Von neumann rechner
Kurzer Aufbau
Speicherwerk
das Daten und Programme gleichermaßen intern zwischenspeichert
Rechenwerk
das Daten aus dem Speicherwerk miteinander verknüpft und sie in den Speicher zurückschreibt
Ein-/Ausgabewerk
das Daten von außen aufnimmt oder nach außen hin abgibt und die Umwandlung in die interne Darstellung vornimmt
Steuer - oder Leitwerk
das Daten aus dem Speicherwerk als Befehle interpretiert und über Steuerleitungen das Speicherwerk, das Rechenwerk und das Ein-/ Ausgabewerk kontrolliert
Gemeinsamkeiten mit heutigen Rechnerstrukturen
1. Struktur des Computers:
Die (physikalische) Struktur des elektronischen Computers ist problemunabhängig, d. h., um verschiedene Aufgaben zu bearbeiten, braucht keine Leitung verändert oder umgebaut zu werden. Alle Veränderungen
geschehen in Form veränderter Daten und Programme im Speicherwerk.
2.
Speicherwerk:
Im Speicherwerk oder kurz auch
"Speicher"
sind Daten und Programme in digitaler binärer Form als Folgen von Nullen und Einsen (Bits) dargestellt. Daten und Programme werden nicht unterschieden. Das Steuerwerk stellt fest, ob ein aus dem Speicher geladenes Wort einen Programm befehl oder ein Datenwort darstellt. Eine Folge dieser Nicht Unterscheidbarkeit ist die Möglichkeit, Befehlswörter genauso wie Datenwörter verändern zu können. Programme können sich auf diese Weise selbst verändern.
3.
Programme:
Programme sind Gruppen von Ausführungs befehlen, die im Speicher an aufeinanderfolgenden Adressen stehen. Der Normalfall ist, dass ein Befehl nach dem anderen abgearbeitet wird. Im Unterschied zu den technischen Einrichtungen des elektronischen Computers der Hardware bezeichnet man die Programme als Software Kennzeichnend für heutige Programme sind die sog bedingten Sprungbefehle deren Erfindung auf von Neumann zurück geht. Mit solchen Befehlen kann - abhängig vom Ergebnis einer Rechnung - in einem Programm verzweigt werden. Dazu meldet das Rechenwerk über Steuerleitungen an das Steuerwerk zurück, ob das Ergebnis einer Rechnung bestimmte vom Programm vorgegebene Bedingungen erfüllt. Solche Bedingungen können z.
B. Abfragen danach sein, ob das Ergebnis Null ist oder eine bestimmte Grenze überschreitet
Mirkrocomputer
in modernen Mikrocomputern erfüllen digitalelektronische Schaltungen die Aufgaben der einzelnen Computerkomponenten einer Rechenanlage nach von Neumann. Das Rechenwerk und das Steuerwerk sind in einem Mikrocomputer zu einem einzigen Baustein zusammengefasst: dem Mikroprozessor Der Mikroprozessor wird auch häufig mit "MPU" (micro processor unit) oder "CPU" (central processor unit) bezeichnet. zeigt die innere Struktur eines Mikrocomputers.
5.3.
1 Speicher
Um Daten im Speicher gezielt ansprechen und wiederauffinden zu können, erhalten die Speicherstellen im Speicherwerk Nummern, sogenannte Adressen. Über ihre Adresse ist jede Speicherstelle einwandfrei identifizierbar und unabhängig von allen anderen Speicherstellen ansprechbar. Um auf eine Speicherstelle zuzugreifen, teilt das Steuerwerk dem Speicherwerk über
den Adressbus (s. weiter unten) die Adresse der angesprochenen Speicherstelle mit. Auf diese Weise ist jede Speicherstelle jederzeit ansprechbar. Man spricht deshalb von Speichern mit wahlfreiem Zugriff.
Um eine Speicherstelle auf Speichermedien wie Disketten oder Magnetbändern gezielt ansprechen zu können, muss hier erst der Schreib/Lesekopf über der entsprechenden Stelle des Mediums positioniert werden. Dies ist meist nur für einige Stellen auf dem Medium, wie Sektorenanfänge und andere Anfänge
von Speicherblöcken möglich. Direkten Zugriff hat man dann nur auf aufeinanderfolgende Speicherstellen. In der Regel muss der ganze Sektor oder Speicherblock eingelesen und nach der angesprochenen Speicherstelle durchsucht werden. Im Gegensatz zum wahlfreien Zugriff spricht man deshalb hier von sequentiellem Zugriff. Einzelne Gruppen von Bits sind zu Worten zusammengefasst.
Der Computer verarbeitet Worte, d. h. Gruppen von Bits. Als Wortlängen haben sich 8, 16, 32, 64 Bit eingebürgert. Auch bei Computern, in denen der Mikroprozessor mit größeren Wortlängen arbeitet, kann der Speicher fast immer byteweise (8 Bit-weise) adressiert werden. Das interne Speicherwerk eines Mikrocomputers nennt man Haupt oder Arbeitsspeicher oder auch Zentralspeicher.
