Quantencomputer/ Funktion der CPU als Thema für Facharbeit in Info zu unfangreich?

[hasha]

Hallo liebe Community,

ich gehe in die 11. Klasse und wir müssen in den nächsten Monaten unsere Facharbeit schreiben. Sie soll 8-12 Seiten Text beinhalten und wir werden 10 Wochen Zeit für sie haben. Ich werde meine Facharbeit in Informatik schreiben und interessiere mich für den Aufbau und die Funktionsweise von Computern und Prozessoren.

Weil mich das Thema Quantenphysik auch interessiert, dachte ich, dass ich darüber schreiben könnte. Allerdings befürchte ich, dass das etwas zu weit vom Thema wegführt und dann nicht mehr so viel mit Informatik zu tun hat.
Denkt ihr eine Facharbeit über Quantencomputer würde "den Rahmen sprengen"?

Ansonsten ineressiert mich wie gesagt auch der Aufbau des Computers, wie die Sachen zusammenhängen und wie der Prozessor funktioniert. Aber ich kann mich da einfach nicht festlegen, worüber genau ich dann schreiben würde. Denkt ihr die "Funktionsweise der CPU" würde auch schon zu umfangreich sein oder wäre "Der Aufbau eines Computers im Allgemeinen" zu wenig?

Habt ihr vielleicht sonst noch Anregungen oder Tips, worüber ich meine Facharbeit schreiben könnte und wie die Frage- bzw. Problemstellung aussehen könnte?

Danke für eure Hilfe im Voraus!

 

[Daaron]

Für die 11. Klasse allemal. Quantencomputing ist eher was fürs 5. Semester...

Bei ~10 Seiten, inklusive Bildmaterial und Quellenverweisen, solltest du dich eher auf die Klassiker stürzen. Dann verstehen deine Hörer auch, wovon du sprichst. Es bringt gar nix, wenn du zwar weißt, was Quantenspin ist und wie man über Superpositionierung Berechnungen anstellen kann, du wirst es trotz allem 90% deiner Mitschüler, und im Zweifel nicht einmal deinem Lehrer, vermitteln können.

Wenn dir die ultimativen Klassiker, Turing-Maschine oder Von-Neumann-Architektur, zu seicht sind, dann schau doch, was du aus Sprungvorhersagen, Pipelining oder Multicore-Betrieb (vor allem die zu Grunde liegenden Netze zwischen den Kernen) machen kannst.

 

[gbene]

Die nötige Tiefe wirst du meines Erachtens nicht in den gesetzten Rahmenbedingungen erreichen (~10 Seiten, 11. Klasse etc). Was du aber machen kannst ist über verschiedene Rechnerarchitekturen (z.B. Flynnsche Klassifikation [SISD, SIMD, MIMD, MISD]) schreiben. Da wirst du mit entsprechend tiefer Beschreibung gut und gerne 12 Seiten voll bekommen.

Ansonsten kann dir vielleicht ein Informatiklehrer an deiner Schule Tipps geben in welche Richtung sich so eine Arbeit schrieben lässt.

 

[hasha]

Danke, für eure Antorten erstmal.

Eine Facharbeit ist ja kein Referat. Es wird ja nachher nicht vorgetragen, sondern es ist sozusagen mehr oder weniger ein Minibuch und wird nachher bewertet bzw. ersetzt eine Klausur. Sie soll dazu dienen, uns das "wissenschaftliche Arbeiten" näher zu bringen.

Aber gut, ich denke, dass ihr recht habt. Wahrscheinlich wäre das viel zu viel. Ich bleibe lieber bei "den Klassikern". Aber was wären denn da so die Klassiker? Ich habe da mal ein bisschen gesucht und bin auf Namen wie Harvard, von Neumann oder Zuse gestoßen oder auch auf Sachen wie CISC und RISC. Ich habe mir auch mal so ein bisschen angeschaut, wie die CPU eigentlich an sich funktioniert (es ging da um den RAM, die ALU, die Register in der CPU, ...).
Was gibt es da sonst noch so und was glaubt ihr wäre am besten für eine Facharbeit geeignet?

