Merkmale und Komponenten der von Neumann - Rechnerarchitektur

Zentrale Recheneinheit / Central Processing Unit

• Die Zentrale Recheneinheit oder CPU stellt das "Gehirn" im System dar. Sie besteht aus Recheneinheit und Steuereinheit.
  Ein geschicktes Zusammenspiel der Steuereinheit mit der Recheneinheit sorgt dafür, daß nacheinander die Befehle geholt und dann ausgeführt werden.
  Für arithmetische Operationen, wie z.B. der Addition, oder logische Operationen, wie z.B. AND und NOT, ist die Recheneinheit zuständig.
  Die Recheneinheit hat eine feste Verarbeitungsbreite, z.B. 8, 16, 32 oder 64 Bit. Man spricht dann von einem 8, 16, 32 oder 64-Bit System.

• Recheneinheit oder ALU
  Die Aufgabe der Recheneinheit besteht in der Bearbeitung der Daten, besonders dem Ausführen von arithmetischen und logischen Operationen.
  
  
• Steuereinheit
  Zur wichtigsten Aufgabe der Steuereinheit gehört die Koordination der zeitlichen Abläufe im Rechner. Dazu muss die Steuereinheit die Befehle aus dem Speicher holen, entschlüsseln und deren Ausführung steuern. Die Steuereinheit besteht aus Befehlsregister, Befehlsdecoder, Speicheradressregister und Befehlszähler.
  

1. Im Befehlsregister (IR=Instruction Register) befindet sich jeweils der aktuell zu bearbeitende Befehl. Das Befehlsregister ist ein spezielles CPU-Register, das vom Anwender nicht adressierbar ist.

2. Der Befehlsdecoder entschlüsselt den Befehl und erzeugt die zur Ausführung notwendigen Hardware-Steuersignale

3. Im Speicheradressregister (MAR=Memory Adress Register) steht

   • die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls oder

   • die Adresse eines Datenwortes, falls zur Ausführung eines Befehls ein Datenwort vom Speicher geholt bzw. in den Speicher gebracht werden muss

4. Der Befehlszähler (PC=Program Counter) übernimmt den Wert des Speicheradressregisters und erhöht ihn entsprechend der Befehlslänge.
   Bei einem linearen Befehlsablauf kann das Speicheradressregister diesen Wert als Adresse für den folgenden Befehl übernehmen; bei einem Sprung ist die neue Adresse im Befehl selbst angegeben.
   
   

Speicher

• Der Speicher eines von Neumann Rechners besteht aus einer Vielzahl von Speicherzellen. Jede Speicherzelle kann ein Bit speichern.
  Man faßt jeweils mehrere Zellen zu einer Speicherzeile oder einem Speicherwort zusammen (z.B. bei einem 32-Bit System ergeben 32 Bit ein Speicherwort)
  
  
• Um ein Speicherwort in einem Speicher ablegen und auch wiederfinden zu können, zählt man die Speicherplätze vom Speicheranfang bis zum Ende durch, und zwar byteweise. Diese Zahlen nennt man Adressen.
  Man braucht also so viele Adressen, wie der Speicher Bytes enthält.
  
  

Interne Datenwege / Busse

• Innerhalb eines von Neumann-Rechners entstehen Daten in verschiedenen Hardware-Komponenten und werden dann in anderen Komponenten benötigt. Der Transport dieser Daten erfolgt auf den sog. internen Datenwegen. Diese wollen wir im Folgenden näher betrachten.
  
  
• Die wichtigsten Busse sind 1) der Datenbus, 2) der Adressbus und 3) der Steuerbus
  
  
  1. Der Datenbus wird normalerweise parallel übertragen, d.h. bei einem 32-Bit System besteht der Datenbus aus 32-Leitungen.
     Der Datenbus überträgt die Daten, die über den Adressbus angefordert werden.
     
     
  2. Der Adressbus besteht aus den Adressleitungen, deren Anzahl vom Adressbereich der CPU abhängt.
     Ein typischer Wert sind heute 32-Leitungen, um mit 32 Bit bis zu 4 GByte adressieren zu können.
     Über den Adressbus werden nur Adressen übertragen
     
     
  3. Der Steuerbus ist der Teil des Bussystems, welcher die Steuerung des Busses bewerkstelligt.
     Hierzu zählen unter anderem die Leitungen für die Interrupt-Steuerung, Buszugriffssteuerung, der Taktung (falls ein Bustakt erforderlich ist), Reset- und Statusleitungen.
     
     
     

Ein-/Ausgabeeinheit

• Eingabe-/Ausgabewerk steht im Konzept des Von-Neumann-Rechners für alle die Komponenten, die den Computer mit "draußen" verbindet.

• "Draußen" bedeutet dabei nicht „außerhalb des Gehäuses", sondern "nicht mehr zu dem eigentlichen, universellen Von Neumann Rechner-Konzept gehörend".

• In einem modernen PC verkörpert

  • der Prozessor das Rechenwerk und die Steuereinheit,
  • die Northbridge mit dem RAM den Speicher bzw. das Speicherwerk und
  • der Rest, angefangen mit der Southbridge bilden das Eingabe-/Ausgabewerk.
  
  
• Eine Grafikkarte, für die allermeisten Rechner notwendiges Bauteil zur Kommunikation mit dem Benutzer, ist bereits "draußen" – und heutzutage bereits ein spezialisierter Rechner für sich.
  
  
• Zu dem Ein-/Ausgabewerk gehören also z.B. der PCI-Bus für Einsteckkarten ebenso wie die verschiedenen Schnittstellen für Peripheriegeräte und Festplatten.