Es gibt Hauptspeicher aus welchen nur gelesen werden kann (ROM = read only memory) und Hauptspeicher in die auch geschrieben werden kann (RAM = random access memory). Die Bezeichnung "Random Access Memory" steht für "Speicher mit wahlfreiem Zugriff". Tatsächlich kann aber auch auf ROM wahlfrei zugegriffen werden.
Ein- und Ausgabe
Die Aufgaben des Ein-/Ausgabewerkes übernehmen Ein/Ausgabeprozessoren, Mikroprozessoren die speziell für die Datenein- und -ausgabe konstruiert sind. Solche E/A Prozessoren werden auch als "I/O Controller" bezeichnet. I/O-Controller verarbeiten meist digitale, binäre elektrische Signale, die sie ausgeben und einlesen können.
Die den Signalen entsprechenden Bits sind wie in Speicherstellen zu Byteworten zusammengefasst und können wie eine normale Speicherstelle über eine Adresse angesprochen werden. Im Gegensatz zu einer normalen Speicherstelle spricht man dann häufig von einer I/O-Adresse . Eine solche Ein-/ Ausgabe-Speicherstelle kann sowohl vom Peripheriegerät als auch vom Mikrocomputer gelesen und geschrieben werden. Bei der Datenausgabe schreibt der Mikrocomputer Daten in diese Speicherstelle und Peripheriegeräte lesen sie aus. Bei der Dateneingabe schreiben Peripheriegeräte in diese Speicherstelle und der Mikrocomputer liest sie aus
Busse
Die elektrischen Verbindungen zwischen dem Mikroprozessor, dem Hauptspeicher und den I/O-Contollern fasst man unter der Bezeichnung
"Bus" zusammen. Ein Bus ist ein Bündel von elektrischen Verbindungen zwischen den Komponenten des Mikrocomputers.
Je nach Funktion des Busses unterscheidet man den Datenbus, den Adressbus und den Steuerbus.
Datenbus: Ein Bündel von Leitungen entsprechend der Wortlänge des Computers bzw. Mikroprozessors, d. h. 8, 16, 32 oder mehr Bit, die parallel übertragen werden können und ganz wesentlich die Leistungsfähigkeit des Busses bestimmen.
Adressbus: Dieses Leitungsbündel erlaubt die Adressierung der angeschlossenen Komponenten, insbesondere der Speicher.
Mit n Leitungen lassen sich 2 n Adressen bilden. Es hat sich allgemein durchgesetzt, mit diesen 2 n Adressen nicht nur den Speicher, sondern auch alle angeschlossenen Geräte anzusprechen und so einen sehr homogenen Adressraum zu haben, d. h. alle angeschlossenen Geräte werden so angesprochen, als seien es Speicherplätze. Schreiben bedeutet die Ausgabe, lesen die Eingabe eines Wortes. Mit einem 16 Bit-Adressbus können 65536 verschiedene Adressen angesprochen werden.
Man sagt, es können 64 kB Speicher adressiert werden. Ist der Adressbus 20 Bit breit, so können schon 1 MB Speicher adressiert werden.
Steuerbus: Ein Leitungsbündel, das für unterschiedliche Aufgaben des Busbetriebs die Signale überträgt. Über die Steuerleitungen kommunizieren die einzelnen Komponenten des Mikrocomputers miteinander. Insbesondere dienen Steuersignale dazu zu regeln, wer, wann, was über den Datenbus oder den Adressbus sendet oder senden darf. Hierzu gehören z.
B. Die Signalleitungen R/W (Read/Write = Lese-, Schreibfreigabe) und DR (Data ready = Datenfreigabe), mit denen die CPU dem Zentralspeicher mitteilt, ob Daten gelesen oder geschrieben werden sollen und mit denen der Zentralspeicher antwortet, dass gültige Daten am Adressbus anliegen.
Funktionsweise eines Mikrocomputers
Das Herzstück des Mikrocomputers bildet der Mikroprozessor, die CPU. Von hier aus werden alle Abläufe im Mikrocomputer gesteuert. Bei nach der von Neumann-Architektur aufgebauten Computern stehen zu verarbeitende Daten und Programmbefehle im Speicherwerk (evtl. werden zu verarbeitende Daten von I/O-Speicherstellen gelesen).
Jeder Programmbefehl wird vom Mikroprozessor in einem sogenannten Befehlszyklus aus (mindestens) vier Schritten bearbeitet:
Ein Befehl wird in Form eines binären Datenwortes aus dem Speicher eingelesen.
Das binäre Datenwort wird als Befehl interpretiert (decodiert).
Der Befehl wird ausgeführt.
Das Ergebnis der Befehlsausführung wird abgespeichert.
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Probleme:
1.) Befehle und Daten stehen gleichzeitig (ungekennzeichnet im Hauptspeicher nebeneinander und nutzen gleichzeitig das Speicherinterface (Adress - Bus)
2.
) nur eine sequentielle Befehls Datenabarbeitung
3.) Nur ein Befehlszähler
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