Die Kennzeichen der Von-Neumann-Architektur
John von Neumann verhalf den Computern zu einer bahnbrechenden Entwicklung. Durch ihn wurden die Computer auch für den privaten Haushalt interessant. Was sich anhört wie ein Baustil, hat in Wirklichkeit eine ganz andere Bedeutung, obgleich es bei der Von-Neumann-Architektur ebenfalls um einen Aufbau geht und zwar um den Aufbau von Computerdaten.
Modell
John von Neumann entwickelte ein Modell, bei welchem der Speicher in einem Computer Daten und Computerprogrammbefehle gleichermaßen enthält. Das war bis zur Entwicklung der Von-Neumann-Architektur absolut unmöglich. Bis zu diesem Zeitpunkt wurden lediglich Computerbefehle als Binärzahlen eingegeben. John von Neumann kam auf die Idee, auch die Daten als Binärzahlen zu speichern. John von Neumann war ein Mathematiker, der österreichisch-ungarische Wurzeln hatte. Er wanderte später in die USA aus und legte dort den Grundstein für die Arbeitsweise der meisten unserer Computer. Im Jahre 1945 veröffentlichte von Neumann seine Arbeit zur Von-Neumann-Architektur.
Konzept
Von Neumann war 1945 am Bau der EDVAC-Rechenmaschine beteiligt. Im Rahmen dieser Entwicklung bildete er ein völlig neuartiges Konzept aus. Bisher war es üblich, dass die Programmierung entweder festgeschrieben war oder mittels Lochkarten eingelesen werden musste. Die Von-Neumann-Architektur ermöglichte es aber, dass man Änderungen an den Programmen ohne Änderungen an der Hardware vornehmen und in schneller Folge hintereinander ablaufen lassen konnte. Ganz neu war die Von-Neumann-Architektur allerdings nicht. Auch Konrad Zuse hatte in diese Richtungen Gedanken gehabt. Er hat diese in seiner Z1-Rechenmaschine verarbeitet. Es wird aber davon ausgegangen, dass von Neumann keine Kenntnis von Zuses Arbeiten diesbezüglich hatte.
Komponenten
Bei der Von-Neumann-Architektur handelt es sich um ein Schaltungskonzept, das die Realisierung universeller Rechner möglich macht. Alle Komponenten einer Turingmaschine werden durch die Von-Neumann-Architektur realisiert. Es wird eine systematische Aufteilung in Funktionsgruppen vorgenommen. Das erlaubt eine Nutzung binärer spezialisierter Schaltwerke, was sich wiederum in einer effizienteren Strukturierung der Operationen niederschlägt. Bei der Von-Neumann-Architektur kommen vier Komponenten zum Einsatz, die heute noch in vielen Computern zu finden sind. Das Rechenwerk, die Arithmetic Logic Unit (ALU), ist die Zentraleinheit und für die Rechenoperationen und logischen Verknüpfungen zuständig. Das Steuer- oder Leitwerk, die Control Unit, regelt die Folge der Befehle und ist für die Interpretation der Anweisungen eines Programms zuständig. Im Speicherwerk werden Daten und Programme gespeichert. Das Eingabe/Ausgabewerk übernimmt die Steuerung bei der Ein- und Ausgabe von Daten, zu Schnittstellen und zum Anwender.
Programm
Das Programm läuft bei der Von-Neumann-Architektur immer gleich ab. Bei einem gespeicherten Programm werden die Befehle zuerst in einem RAM-Speicher abgelegt, der über einen linearen Adressraum verfügt. Danach zeigt der Befehls- oder Programmzähler auf den nächsten auszuführenden Befehl. Außerdem ist es möglich, Befehle genauso wie Daten zu ändern. Bei der sequentiellen Programmausführung werden die Befehle zuerst einmal aus dem Speicher gelesen und im Anschluss daran ausgeführt. Der Inhalt des Befehlszählers wird dabei um 1 erhöht. Außerdem gibt es mehrere Sprung-Befehle. Sie sind dafür zuständig, den Inhalt des Befehlszählers um einen anderen Wert als +1 zu verändern. Ferner sind Verzweigungs-Befehle vorhanden. Sie lösen unter anderem die Ausführung eines Sprungbefehls aus. Die Von-Neumann-Architektur wurde im Laufe der Jahre weiterentwickelt. Der Von-Neumann-Flaschenhals und die Harvard-Architektur sind solche Weiterentwicklungen. Bei der Harvard-Architektur werden Befehls- und Datenspeicher aufgeteilt und lassen einen getrennten Zugriff zu.
Foto: ArtmannWitte – Fotolia
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