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"Klassische" Rechnerarchitektur
Die meisten Computer, die heute verwendet werden, sind nach dem
Konzept organisiert, das John v. Neumann (zusammen mit Burks und Goldstine) in den Jahren 1944-1947 entwickelt hat:
 problemunabhängige Struktur
Universalrechner mit interner Programmspeicherung
v. Neumann-Architektur
( "klassischer" Rechner) Der v.Neumann-Rechner besteht aus 4 Funktionsgruppen:  - Speicher, der sowohl Programmbefehle als auch Daten aufnimmt (Hauptspeicher, Arbeitsspeicher, Main Memory). Die Daten/Befehle liegen binär verschlüsselt, also als 0/1-Folgen vor. Prinzipiell besteht kein Unterschied zwischen Daten und Befehlen. Unterteilung in Speicherplätze (Speicherzellen, Speicherworte), die über Adressen angesprochen werden.
- Steuerwerk, Leitwerk (Befehlsprozessor), das den Programmablauf steuert. Die Befehle werden interpretiert und deren Ausführung veranlasst, gesteuert und überwacht.
- Rechenwerk (Datenprozessor), das die zu bearbeitenden Daten verknüpft und verändert. Leitwerk und Rechenwerk bilden die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU, Prozessor).
- Ein- und Ausgabewerk (E/A-Prozessoren), welche die Schnittstelle
zur Außenwelt (Peripherie) bilden. Zusammen mit den
E/A-Geräten besorgen sie die Kommunikation mit der realen Umwelt.
Der Informationsaustausch (Steuersignale, Daten/Befehle,
Adressen) zwischen diesen Funktionsgruppen erfolgt über
interne Datenwege. Diese können realisiert werden als direkte
Verbindung der einzelnen Funktionsgruppen oder als gemeinsame
Datenschiene Busstruktur. Bei Mikros und Minis (z. B.
Workstation, PC) wird im allgemeinen die Busstruktur verwendet.
Die Funktionsgruppen Speicher, Leitwerk, Rechenwerk, E/A-Werk
bilden zusammen mit den Verbindungswegen die Zentraleinheit
(ZE, CU, CPU) eines Computers. Die ZE wird häufig schon als
"Computer" bezeichnet. Zu einer vollständigen DVS
gehören jedoch noch die Peripheriegeräte. Dies
sind:
- Dateneingabe-Geräte
Lochkartenleser, Lochstreifenleser, Belegleser, Messfühler
(Sensoren), Messgeräte, A/D-Wandler, Digitalisierer
- Datenausgabe-Geräte
Lochkarten-Stanzer, Lochstreifen-Stanzer, Drucker, Plotter,
D/A-Wandler, Stellglieder
- Kommunikations- (Dialog-) Geräte
Tastenfeld, Datensichtgerät (Terminal), Modem, Maus,
Lichtgriffel, Sprach-E/A
- externe Speicher
Magnet-Trommel, Magnet-Band, Magnet-Platte, optische Platte
Operationsprinzip
Die CPU kann nur elementare, (fest verdrahtete) Befehle
verarbeiten ( Maschinenbefehle). Jedes Programm besteht also
aus einer Folge elementarer Befehle. Da im Speicher nicht zwischen
Daten und Befehlen unterschieden wird, muss das Leitwerk
entscheiden, ob der Inhalt einer Speicherzelle als Befehl oder
Datum aufzufassen ist. Es gibt somit zwei Zustände des
Rechners: Befehl holen (Interpretieren als Befehl) und Befehl
ausführen (Interpretation als Datum). Entsprechend gibt es
zwei Phasen der Programmabarbeitung:
- 1. Phase:
Der (durch den sogenannten Befehlszähler) referierte
Speicherplatzinhalt wird geholt und als Befehl interpretiert
(Befehlsholphase, instruction fetch)
- 2. Phase:
Der Speicherplatzinhalt der durch den Befehl spezifizierten
Adresse wird geholt, als Datum interpretiert und dem Befehl
entsprechend verarbeitet (Befehlsausführungsphase, instruction
execution)
Dieses Zweiphasenschema erfordert eine streng sequentielle
Ausführung eines Programms, d.h. es sind zwar Sprünge
möglich, jedoch keine parallele Bearbeitung mehrerer Befehle.
Ein v. Neumann-Rechner bearbeitet zu jedem Zeitpunkt immer nur
einen Befehl, der immer eine Datenoperation im Rechenwerk bewirkt.
Typ SISD (single instruction, singel data)
Vorteile der v. Neumann-Architektur:
(Dies ist der Hauptgrund für ihre Langlebigkeit)
- Einfachheit (übersichtlich, minimaler HW-Aufwand)
- maximale Flexibilität (bei genügend elementaren Befehlen)
Nachteile der v. Neumann-Architektur:
- nur ein Prozessor
- nur ein Verbindungsweg zwischen CPU und Speicher (zwischen CPU
und Speicher wird immer nur ein Wort transportiert)
- sequentielle Verarbeitung von Befehl und Datum v.
Neumann-Flaschenhals
Durch neue Rechnerarchitekturen kann man die Nachteile des v.
Neumann-Rechners beseitigen, was aber erst durch die
stürmische Entwicklung auf dem Hardware-Sektor (sinkende
Preise, höhere Integrationsdichte, schnellere Chips,
höhere Zuverlässigkeit der Komponenten) möglich
wurde. Die neuen Architekturen werden (jedenfalls zur Zeit) den v.
Neumann-Rechner nicht ablösen, sondern nur in den Gebieten
sinnvoll ergänzen, in denen sie wirkliche Vorteile bringen.
Ein Weg ist z.B. der RISC (Reduced Instruction Set Computer), der
durch den vereinfachten Befehlssatz wesentlich schneller arbeitet.
Ein Teil der neuen Architekturen ist bereits in kommerziell
vertriebenen DVS vorhanden, ein Teil befindet sich im
Experimentierstadium und ein letzter Teil ist noch in der
Entwicklungsphase.
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