von-Neumann-Rechner

Die grundsätzliche Aufbau von heutigen sequentiellen Computern geht auf Arbeiten von John von Neumann zurück. Er veröffentlichte erstmals 1946 zusammen mit Arthur W. Burks und Herman H. Goldstine in der Schrift ,,Prelimary discussion of the logical design of an electronic computing instrument`` den prinzipiellen Aufbau. Eine Beschreibung ist in [von Neumann 1946] und [Taub 1961] zu finden.

Das von Neumannsche Rechnermodell beschreibt ein Datenverarbeitungs-System, das in seiner Struktur unabhängig von den zu bearbeitenden Problemen ist. Prinzipiell lassen sich mit diesem Modell sämtliche berechenbaren Probleme lösen.

Abbildung 2.21: von-Neumann-Rechner

Die Rechnerarchitektur nach John von Neumann besteht aus vier Basiskomponenten:

Komponente 1:

Die Kontrolleinheit, auch Leitwerk genannt, ist Teil des Hauptprozessors. Sie dient zur sequentiellen Steuerung des Anweisungsstroms. Hierdurch übernimmt sie die Steuerung des Rechners. Die verschlüsselten Anweisungen werden von der Kontrolleinheit aus dem Speicher geholt, entschlüsselt und der Rest der Rechners entsprechend instruiert.

Komponente 2:

Das Rechenwerk dient der Abarbeitung arithmetischer, logischer und transformierender Operationen. Die Rechenoperationen werden von der ALU (arithmetic logical unit) realisiert. Sie stellt ein Schaltnetz dar, bei dem der binäre Ergebniswert nicht nur von den Eingangswerten, sondern zusätzlich von internen Zuständen abhängt. Ein Schaltwerk hängt nur von den Eingaben ab. Es ist die Realisierung einer Schaltfunktion, die jeder der möglichen Wertekombinationen der booleschen Variablen einen booleschen Wert zuordnet.

Komponente 3:

Das Speicherwerk, das auch Hauptspeicher bzw. interner Speicher genannt wird, hat die Aufgabe, Programme und Daten, mit denen aktuell gearbeitet wird, zu speichern. Auf jede Speicherzelle muss ein gleich schneller, direkter Zugriff möglich sein. Deshalb wird der Hauptspeicher auch als RAM bezeichnet. Die Auswahl einer Informationseinheit im Zentralspeicher (Speicherwerk) erfolgt über eine dem Speicherplatz zugeordnete eindeutige Adresse. Unterteilt ist das Speicherwerk in jeweils gleichlang Teile, die Worte genannt werden.

Komponente 4:

Die Ein- und Ausgabeeinheit verbindet die Zentraleinheit mit peripheren Geräten, wie z.B. Festplatten, Bildschirm oder Tastatur. Das Ein-/Ausgaberegister im von Neumann'schen Rechnermodell übernimmt das Zwischenspeichern von Adressen und Daten.

Die Komponenten eines Rechners werden über ein Leitung, den Bus, verbunden. Der Bus ist in mehrere Teile geteilt: Der Adressbus überträgt Adressen und der Datenbus Daten zwischen den verschiedenen Komponenten des Rechners. Der Steuerbus überträgt die zur Steuerung notwendigen Signale und Rückmeldungen zwischen Kontrolleinheit und den restlichen Komponenten.