Computer-Architektur

Das Funktionsprinzip eines Computers wurde vom ungarischen Mathematiker John von Neumann entwickelt. Die Architektur des Von-Neumann-Rechners besteht aus vier Funktionseinheiten:

  • Rechenwerk (ALU, Arithmetical Logical Unit)
  • Steuerwerk (CU, Control Unit)
  • Speicherwerk (Memory)
  • Ein-/Ausgabewerk (I/O-Unit)

Von-Neumann-Rechner
Im Von-Neumann-Rechner werden die wichtigsten Einheiten Rechenwerk (ALU) und Steuerwerk (CU) in der eigentlichen Verarbeitungseinheit, dem Prozessor (Central Prozessing Unit, CPU), vereint. Die CPU übernimmt die Ausführung der Befehle und die Ablaufsteuerung. Die Befehle werden nacheinander, Schritt für Schritt, ausgeführt. Die Befehle und Daten werden vom Steuerwerk aus dem Speicher (Memory) geholt.
Die Verbindung zwischen Prozessor, Speicherwerk und Ein-/Ausgabewerk bezeichnet man als Bus-System, der im eigentlichen Von-Neumann-Rechner unerwähnt bleibt, aber in der Praxis eine wichtige Rolle spielt. Im Von-Neumann-Rechner werden alle Instruktionen und Daten über das Bus-System geführt. Hier kann es schnell zu Engpässen kommen, wenn Daten aus dem Speicher geladen werden und gleichzeitig neue Instruktionen geladen werden müssten, um das Rechenwerk optimal auszulasten. Man spricht deshalb auch vom "Von-Neumannschen-Flaschenhals".

Obwohl der Von-Neumann-Rechner ein sehr einfaches Modell eines Computers ist, basieren alle modernen Computer auf diesem einfachen Prinzip.

Erweiterte Architektur

Die erweiterte Computer-Architektur ist ein sehr einfaches Modell. Es ist aus dem EVA-Prinzip abgeleitet. Im Vergleich zum Von-Neumann-Rechner wurde diese Darstellung um einige wichtige System-Komponenten erweitert. Daher die Bezeichnung "erweiterte Architektur". Sie ist von der Darstellung eines Computers näher an der Realität dran.
Prinzipschaltbild eines Mikrocomputers

Hauptprozessor (CPU, Central Prozessing Unit)

Der Hauptprozessor (CPU) ist das zentrale Element eines Computers. Der Hauptprozessor ist die Funktionseinheit in einem Computer, die die eigentliche Verarbeitungsleistung erbringt. Er ist für die Informationsverarbeitung und die Steuerung der Verarbeitungsabläufe zuständig. Dazu holt sich der Hauptprozessor aus dem Speicher nacheinander die Befehle und veranlasst die Informationsverarbeitung.

Taktgeber

Der Taktgeber schaltet das ganze System gleich. Der Systemtakt wird zentral vom Taktgeber erzeugt und mit verschiedenen Multiplikatoren auf verschiedene Taktgeschwindigkeiten hochgetaktet. Darunter auch die des Hauptprozessors und Systembusses.

Systembus (Bussystem)

Der Systembus ist eine Leitungsanordnung deren Belegung und Signalpegel definiert sind. Daran werden verschiedene Komponenten angeschlossen, die darüber untereinander oder mit dem Prozessor Daten austauschen können.
Computer-Systeme verfügen in der Regel über mehrere unterschiedliche Bussysteme, über die alle Komponenten irgendwie miteinander verbunden sind. Ein einfaches Bussystem umfasst einen Adressbus, einen Datenbus und Steuerleitungen.

Ein- und Ausgabeeinheit (I/O-Einheit)

Geräte, die an der Ein- und Ausgabeeinheit angeschlossen sind, werden als Peripherie bezeichnet. Die PC-Peripherie ist z. B. die Tastatur, Bildschirm, Maus, Drucker und Scanner. Prozessrechner-Peripherie sind z. B. Sensoren, Wandler, Endstufen und Stellglieder.

Festplatten und Wechselspeicherlaufwerke zählen nicht zu den typischen Ein- und Ausgabeeinheiten. Sie zählen zu den Datenspeichern.

Datenspeicher

Datenspeicher sind Komponenten, die Programme und Daten dauerhaft speichern können. Dazu gehören Festplatten, Wechselspeicher und die dazugehörigen Laufwerke, sowie Halbleiterspeicher, die ihre Daten auch ohne Energieversorgung speichern können.

Beispiel: System-Architektur eines DVD-Players

Beispiel: System-Architektur eines DVD-Players

Übersicht: Bestandteile der Computer-Architektur

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