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von Tino Hempel

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Richard-Wossidlo-Gymnasium Ribnitz-Damgarten
Fachbereich Informatik

John-von-Neumann-Architektur 

Analyse von Rechnern

Vergleicht man Rechenmaschinen miteinander, wie etwa Abakus, mechanischer Additionsapparat, Taschenrechner, LC-80, Z1013 und PC, so findet man erst im Computer die Maschine, die eine Vielzahl unterschiedlicher Probleme lösen kann. Die Problemlösung wird mit Hilfe von Programmen oder Algorithmen möglich. Dazu sind dem elektronisch arbeitenden Gerät Daten und Programm in den Speicher einzugeben, die wiederum binär codiert sein müssen. Diese Tatsachen sind uns so alltäglich geworden, dass wir nicht mehr groß darüber nachdenken müssen. In der Anfangszeit der Computer war das aber noch ganz anders.

von-Neumann-Prinzipien

John von Neumann1945 stellte der in die USA ausgewanderte Ungar John von Neumann in First Draft of a report on the EDVAC das Konzept für einen universellen, speicherprogrammierbaren Rechner vor. Dieses Konzept schlägt sich auch heute noch in den modernen Computern nieder.

Demnach gelten folgende Prinzipien (Quelle: Duden Informatik):

  1. Ein elektronisch arbeitender Rechner besteht stets aus:
Aufbau
  1. Ein Rechner ist universell einsetzbar und löst eine Vielzahl von Problemen. Dazu ist dem Gerät von außen ein Programm in den Speicher einzugeben.
  2. Im Speicher liegen Programme, Daten und Ergebnisse.
  3. Der Speicher besteht aus gleichgroßen, fortlaufend numerierten Zellen. Über die Nummer (Adresse) läßt sich die Speicherzelle direkt lesen oder schreiben.
  4. Ein Programm ist eine Folge von Anweisungen, das entsprechend seiner Abarbeitungsfolge hintereinander im Speicher steht. Sprungbefehle erlauben Abweichungen von der sequentiellen Abarbeitung der Befehle.
  5. Es gibt mindestens
  6. Alle Daten werden binär codiert. Dem Inhalt einer Speicherzelle kann man nicht ansehen, ob es sich um einen Befehl, ein Datum oder eine Adresse handelt.
Aufbau nach von Neumann

Befehlsabarbeitung

Befehle werden nach ihrer Länge unterschieden. So gibt es z. B. in 8-Bit-CPUs 1-, 2-, 3- und 4-Byte-Befehle. Diese bestehen stets aus einem Operationsteil der festlegt, was mit welchen Daten zu tun ist und ggf. aus ein oder zwei Operanden. 

Die Befehlsabarbeitung geschieht in drei Phasen:

  1. Befehlsholphase 
    Laden eines Befehls aus dem Speicher in das Steuerwerk
  2. Dekodierphase 
    Interpretation des Befehl im Steuerwerk
  3. Ausführungsphase 
    Ausführung des Befehls

In der Literatur wird ggf. zwischen der Dekodier- und Ausführungsphase eine weitere Phase eingebracht. Diese Operandenholephase dient dem Nachladen notwendiger Operanden.


Quellen:


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