Meine Lehrerin meinte, dass ich auf jeden Fall auch was zur Geschichte schreiben sollte. Deswegen dachte ich mir erst mal so ganz grob:
1. Geschichte (nicht zu lang)
2. Zusammenhang mit den anderen Komponenten im PC
3. Fokus auf die Funktionsweise der CPU
4. Vielleicht auch was zur Herstellung

Meint ihr, dass da so gut ist. Was sollte da auf jeden Fall noch rein?

Und wie könnte dann nachher der Titel aussehen? Meine Lehrerin meinte auch hier, dass zumindest die Geschichte einmal kurz in dem Titel genannt werden sollte. Ich habe mir ein paar Möglichkeiten überlegt:
- Die Funktionsweise der CPU mit Hinblick auf den geschichtlichen Zusammenhang
- Die CPU und ihre Funktionsweise
- Die Funktionsweise von Mikroprozessoren
- Wie funktionieren Mikroprozessoren und wie haben sie sich im Laufe der Zeit entwickelt?

Wie findet ihr das? Habt ihr die vielleicht auch ein paar Anregungen?

 

[Daaron]

Selbst wenn du dich nur an die Geschichte hängst, beginnend mit der von-Neumann-Architektur über Zuse's kleines Meisterwerk Z3, die Militärcomputer wie ENIAC... da bist du schon recht weit. Du kannst ja auf den Wandel bzw. die Erweiterung des von-Neumann-Schemas eingehen. Ein x86 ist rein theoretisch auch nur n von-Neumann, aber er sit auch mehr. Schau dir die Erweiterungen an, die Einzug gehalten haben. Ich denk da vor allem an DMA (wieso DMA kein Teil von von-Neumann ist, darfst du selbst herausfinden)

RISC und CISC kann man anreißen, aber ich wüsst spontan nicht, wie man den Kram sinnvoll in die Zeitlinie eingliedert. Es sind 2 zeitweilig parallele Strömungen, die beide inzwischen weitestgehend wieder verschmolzen sind.

RAM, I/O und ALU wirst du schön durchkauen, wenn du dich mit von-Neumann beschäftigst.

Was mich viel mehr irritiert: Ihr sollt eine Facharbeit über ein Thema schreiben, dessen einfachste Grundlagen noch nicht erklärt wurden? Ich mein, von Neumann ist echt absoluter Urschleim. Das ist genauso elementar wie das EVA-Prinzip. Ohne Vorwissen in dem Bereich braucht man gar nicht anfangen.
Und dein Plan mit Quantencomputing dürfte damit endgültig aus dem Rahmen fallen. Ich hab irgendwie erwartet, ihr habt eben die Klassiker schon komplett durchgekaut und du suchst was Ausgefallenes und bist dabei auf Qubits gestoßen...

Wenn du wirklich was witziges machen willst, was abseits der Klassiker (eben z.B. Geschichte von Neumann -> heute) liegt und du eh Register schon mal gehört hast: Schau doch, ob du irgendwo etwas 8086er Assembler Code findest, den du analysieren kannst. An den alten Kisten kann man wunderbar lernen, wie das mit den Registern so funktioniert.

 

[hasha]

Nein, die Grundlagen haben wir noch nicht durchgekaut. Im Unterricht geht es nur ums Programmieren, nicht aber um die Hardware.
Aber das ist auch letztendlich der Sinn der Facharbeit. Wir sollen ja etwas neues, was uns nicht bekannt ist, aussuchen und darüber schreiben. Natürlich darf das dann aber auch nicht zuweit wegführen. Bei meinem Thema meinte meine Lehrerin, dass es OK wäre, darüber zu schreiben.

