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MV Abitur Computer Science: Rechnerarchitektur und Rechnernetze

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Rechnerarchitektur und Rechnernetze

Der Bereich verbindet zwei Perspektiven: die logische und hardwarenahe Funktionsweise eines Rechners (Boolesche Algebra, Von-Neumann-Architektur) und die Kommunikation zwischen Rechnern (Schichtenmodelle, Adressierung, Protokolle, Client-Server).

Boolesche Algebra

Grundoperatoren: AND (Konjunktion), OR (Disjunktion), NOT (Negation), XOR (Antivalenz, 1 bei ungleichen Eingaben). Jede Schaltung lässt sich durch Wahrheitstabelle, DNF (Minterme) oder KNF (Maxterme) beschreiben. De Morgan: ¬(A ∧ B) = ¬A ∨ ¬B und ¬(A ∨ B) = ¬A ∧ ¬B. Addierer entstehen aus Halbaddierern (Summe = XOR, Übertrag = AND) und Volladdierern.

Von-Neumann-Architektur

Ein gemeinsamer Speicher hält Daten und Befehle; die CPU besteht aus Steuerwerk und ALU mit Registern. Der Zyklus lautet Fetch – Decode – Execute: Befehl laden, entschlüsseln, ausführen, Ergebnis zurückschreiben. Busse (Adress-, Daten-, Steuerbus) verbinden die Komponenten. Der gemeinsame Bus für Befehle und Daten ist der Von-Neumann-Flaschenhals; die Harvard-Architektur trennt beide Speicher.

Rechnernetze

Im TCP/IP-Modell liegen Anwendungen (HTTP, DNS) oben, darunter Transport (TCP, UDP), Internet (IP) und Netzzugang. TCP ist verbindungsorientiert, sichert Reihenfolge und Wiederholung; UDP ist verbindungslos und schnell, aber unzuverlässig. Client-Server: Der Client stellt eine Anfrage an eine bekannte IP-Adresse und einen Port, der Server antwortet zustandslos (HTTP) oder mit Sitzung.

Durchgerechnetes Beispiel

Gegeben 192.168.10.130/26. Die Präfixlänge 26 ergibt die Maske 255.255.255.192 (26 Einsen, dann 6 Nullen). Die Blockgröße im letzten Oktett ist 2^6 = 64, also liegen die Netze bei 0, 64, 128, 192. Damit: Netzadresse 192.168.10.128, Broadcast 192.168.10.191, nutzbarer Hostbereich .129 bis .190, also 2^6 − 2 = 62 Hosts. Die Subtraktion gilt, weil Netz- und Broadcastadresse nicht an Endgeräte vergeben werden.

Typische Fallen

  • XOR mit OR verwechseln; XOR ist nur bei ungleichen Bits 1.
  • De Morgan ohne gleichzeitiges Umdrehen des Operators anwenden.
  • Netz- und Broadcastadresse mitzählen.
  • TCP und UDP hinsichtlich Zuverlässigkeit vertauschen.
  • DNS als Routinginstanz missverstehen: DNS löst Namen zu Adressen auf.
  • Ports mit IP-Adressen verwechseln.