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Von Neumann Architektur

von Christian Herta

Lernziele und Überblick

In dieser Lerneinheit lernen Sie,

  • den prinzipiellen Aufbau realer Computer kennen,
  • welche Komponenten ein Computer besitzt und ihre Aufgaben.

Im Gegensatz zur Turing Maschine (siehe Übung), die mehr ein theoretisches Modell darstellt, basieren reale, übliche Computer auf den Ideen der von Neumann Architektur, welche 1945 veröffentlicht wurden: First Draft of a Report on the EDVAC.

Aber es wird auch an anderen Ansätzen geforscht, die nicht auf den Prinzipien der von Neumann Architektur beruhen, wie beispielsweise Quantencomputer oder Biocomputer (basierend auf DNA oder neuronalen Schaltkreisen).

Begriffe

Für das weitere Verständnis werden die folgenden Begriffe (vorläufig) erklärt, genauere Definitionen folgen noch:
  • Befehl:
    Eine elementare Hardware-nahe Anweisung, wie ein Arbeitsschritt zu erfolgen hat.

  • Programm:
    Abfolge von Befehlen.

  • Speicher:
    Bereich innerhalb eines Rechnersystems, der zur Aufnahme, Aufbewahrung und Abgabe von Befehlen und Daten dient.

Prinzipien der von Neumann Architektur

Von Neumann formulierte die folgenden sieben Prinzipien (nach [Rechenberg-Pomberger]):

  • Der Rechner besteht aus 4 Werken:
    • Hauptspeicher für Programme und Daten.
    • Leitwerk, welches das Programm interpretiert.
    • Rechenwerk, welches arithmetische Operationen ausführt.
    • Ein- und Ausgabewerk zur Kommunikation mit der Umwelt.

  • Die Struktur des Computers ist unabhängig von dem zu lösenden Problem (Universitalitäts-Prinzip). Dies wird durch eine Programmsteuerung realisiert.

  • Programme und Daten stehen in demselben Speicher, der während des Programmablaufs verändert werden kann.

  • Der Hauptspeicher ist eingeteilt in Zellen gleicher Größe, welche durch fortlaufende Nummern (Adressen) bezeichnet werden.

  • Das Programm besteht aus einer Folge von Befehlen, welche nacheinander ausgeführt werden ( implizite Sequentialität)

  • Durch explizite Sprungbefehle kann von der sequentiellen Ausführung der Maschinenbefehle abgewichen werden. Die Sprünge sind dabei von gespeicherten Werten abhängig.

  • Die Maschine benutzt Binärcodes. Zahlen werden dual dargestellt..

In folgender Abbildung ist die von Neumann Maschine in ihrer Grundstruktur dargestellt.

vonNeumannArchitektur

Der Systembus verbindet dabei die entsprechenden Einheiten, über die Daten, Signale und Befehle übertragen werden. Eine ausführliche Beschreibung von Rechner-Bussen folgt noch.

Im Prozessor, der zentralen Einheit, sind Rechenwerk und Leitwerk untergebracht.

Hier sind auch Register untergebracht. Diese dienen zur kurzfristigen, schnellen Speicherung eines Datums (oder mehrerer).
In den Prozessorregistern können Daten (wie Adressen, Zahlen, Operationscode) kurzfristig gespeichert werden.

Das Ein- und Ausgabewerk dient zur Kommunikation mit der Umwelt. Hierüber werden die Eingangsdaten eingegeben und das Ergebnis der Berechnung erhalten.

Die Komponenten Speicher und Rechen- und Leitwerk werden in eigenen Lerneinheiten behandelt.

Ăœbung

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