Computer-Architektur

Das Funktionsprinzip eines Computers wurde vom ungarischen Mathematiker John von Neumann entwickelt. Zwar hat sich die praktische Ausprägung im Laufe der Zeit und der technischen Weiterentwicklung immer mal wieder verändert. Aber die grundsätzliche Architektur ist die gleiche geblieben.

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)

Im Von-Neumann-Rechner werden die wichtigsten Einheiten Rechenwerk und Steuerwerk in der eigentlichen Verarbeitungseinheit, dem Prozessor (Central Processing 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 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 ausgeführt 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 im Vergleich zum Von-Neumann-Rechner um einige wichtige System-Komponenten erweitert. Daher die Bezeichnung "erweiterte Architektur". Sie ist von der Darstellung eines Computers näher an der Realität dran.

Hauptprozessor / CPU - Central Processing Unit

Der Hauptprozessor (CPU) ist das zentrale Element eines Computers. Er ist die wichtigste Komponente, die für die Verarbeitung von Informationen verantwortlich ist. Der Hauptprozessor steuert die Abläufe der Informationsverarbeitung. Dazu ruft er nacheinander die Befehle aus dem Speicher ab und führt die entsprechenden Verarbeitungen durch.

• Prozessor / CPU - Central Processing Unit

Taktgeber

Der Taktgeber erzeugt in einem Computer einen Systemtakt. Der Systemtakt dient zur Steuerung und Synchronisation des Datenflusses innerhalb eines Computersystems. Am Systemtakt richtigen sich die einzelnen Komponenten aus, um die Gültigkeit von Signalen zu einem bestimmten Zeitpunkt oder innerhalb eines bestimmten Zeitraums annehmen zu können.

• Taktgeber

Systembus

Der Systembus ist eine Leitungsanordnung deren Belegung und Signalpegel definiert sind. Daran werden verschiedene Komponenten angeschlossen, die darüber untereinander oder mit dem Hauptprozessor 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.

• Systembus

Ein- und Ausgabeeinheit (I/O-Einheit)

Die Ein- und Ausgabeeinheit kümmert sich darum, dass Geräte und Komponenten, die nicht direkt mit der Verarbeitung von Daten zuständig sind, mit dem Hauptprozessor Daten austauschen können.
Geräte, die an der Ein- und Ausgabeeinheit angeschlossen sind, werden als Peripherie bezeichnet. Das sind zum Beispiel Tastatur, Bildschirm, Maus, Drucker und Scanner. Prozessrechner-Peripherie sind z. B. Sensoren, Wandler, Endstufen und Stellglieder.

• Maus
• Tastatur
• Bildschirm / Monitor
• Drucker
• Scanner

Festplatten und Wechselspeicher-Laufwerke 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.

• Datenspeicher
• Speicherarchitektur
• USB-Stick
• Speicherkarten
• Festplatte
• SSD - Solid State Drive
• CD-ROM
• DVD
• Blu-ray Disc
• Flash-Speicher

Beispiel: System-Architektur eines DVD-Players

Übersicht: Bestandteile der Computer-Architektur

• Stromversorgung (Netzteil)
• Taktgeber
• Hauptprozessor
• Mainboard
• Systembus
• Bussysteme (z. B. PCI, PCIe)
• Arbeitsspeicher (RAM, DRAM, SDRAM)
• Datenspeicher (z. B. Festplatte, CD-ROM, DVD)
• Eingabegeräte (z. B. Maus, Tastatur, Scanner)
• Ausgabegeräte (z. B. Bildschirm, Drucker)

Weitere verwandte Themen:

• Grundlagen Computertechnik
• Computer
• Geschichte der Computertechnik
• PC - Personal Computer
• Schichtenmodell in der Computertechnik

Computertechnik-Fibel

Alles was du über Computertechnik wissen musst.

Die Computertechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Computertechnik, Prozessortechnik, Halbleiterspeicher, Schnittstellen, Datenspeicher, Laufwerke und wichtige Hardware-Komponenten.

Das will ich haben!

Computertechnik-Fibel

Alles was du über Computertechnik wissen musst.

Die Computertechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Computertechnik, Prozessortechnik, Halbleiterspeicher, Schnittstellen, Datenspeicher, Laufwerke und wichtige Hardware-Komponenten.

Das will ich haben!