Zu Quantencomputing bin ich eigentlich dadurch gekommen, weil ich mich nicht zwischen Physik und Informatik entscheiden konnte. Quantenmechanik und die Hardware ist grad so das, was mich am meisten interessiert (oder sich zumindest interesant anhört).
Habe dann aber doch Info genommen...

Ich denke, ich bleibe dann lieber bei den Klassikern, das ist denke ich mehr als genug. Nur mir fällt kein guter Titel ein. Habt ihr vielleicht Vorschläge?

 

[Daaron]

John von Neumann in Zeiten der Sprungvorhersage - eine Retrospektive *g*
Meine Arbeit steckt noch in der Pipeline

Über Quantencomputing nachzudenken macht ja nur Sinn, wenn man den elementaren Unterschied zur "klassischen" Berechnung erkennt, z.B. warum eine Erhöhung der Bandbreite? Kapazität? Was nun eigentlich? um nur ein 1 Qubit schon einen so exorbitanten Unterschied ausmacht, während der effektive Nutzen des Sprungs von 32Bit-CPUs auf die aktuellen 64Bit'er quasi unter geht.
Außerdem dürftest du kaum davon ausgehen, dass dein Info-Lehrer sich mit Quantentheorie auskennt. Das ist doch ein etwas abseitiges Thema, die meisten Lehrer sind Fachidioten. Er könnte deine Arbeit also kaum auf Korrektheit prüfen.
Es hindert dich ja niemand daran, dir trotzdem ein paar Informationen zur Superpositionierung zu suchen und für eigene Zwecke zu verwenden. Für ne 11. Klasse ist das aber nichts. Wenn du nicht gerade ein Wunderkind bist, würde dir kein Lehrer abnehmen, dass das ne Eigenleistung ist.

 

[hasha]

Ok, ich lasse dann lieber die Finger davon.

Mir geht es letztendlich hauptsächlich darum, zu klären wie Computer und wie die CPU im Allgemeinen funkionieren. Weil ich mich da noch nicht eingelesen habe, kann ich auch nicht entscheiden, ob ich dafür Zuse und von Neumann durchkauen muss, ob ich CISC oder RISC analysieren muss oder ob ich irgendetwas anderes beschreiben muss. Daher weiß ich letztendlich eigentlich auch nicht, welche dieser Architekturen (oder wie auch immer man sie nennen will) auch wirklich interessieren.
Worauf sollte ich am besten eingehen, wenn ich allgemein klären will, wie die CPU funktioniert? Macht es da am meisten Sinn bei Zuse anzufangen zu lernen oder sich etwas anderes anzuschauen. Ich habe zum Beispiel auf Youtube dieses Video gefunden:http://www.youtube.com/watch?v=cNN_tTXABUA

 

[Daaron]

Fang mit der von Neumann - Architektur an.
Ich hab jetzt etwas über 3 Minuten von dem Video geguckt, und das meiste davon war viel zu spezifisch. Motherboard, Pins, Socket,.... alles irrelevant. Du kannst den ganzen Scheiß am Ende auch, so wie Zuse bei seiner Z3, aus n paar Röhren und n paar Metern Draht bauen. Die heutige Kompakt-Bauform ist nur der Geschwindigkeit geschuldet, trägt aber zum Verständnis keinen Meter weit bei.

Wenn du abseits der von Neumann - Architektur einen Ansatz suchst, z.B. WIESO das Clock-Signal so wichtig ist, dann guck dir ein paar Schaltpläne für D-Flipflops sowie JK-Flipflops an.... bzw. mach dir klar, wieso ein D-Flipflop ein Clock-Signal hat und wo der Vorteil gegenüber einem RS-Flipflop liegt.
Denk dabei immer so einfach wie möglcih -> so makroskopisch wie möglich. Denk nicht an Microprozessoren und wenige nm große Transistoren. Denk an ein fingergroßes Relais. Funktioniert eh genauso...

