 1. oder dem 2. Stock öffnen.

Gatter 4 · XOR

Das XOR-Gatter ist wählerisch

Der Ausgang ist 1, wenn genau einer der Eingänge 1 ist — aber nicht, wenn beide es sind.

Alltag: Das Treppenhaus-Licht mit zwei Schaltern — jeder Schalter kann das Licht umschalten.

Gatter 5 · NAND

Das NAND-Gatter — das Gegenteil von AND

Not-AND: Der Ausgang ist 0 nur dann, wenn beide Eingänge 1 sind — sonst immer 1.

Besonderheit: Aus NAND allein lässt sich jedes andere Gatter bauen — deshalb bestehen Chips vor allem daraus.

Weiter geht's

Vom Gatter zur Rechnung

Du kennst jetzt die Bausteine. Im nächsten Schritt setzen wir sie zusammen zu einer Schaltung, die tatsächlich rechnen kann — und schliessen den Kreis zurück zur CPU.

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