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Halbaddierer und Volladdierer

Ein Prozessor kennt nur 0 und 1. Trotzdem kann er beliebig große Zahlen addieren – mit einer Kette aus kleinen Schaltungen, die jeweils nur eine Stelle einer Dualzahl bearbeiten. Hier baust Du diese Schaltungen Schritt für Schritt aus den Logikgattern zusammen und probierst sie direkt aus.

Zwei Bits addieren

Im Dualsystem gibt es nur vier Möglichkeiten, zwei einstellige Zahlen zu addieren. Bei $1 + 1$ reicht eine Stelle nicht mehr: Das Ergebnis ist $2 = 10_2$. Rechts steht die Summe S, links der Übertrag C (englisch carry), der in die nächste Stelle wandert.

\[ 0 + 0 = 00_2 \qquad 0 + 1 = 01_2 \qquad 1 + 0 = 01_2 \qquad 1 + 1 = 10_2 \]

Schau Dir die beiden Ziffern getrennt an: Die Summe S ist genau dann 1, wenn genau einer der beiden Summanden 1 ist – das ist das XOR (exklusives Oder). Der Übertrag C ist nur dann 1, wenn beide Summanden 1 sind – das ist das UND.

Der Halbaddierer

Halbaddierer

Zwei Eingänge A und B, zwei Ausgänge: $S = A \oplus B$ (XOR) und $C = A \land B$ (UND). Die Schaltung besteht also aus nur zwei Gattern.

0A0B=1&0S (Summe)0C (Übertrag)XORUND

Alle Eingänge stehen auf 0 – beide Ausgänge sind 0.

Tippe auf A und B, um die Eingänge zwischen 0 und 1 umzuschalten. Leitungen mit 1 sind orange.
ABSCRechnung
00000 + 0 = 0 = 002
01100 + 1 = 1 = 012
10101 + 0 = 1 = 012
11011 + 1 = 2 = 102

„Halb“ heißt er, weil ihm etwas fehlt: Er kann keinen Übertrag von der Stelle rechts daneben aufnehmen. Für die unterste Stelle einer Zahl reicht das – für alle anderen Stellen nicht.

Der Volladdierer

Ab der zweiten Stelle müssen drei Bits zusammengezählt werden: die beiden Ziffern A und B und der Übertrag $C_{in}$ aus der Stelle davor. Drei Einsen ergeben $3 = 11_2$ – also kann auch hier höchstens ein Übertrag $C_{out}$ entstehen.

Den Volladdierer baust Du aus zwei Halbaddierern: Der erste addiert A und B, der zweite addiert zu dessen Summe $S_1$ den Übertrag $C_{in}$. Entsteht in einem der beiden ein Übertrag, wird $C_{out} = 1$ – dafür sorgt ein ODER-Gatter. (Beide Halbaddierer liefern nie gleichzeitig einen Übertrag.)

0A0B0Cin=1&=1&≥10S0CoutS₁C₁C₂HA 1HA 2

Alle Eingänge stehen auf 0 – beide Ausgänge sind 0.

Schalte A, B und den Übertrag Cin von der Stelle rechts daneben um.
ABCinSCoutRechnung
000000 + 0 + 0 = 0 = 002
001100 + 0 + 1 = 1 = 012
010100 + 1 + 0 = 1 = 012
011010 + 1 + 1 = 2 = 102
100101 + 0 + 0 = 1 = 012
101011 + 0 + 1 = 2 = 102
110011 + 1 + 0 = 2 = 102
111111 + 1 + 1 = 3 = 112

Volladdierer

$S = A \oplus B \oplus C_{in}$ – die Summe ist 1, wenn eine ungerade Anzahl der Eingänge 1 ist.

$C_{out} = (A \land B) \lor \big(C_{in} \land (A \oplus B)\big)$ – der Übertrag ist 1, wenn mindestens zwei Eingänge 1 sind.

Die zweite Formel lässt sich auch anders schreiben: $C_{out} = (A \land B) \lor (A \land C_{in}) \lor (B \land C_{in})$. Diese „Mehrheitsfunktion“ findest Du mit einem KV-Diagramm: In der Wahrheitstafel stehen vier Einsen, und sie lassen sich zu drei Zweierblöcken zusammenfassen. Nachprüfen kannst Du beide Formeln mit dem Wahrheitstafel-Rechner.

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Mehrere Stellen: der 4-Bit-Addierer

Für eine Zahl mit vier Stellen setzt Du vier Volladdierer nebeneinander. Jeder bearbeitet eine Stelle und gibt seinen Übertrag an den Nachbarn links weiter – genau wie beim schriftlichen Addieren. Ganz rechts ist der eingehende Übertrag 0 (dort würde auch ein Halbaddierer genügen).

VA0a30b30s3VA0a20b20s2VA0a10b10s1VA0a00b00s00c4c₀ = 0

Alle Eingänge stehen auf 0: 0000 + 0000 = 0000.

Tippe auf die Bits von A und B. Die Überträge laufen von rechts nach links durch die vier Volladdierer (VA).