 

[hasha]

Ok, danke für die Tips. Ich werde mal gucken, dass ich mich da einlese.

Ich hoffe ich kann hier nochmal fragen, falls etwas nicht klar ist.

 

[Daaron]

Fragen kannst du, aber ob wir antworten... Denk immer daran, es ist deine Eigenleistung. Diejenigen, die hier beim Thema mitreden können, haben ihr Wissen auch irgendwie ohne Foren erlangt, und wie in meinem Fall zu einer Zeit, als es keine Videos im Netz gab. Mit ISDN hätte sich das niemand angetan...

 

[hasha]

Also gut, ich bin es wieder.

Ich habe nämlich jetzt schon Probleme bei dem Material. Das Problem ist einfach, dass es so wahnsinnig viel zu dem Thema gibt und man nicht weiß, ob es gut ist oder ob es überhaupt vom Thema her richtig passt.

Ich suche grade Bücher, die die Geschichte des Computers bzw. der Prozessoren ein wenig beschreiben und Bücher, die dann den genaueren Aufbau/ die Funktion von Prozessoren erklären. Habt ihr eventuell schon gute Erfahrungen mit dem ein oder anderen Buch gemacht und könnt es mir empfehlen? Oder möglicherweise kennt ihr ja eine gute Website zu dem Thema.

Danke nochmal im Voraus!

 

[S!lent Death]

Für den Aufbau von CPU's empfiehlt sich das Standardwerk von Henessy & Patterson "Computer architecture - a quantitative approach"

Allg. würde ich dir empfehlen dich auf die einfachen Prinzipien zu beschränken, Grundarchitekturen und Logikschaltungen. Alles weitere kann sehr schnell sehr komplex werden.

 

[Daaron]

Denk auch, scheiß auf die komplexeren Geschichten. Versuch einfach mal zu verstehen, wie ein Halbaddierer funktioniert und wie du aus 2 davon einen Volladdierer machst. Danach guckst du dir das Arbeitsprinzip von Schieberegistern (z.B. als Kette von D-Flipflops) an.
Damit hast du einige der elementarsten Strukturen, die eine CPU so braucht: Werte addieren und Daten/Befehle Stück für Stück abarbeiten

 

[hasha]

Danke für die schnellen Antworten!

@Silent Death
Also ich habe mir dieses Buch mal angeguckt (haben es hier glücklicherweise in der Stadtbibliothek, habe es jetzt zu Hause) und es ist ganz schön lang. Dass das Buch in englisch geschrieben ist, macht es auch nicht so leicht das Buch zu verstehen. Könntest du mir vielleicht ein paar Tipps geben, auf welche Punkte ich mich im Buch konzentrieren sollte?
Oder hättest du vielleicht auch andere Vorschläge für Bücher?

@Daaron
Danke für den Tip. Ich werde mir das in den nächsten Tagen angucken. Habe zurzeit ein wenig mit Klausuren zu tun.
Hättest du vielleicht auch ein paar Vorschläge für Bücher?

Ich hatte diese Semesterarbeit im Internet gefunden und finde sie nicht schlecht: http://www.ch-r.de/et/nue-atmmk-mikroprozessoren.pdf
Ich wäre euch dankbar, wenn ihr einen Blick auf Inhaltsverzeichnis werfen würdet, kurz über die Arbeit scrollen würdet und mir dann sagen würdet, für wie sinnvoll/ "gut" ihr die Strukturierung, Themenwahl oder Vorangehensweise des Verfassers findet.
Und nein, ich habe nicht vor abzuschreiben. Aber Facharbeiten sind letztendlich ja auch wissenschaftliches Material, das als Quelle genutzt werden kann.

 

[kasir]

Rechnerorganisation und Rechnerentwurf von Henessy und Patterson

 

[hasha]

So, ich bins wieder einmal.

