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von Neumann-Architektur

In den ersten Rechnern, z.B. Konrad Zuses Z3 oder der ENIAC, waren die Programme auf Lochstreifen gespeichert oder durch Kabelverbindungen oder Schalter fest verdrahtet. Diese Art der Programmierung war unflexibel und fehleranfällig. Daher erdachte der Mathematiker John von Neumann 1946 die "von Neumann-Architektur", ein Referenzmodell für Computer, das bis heute verwendet wird. Im Zentrum steht die Idee, die Programme im Arbeitsspeicher des Rechners zu speichern, sodass sie mit wenig Aufwand gegen andere Programme ausgetauscht werden können.

Komponenten eines von-Neumann-Rechners

  • Prozessor (Central Processing Unit), bestehend aus
    • Rechenwerk (Arithmetic Logic Unit)
      Es führt Rechenoperationen (Plus, Minus, Mal, …) und logische Operationen (Und, Oder, Nicht, …) aus.
    • Steuerwerk (Control Unit)
      interpretiert die Anweisungen des Programms und steuert das Ein-/Ausgabewerk, das Rechenwerk und die Arbeitsspeicher entsprechend der aktuellen Anweisung;
      Regelt den Datenfluss im Prozessor und auch die Befehlsabfolge.
  • Bussystem
    Ein Bus ist eine Menge paralleler Leitungen, an denen alle Komponenten des von-Neumann-Rechners angeschlossen sind und über die sie Daten austauschen. Man unterscheidet zwischen
    • Datenbus: Über ihn werden die Daten zwischen den Komponenten übertragen. Auch die jeweils nächste Programmanweisung wird über den Datenbus vom Arbeitsspeicher zum Prozessor übertragen.
    • Adressbus: An ihn legt der Prozessor bspw. die Adresse der Speicherzelle des Arbeitsspeichers, aus der er lesen/in die er schreiben möchte.
    • Steuerbus: Er überträgt Steuersignale (z.B. den Systemtakt, ob gerade gelesen/geschrieben wird, Interruptsignale der Komponenten an den Prozessor usw.)
  • Speicher (Memory): Speichert sowohl Programme als auch Daten und ist für das Rechenwerk und das Steuerwerk zugänglich.
  • Ein- und Ausgabeeinheit (I/O Unit): steuert die Eingabe und Ausgabe von Daten zum Anwender (z.B. Maus/Tastatur/Bildschirm) und zu anderen Systemen (Schnittstellen).

von-Neumann-Prinzipien

  1. Ein Rechner besteht aus den oben genannten Komponenten.
  2. Programme sind Folgen von Anweisungen. Sie werden von außen geladen und im Arbeitsspeicher gespeichert.
  3. Der Arbeitsspeicher ist in Zellen gleicher Größe unterteilt, die fortlaufende Adressen besitzen.
  4. Anweisungen einer Sequenz liegen im Arbeitsspeicher direkt hintereinander.
  5. Von der sequenziellen Ausführung der Anweisungen kann durch Sprungbefehle abgewichen werden.
  6. Die elementaren Speicherbauteile kennen nur zwei Zustände "ein" und "aus". Daher werden Befehle und Daten üblicherweise binär kodiert.