Die Komponenten des von Neumann Rechners: Übersicht

Einordnung des Artikels

• Einführung in die Informatik
  • Rechnerarchitektur
    • Die Komponenten des von Neumann Rechners: Übersicht

Übersicht

Als die wichtigsten Komponenten des von Neumann Rechners wurden bereits identifiziert (sie sind in Abbildung 1 nochmal dargestellt):

1. Die CPU (Prozessor) mit den Bestandteilen:
   • Steuerwerk
   • ALU (Arithmetic Logic Unit = Rechenwerk)
   • Register
   • interner Bus
2. Hauptspeicher
3. Externe Geräte, insbesondere die Festplatte
4. Externer Bus

Abbildung 1: Darstellung der Komponenten des von Neumann Computers.

Diese Bauteile sollen nun näher vorgestellt werden; dabei werden diejenigen Grundlagen aus der Elektrotechnik behandelt, die zum Verständnis ihrer Arbeitsweise nötig sind.

Aufgabe:

Beschreiben Sie für alle Komponenten des von Neumann-Rechners, welche Funktion sie bei der Befehlsabarbeitung erfüllen!

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In diesem Kapitel werden vor allem elektrotechnische Grundlagen und Ergebnisse aus der Schaltungstechnik vorgestellt — die vielleicht den Eindruck erwecken, vom eigentlichen Thema weit abzuschweifen. Folgende Lernziele und Anwendungsmöglichkeiten sind damit verbunden:

1. Bisher wurde der von Neumann-Rechner in seiner groben Struktur besprochen. Über die interne Realisierung von logischen Operationen und Speichern wurde nicht mehr gesagt als dass in der ALU Boolesche Funktionen ausgeführt werden können. Dies reicht natürlich nicht, um zu verstehen, welche elementaren Operationen der Computer tatsächlich ausführt und wie komplex dann ihr Zusammenwirken ist.
2. Später soll eine Einführung in die Programmierung folgen, wobei konkrete Programmiersprachen erklärt werden. Die hier besprochenen Schaltungen werden dann ein besseres Verständnis dafür liefern, wie eine Programmiersprache auf elementare Befehle (Maschinensprache-Befehle) zurückgeführt wird. Und wer heute — trotz hoher Taktfrequenz und größer Speicher — schnelle Programme, die wenig Speicher benötigen, entwickeln muss, sollte diese unterste Ebene des Computers kennen und verstehen.
3. Viele Programme werden nicht als Software entwickelt sondern direkt in Hardware implementiert, das heißt es werden Schaltungen entwickelt, die bestimmte Abfolgen von logischen Operationen ausführen. Dabei werden natürlich genau die Bestandteile verwendet, die auch im Computer enthalten sind. (Zur Veranschaulichung: siehe Beispiel Auslösen von Warnsignalen in Die Komponenten des von Neumann Rechners: elektrotechnische Grundlagen.)

Methodische Hinweise

Gerade für Leser, die noch nie mit Elektrotechnik konfrontiert wurden, steht im nächsten Abschnitt Die Komponenten des von Neumann Rechners: elektrotechnische Grundlagen eine längere Durststrecke bevor. Der Abschnitt bespricht zahlreiche Schaltungen, die an verschiedenen Stellen im Computer (meist Prozessor und Hauptspeicher) verwendet werden. Dies ist unerlässlich, um den Computer nicht nur in der bisher eingenommenen oberflächlichen Sichtweise zu verstehen.

Den Zugang zu diesem Abschnitt kann man durch folgende Vorgehensweise erleichtern:

• In einem ersten Durchgang reicht es:
  • Sich einen Überblick zu verschaffen, welche Schaltungen besprochen werden und welche Aufgabe sie erfüllen.
  • Versuchen zu verstehen, wie ein Transistor als Schalter eingesetzt werden kann.
  • Ein oder zwei Schaltungen gründlich zu studieren (Realisierung der Schaltung, logische Tabelle).
• Sodann kann man zu den weiteren Abschnitten übergehen:
  • Die Komponenten des von Neumann Rechners: Externe Geräte
  • Die Komponenten des von Neumann Rechners: Der Hauptspeicher
  • Die Komponenten des von Neumann Rechners: Der Prozessor
• Beim Lesen dieser Abschnitte sollte man unbedingt den Bezug zu den elektrotechnischen Grundlagen herstellen:
  • Wo werden die besprochenen Schaltungen eingesetzt?
  • Welchen Zweck erfüllen sie dort?
  • Wie erfüllen diese Schaltungen ihre Aufgabe?

Mit diesen Fragen im Kopf sollte es nicht schwer fallen, sämtliche Schaltungen aus den elektrotechnischen Grundlagen zu verstehen. Und ebenso sollte man versuchen, wenn später in die Programmierung eingeführt wird, den Zusammenhang zwischen Schaltungen und Programmierbefehlen herzustellen.