Rechnerarchitektur

Einordnung des Artikels

• Einführung in die Informatik
  • Rechnerarchitektur

Inhaltsverzeichnis

1. Rechnerarchitektur
   1. Algorithmen und Computer
   2. Logische Operationen und Schaltnetze
   3. Die von Neumann Rechnerarchitektur
   4. Die Komponenten des von Neumann Rechners: Übersicht
      1. Die Komponenten des von Neumann Rechners: elektrotechnische Grundlagen
      2. Die Komponenten des von Neumann Rechners: Externe Geräte
      3. Die Komponenten des von Neumann Rechners: Der Hauptspeicher
      4. Die Komponenten des von Neumann Rechners: Der Prozessor
   5. Aufgaben zu: Rechnerarchitektur

Lernziele

In diesem ersten Teil der Einführung in die Informatik wird zunächst sehr oberflächlich dargestellt, wie ein Computer arbeitet und wie dies auf dem theoretischen Begriff des Algorithmus beruht. Diese Darstellung wird zunehmend verfeinert und am Ende dieses ersten Teils sollen Sie tatsächlich die Arbeitsweise eines Computers in den hier dargestellten Details verstehen, um dann in späteren Kapiteln die zahlreichen Verbindungen zur Rechnerarchitektur selbständig herzustellen.

Algorithmen und Computer

• Kennenlernen der theoretischen Grundlagen des Computers: Der Begriff des Algorithmus sowie des Computers als einer universellen Maschine, die beliebige Algorithmen abarbeiten kann.
• Dazu gehört:
  • was ist überhaupt ein Algorithmus?
  • welche Probleme können in Algorithmen übersetzt werden und welche nicht? (Berechenbarkeit)
• Sie sollen eine erste Vorstellung von der Komplexität von Algorithmen entwickeln; viele in der Praxis relevante Algorithmen benötigen eine so lange Rechenzeit, dass man sie nicht einsetzen kann.
• Es wird eine grobe Vorstellung entwickelt, wie ein Computer als Maschine realisiert wird, die Algorithmen abarbeitet.
• Da im Computer intern mit Dualzahlen gerechnet wird, werden hier die Algorithmen vorgestellt, wie man zwischen Zahlen im Zehnersystem, im Dualsystem und im Hexadezimalsystem umrechnen kann. Nach dem Durcharbeiten dieses Kapitels sollten Sie diese Algorithmen formulieren und anwenden können.

Logische Operationen und Schaltnetze

• Aus dem vorhergehenden Kapitel sollte klar geworden sein, dass Algorithmen auf elementare Anweisungen heruntergebrochen werden müssen und dass ein Computer elementare Rechenoperationen realisieren muss, um beliebige Algorithmen abarbeiten zu können.
• Dieses Kapitel soll darin einführen, welche elementaren Rechenoperationen der Computer ausführen kann und wie diese durch elektrische Schaltungen realisiert sind.
• Die Maschinensprache wird als diejenige Sprache vorgestellt, in der die Algorithmen für den Computer formuliert sein müssen, da sie diese elementaren Rechenoperationen auslösen kann.

Die von Neumann Rechnerarchitektur

• Die vor etwa 70 Jahren entwickelte Rechnerarchitektur ist heute noch die relevante Architektur für Computer.
• Sie sollen verstehen,
  • welche Komponenten nötig sind, um eine wie in den bisherigen Kapiteln beschriebene universelle Maschine zum Abarbeiten von Algorithmen zu bauen,
  • welche Aufgaben die einzelnen Komponenten übernehmen und
  • wie diese Komponenten zusammenarbeiten.
• Es werden die wichtigsten Kenngrößen vorgestellt, mit denen sich die Leistungsfähigkeit eines Computers beschreiben lässt. Sie sollten diese Kenngrößen erklären können und für aktuelle PCs oder Notebooks angeben können, in welchen Größenordnungen sie liegen.

Die Komponenten des von Neumann Rechners: Übersicht

Die Komponenten des von Neumann Rechners: elektrotechnische Grundlagen

• Dieses Kapitel liefert die elektrotechnischen Grundlagen für das Verständnis der Komponenten des von Neumann Rechners.
• Aus der Besprechung der von Neumann Rechnerarchitektur sollte klar geworden sein, dass im Computer die Aufgaben Speichern der Werte von Variablen und deren Berechnung klar voneinander getrennt sind. Entsprechend unterscheidet man in der Elektrotechnik zwischen Schaltwerken und Schaltnetzen. Diese Unterscheidung sollen Sie hier kennenlernen.
• Für Leser, die noch keine Erfahrung mit Elektrotechnik haben, ist dieses Kapitel eine lange Durststrecke. Der Grund, warum diese Grundlagen besprochen werden, wird erst klar, wenn in den folgenden Kapiteln gezeigt wird, wie die Schaltungen in den Komponenten des Computers eingesetzt werden. Zudem wird später — wenn in die Programmierung eingeführt wird — klarer, welche Programmier-Befehle sich hinter den Schaltungen verbergen. Daher wird empfohlen, dieses Kapitel nach der Besprechung der Komponenten eines Computers und nach der Einführung in die Programmierung erneut durchzuarbeiten.

Externe Geräte

Von den zahlreichen externen Geräten eines Computers werden hier nur Speichermedien und davon nur die Festplatten ausführlich besprochen. Nach dem Durcharbeiten dieses Kapitels sollten Sie:

• Die Merkmale kennen, nach denen sich Speichermedien klassifizieren lassen.
• Die unterschiedlichen Typen von Festplatten kennen sowie ihren Aufbau und ihre Arbeitsweise beschreiben können.
• Insbesondere gehört dazu, wie die Speicherzellen einer Festplatte adressiert werden.

Der letzte Punkt wird etwas näher beleuchtet, indem beschrieben wird, was unter einem Dateisystem zu verstehen ist.

Der Hauptspeicher

Der Hauptspeicher (oft auch als Arbeitsspeicher bezeichnet) hat in der von Neumann Rechnerarchitektur eine andere Rolle als ein Speichermedium (wie die Festplatte).

Nach Durcharbeiten dieses Kapitels sollen Sie:

• Die Aufgaben des Hauptspeichers kennen,
• beschreiben können, wie der Hauptspeicher mit anderen Komponenten, insbesondere mit dem Prozessor, kommuniziert,
• beschreiben können, wie eine Speicherhierarchie den schnelleren Zugriff auf die Inhalte des Hauptspeichers ermöglicht.

Der Prozessor

Bisher wurde etwas oberflächlich gesagt, dass der Prozessor die Maschinensprache-Befehle eines Programmes getaktet ausführt. In diesem Kapitel wird dies etwas detaillierter dargestellt, Sie sollen lernen:

• dass ein Maschinensprache-Befehl noch keine elementare Befehlseinheit ist, sondern mit einem Mikroprogramm verknüpft ist,
• dass die Mikroprogramme unterschiedlich komplex sind und daher die Maschinensprache-Befehle unterschiedlich viele Takte beanspruchen,
• dass es verschiedene Architekturen für Prozessoren gibt, die sich darin unterscheiden, wie komplex die Maschinensprache-Befehle sind und wie groß folglich die semantische Lücke zwischen einem Maschinensprache-Befehl und den Befehlen des zugehörigen Mikroprogrammes ist,
• aus welchen Komponenten ein Prozessor besteht und welche Aufgaben sie erfüllen.