Ich komme leider eher langsam voran mit meiner Facharbeit. Material habe ich jetzt mittlerweile mehr oder weniger, aber das Durcharbeiten schiebe ich ehrlich gesagt immer wieder vor. Aber mittlerweile habe ich eine ungefähre Gliederung wie das Ganze aussehen soll. Meine Lehrerin fand sie gut, ich würde mich freuen, wenn ihr auch einen Blick drauf werfen würdet.


Hier ist die Struktur:
1. Geschichtlicher Hintergrund
1.1 Was ist ein Computer bzw. ein Prozessor?
1.2 Wichtige Personen und ihre Ideen
- Charles Babbage über Zuse bis Bill Gates (Habe ein Buch gefunden, dass dazu nebenbei ein paar grundlegende Sachen sagt. Wollte das dann so übernehmen.)
1.3 Zuses Z3 (ein bisschen näher eingehen..)

2. Aufbau eines PCs
2.1 Die verschiedenen Komponten
2.2 Wofür ist welche Komponente zuständig? (->und das soll dann zum nächsten Thema führen...)

3. Funktionsweise eine CPU
3.1 Aufbau einer CPU (Steuer-, Adresswerk.. Busse und Register)
3.2 Verschiedene Architekturen (von-Neumann vs. Harvard, CISC vs. RISC)
(3.3 x86- Prozessorfamilie oder eine andere Architektur auf die ich näher eingehe ??)
3.4 Ablauf in der CPU am Beispiel eines einfachen Programmes (eventuell Machienencode)
3.5 Optimierungen und moderne Prozessoren (eventuell auch ein Blick in die Zukunft -> "Bio-/ Quantencomputer", Opt. Schaltelemente..)
3.6 Sonstige Ideen, die ich noch mit reinbringen könnte: Interrupts, Operationen in der ALU, Schaltarithmetik


Wie findet ihr das? Meint ihr es ist zu viel? Oder eventuell auch zu wenig? Oder meint ihr ich hätte die falschen Themen gewählt?
Und was sagt ihr zu den Punkten, die ich bei 3.6 noch genannt habe bzw. zu 3.3? Sollte das auch noch mit rein?

Danke ein weiteres Mal im Voraus!

 

[Nai]

Ich würde Punkt 3.2 "Verschiedene Architekturen (von-Neumann vs. Harvard, CISC vs. RISC)" als Punkt 3.1 nehmen. Dann dort auch tendentiell nur eine sehr grobe Übersicht geben, und sagen dass man sich in der restlichen Arbeit bei den folgenden Erläuterungen aus Gründen der Einfachheit auf eine RISC, Load Store und von-Neumann Architektur festlegt.
Dann kannst du dir den Punkt "Aufbau einer CPU (Steuer-, Adresswerk. Busse und Register . . . " als Punkt 3.2 nehmen. Dort würde ich dann eine solche einfache "Beispiels-CPU" entwerfen und die Bestandteile anhand eines Blockdiagramms erläutern.
Den von dir genannten Punkt 3.3 würde ich raus lassen.
Als Punkt 3.3 würde ich nun erklären wie die CPU die 3. verschiedenen Hauptbefehle abarbeitet: Arithmetisch (Add, Compare, Mult, etc), Load/Store, und Sprungbefehle. Anschließend eventuell zur verdeutlichung ein Beispielsprogramm in Assembly. Eventuell in diesem Punkt noch Stack/Heap und Rekursion erklären oder in einen eigenen Punkt verlagern.
Als Punkt 3.4 würde ich dann etwas wie "weitere Verbesserungen des Grundlegenden CPU-Designs" oder so nehmen und auf ein paar Sachen von folgendem eingehen: Pipelining, Caching, Multi-Core-CPUs, SIMD, Virtueller Speicher, Interrupts, Paging uvm.

Zu weites Ausschweifen mit Bio Quantencomputer würde ich auch weg lassen; auch würde ich nicht weiter die abstrakten Bestandteile wie Register, ALU, etc in Gatter aufspalten.