Probiere $1111_2 + 0001_2$ aus: Der Übertrag läuft durch alle vier Stellen bis ganz nach links. Das kostet in echter Hardware Zeit, weil jede Stelle auf ihren Vorgänger warten muss. Schnelle Prozessoren berechnen die Überträge deshalb mit zusätzlichen Schaltungen im Voraus.

Überlauf

Mit 4 Bit lassen sich nur die Zahlen 0 bis 15 darstellen. Ist die Summe 16 oder größer, wird der letzte Übertrag $c_4 = 1$. Wird er nicht gespeichert, zeigt der Addierer nur die letzten vier Stellen an – zum Beispiel $9 + 8 = 17 = 10001_2$, angezeigt wird aber $0001_2 = 1$. Das nennt man Überlauf.

Schriftlich addieren im Dualsystem

Von Hand rechnest Du genauso wie die Schaltung: Stelle für Stelle von rechts nach links, und jeden Übertrag schreibst Du klein über die nächste Stelle.

Beispiel: $1101_2 + 0111_2$

Übertrag1111
1101
+0111
Summe10100

Ganz rechts: $1 + 1 = 10_2$, also 0 schreiben und 1 übertragen. Zweite Stelle: $0 + 1 + 1 = 10_2$ – wieder 0, Übertrag 1. Dritte Stelle: $1 + 1 + 1 = 11_2$ – jetzt 1 schreiben und 1 übertragen. Vierte Stelle: $1 + 0 + 1 = 10_2$, und der letzte Übertrag rückt nach vorne.

Ergebnis: $10100_2$. Probe im Zehnersystem: $13 + 7 = 20 = 16 + 4$ ✓

Wie Du Dualzahlen umrechnest und warum $1 + 1 = 10_2$ ist, erklärt die Seite Zahlensysteme.

Typische Fehler

  • Beim Halbaddierer für die Summe ein ODER statt XOR nehmen: Dann käme bei $1 + 1$ als Summe 1 heraus statt 0.
  • Bei drei Einsen ($1 + 1 + 1$) nur 0 schreiben: Richtig ist $11_2$ – eine 1 bleibt stehen, eine wird übertragen.
  • Den Übertrag in die falsche Richtung weitergeben: Er wandert immer zur nächsthöheren Stelle, also nach links.
  • Beim 4-Bit-Addierer den Überlauf übersehen: Ist $c_4 = 1$, stimmt die Anzeige nicht mehr mit der wahren Summe überein.

Online üben

Stufe 1: Ausgänge von Gattern und Addierern. Stufe 2: Dualzahlen schriftlich addieren. Stufe 3: 4-Bit-Addierer, Überlauf und Überträge zählen.

Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Neue Aufgaben

Stufe 1: Gatter und Addierer

  1. Aufgabe 1
    Halbaddierer: \(A = 1,\) \(B = 1.\) Summe S und Übertrag C?
    \(S; C\)
    \(S = A \text{ XOR } B = 0,\ C = A \land B = 1\)
  2. Aufgabe 2
    Welches Gatter liefert beim Halbaddierer den Ausgang Übertrag C? (XOR, UND oder ODER)
    \(\text{UND}\)
  3. Aufgabe 3
    Welches Gatter liefert beim Halbaddierer den Ausgang Summe S? (XOR, UND oder ODER)
    \(\text{XOR}\)
  4. Aufgabe 4
    Volladdierer: \(A = 1,\) \(B = 1,\) \(C_{in} = 1.\) S und \(C_{out}?\)
    \(S; C_out\)
    \(1 + 1 + 1 = 3 = 11_2\ \Rightarrow\ S = 1,\ C_{out} = 1\)
  5. Aufgabe 5
    Volladdierer: \(A = 0,\) \(B = 1,\) \(C_{in} = 0.\) S und \(C_{out}?\)
    \(S; C_out\)
    \(0 + 1 + 0 = 1 = 01_2\ \Rightarrow\ S = 1,\ C_{out} = 0\)
  6. Aufgabe 6
    Volladdierer: \(A = 1,\) \(B = 1,\) \(C_{in} = 0.\) S und \(C_{out}?\)
    \(S; C_out\)
    \(1 + 1 + 0 = 2 = 10_2\ \Rightarrow\ S = 0,\ C_{out} = 1\)

Tippe Deine Lösung ein und klicke auf „Prüfen“ (oder drücke Enter). Brüche als 3/4, Dezimalzahlen mit Komma, mehrere Lösungen mit ; trennen, Potenzen als x^2, Wurzeln als sqrt(5). Punkte: 10 für richtig beim ersten Versuch, 6 nach einem Fehlversuch, 5 mit Tipp, 0 wenn Du Dir vorher die Lösung anschaust. Deine Punkte und Abzeichen siehst Du unter Mein Training.

Arbeitsblatt: Halbaddierer, Volladdierer und Dualaddition

Eine volle DIN-A4-Seite Aufgaben mit Lösungsblatt zum Ausdrucken – bei jedem Klick neue Aufgaben. Klasse 11–13.

Schwierigkeit

Weiterlesen: Halbaddierer, Volladdierer, Carry-Ripple-Addierer bei Wikipedia

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