Generell würde ich bei der Arbeit imemr die Konzepte hinter dem CPU-Design vorstellen und nicht eine spezielle CPU an sich.

 

[kasir]

1. Geschichtlicher Hintergrund
1.1 Was ist ein Computer bzw. ein Prozessor?
1.2 Wichtige Personen und ihre Ideen
- Charles Babbage über Zuse bis Bill Gates (Habe ein Buch gefunden, dass dazu nebenbei ein paar grundlegende Sachen sagt. Wollte das dann so übernehmen.)
1.3 Zuses Z3 (ein bisschen näher eingehen..)

2. Aufbau eines PCs
2.1 Die verschiedenen Komponten
2.2 Wofür ist welche Komponente zuständig? (->und das soll dann zum nächsten Thema führen...)


3. Funktionsweise eine CPU
3.1 Aufbau einer CPU (Steuer-, Adresswerk.. Busse und Register)
3.2 Verschiedene Architekturen (von-Neumann vs. Harvard, CISC vs. RISC)

Bis hier, sehr gut.

(3.3 x86- Prozessorfamilie oder eine andere Architektur auf die ich näher eingehe ??)

Bloß nicht x86 versuchen zu erklären, das erste 'C' in CISC bedeutet nicht umsonst complex. Erklär lieber im groben die Arten Befehle abzuarbeiten. Hier drei Schlagwörter: Eintaktdatenpfad, Mehrzyklendatenpfad, Pipelining.

In meiner oben genannten Literaturempfehlung wird der 32bit MIPS Datenpfad (RISC) synthetisiert.

3.4 Ablauf in der CPU am Beispiel eines einfachen Programmes (eventuell Machienencode)

Ja ist möglich, auch hier verweise ich auf den Henessy.

3.5 Optimierungen und moderne Prozessoren (eventuell auch ein Blick in die Zukunft -> "Bio-/ Quantencomputer", Opt. Schaltelemente..)
3.6 Sonstige Ideen, die ich noch mit reinbringen könnte: Interrupts, Operationen in der ALU, Schaltarithmetik

Nein und Nein.

Du hast gute Ideen, viele davon sprengen einfach den Umfang und du unterschätzt die Tiefe der Themen.

 

[Krik]

> Du hast gute Ideen, viele davon sprengen einfach den Umfang und du unterschätzt die Tiefe der Themen.

Aber so was von. Zu fast allen Überschriften kann man komplette Bücher schreiben. Und lass die fixe Idee mit den Quantencomputern. Studenten müssen nicht umsonst durch 4 Semester Höhere Mathematik, bevor man sie an das Thema heranlässt. Du versteht (noch) gar nicht, was da eigentlich passiert und worin Vor- und Nachteile liegen.

Denk daran, du hast nur 8-12 Seiten zu schreiben. Bei den Überschriften kratzt sich ein Informatiker am Kopf, wie man das alles auf so wenig Seiten komprimieren soll. Vieles kannst du jetzt schon nur sehr oberflächlich anreißen.
Bsp: Du schreibst die Kapitel 1 bis 3.2 und dazu noch 3.4. Das sind acht Überschriften. Zusammen mit Deckblatt, Inhaltsverzeichnis und Quellenverzeichnis hast du pro Kapitel nur etwas mehr als eine Seite zur Verfügung. Fügst du jetzt noch bei jedem Kapitel ein Bild, Schema oder Tabelle ein, bleibt dir nur noch ca. eine dreiviertel Seite für den Text übrig. Das ist für die meisten deiner Ideen schon jetzt viel zu wenig.

Ich würde dir empfehlen, einige Kapitel auszusortieren. Z. B. die Zuse ist zwar geschichtlich recht wichtig, bringt aber nur wenig in dein eigentliches gewähltes Thema ("Wie funktioniert eine CPU?") ein. Auch die wichtigen Persönlichkeiten würde ich nur am Rande erwähnen.