Lernpfad Know-How-Computer/KHC als Von-Neumann-Rechner
Von-Neumann-Architektur
Die Von-Neumann-Architektur unterscheidet die Hauptkomponenten
- Steuerwerk, das den Programmablauf steuert,
- Rechenwerk, das Rechnungen und logische Operationen wie z.B. Größenvergleiche von Zahlen durchführt,
- Speicherwerk, das den Zugriff auf den Hauptspeicher verwaltet,
- ein so genannte Bus-System, das die Verbindung zwischen den anderen Komponenten herstellt.
Die Hauptkomponenten enthalten verschiedene Register. Das sind kleine Speicherbausteine, auf die die Komponenten sehr schnell zugreifen können.
Das Steuerwerk enthält als Register den Programmzähler (PZ), der immer die Adresse des aktuellen Befehls enthält, sowie das Befehlsregister (BR), das diesen Befehl selbst (z.B. inc 4) enthält und nochmals in einen Operations-Teil (enthält z.B. „inc“) und einen Adress-Teil (enthält z.B. „4“) unterteilt wird. Außerdem befindet sich im Steuerwerk der so genannte Dekodierer, der die Maschinenbefehle in noch kleinere Arbeitsschritte (Mikrobefehle) zerlegt.
Das Rechenwerk verfügt über ein Register, das als Akkumulator (Akku) bezeichnet wird. In diesem wird der Wert gespeichert, mit dem gerade gerechnet wird. Die Berechnung selbst übernimmt die so genannte „Arithmetisch-logische Einheit“ (ALU). Beim KHC muss diese lediglich drei Operationen ausführen können, nämlich den Akku um 1 erhöhen, ihn um 1 verringern und prüfen, ob er den Wert 0 enthält. Außerdem verfügt das Rechenwerk noch über einige Status-Flags, die etwas über den Zustand des Rechenergebnisses aussagen. Flags sind Minispeichereinheiten, die entweder den Wert „wahr“ (Ziffer 1) oder „falsch“ (Ziffer 0) speichern können. Beispiele sind das Zero-Flag, das von der ALU auf den Wert „wahr“ gesetzt wird, wenn der Wert im Akku gleich 0 (zero) ist. Ein anderes Flag, das Overflow-Flag, zeigt an, ob bei einer Berechnung ein Bereichsüberlauf (overflow) aufgetreten ist. Das könnte z.B. passieren, wenn der Wert im Akku durch eine Berechnung so groß wird, dass er anschließend nicht mehr in den Akku hineinpasst.
Steuerwerk und Rechenwerk werden zusammen auch als „Zentraleinheit“ oder „Central Processing Unit“ (CPU) bezeichnet. Zur CPU gehört außerdem noch eine Uhr, die als Schrittmacher den Takt vorgibt, in dem die einzelnen Schritte ausgeführt werden.
Das Speicherwerk besitzt ein Adress- und ein Datenregister (AR und DR). Wenn der Inhalt einer Zelle aus dem Hauptspeicher gelesen werden soll, dann wird die Adresse dieser Zelle in das Adressregister kopiert und über ein Steuersignal die Aufforderung zum „Lesen“ gegeben. Das Speicherwerk kopiert daraufhin den Inhalt der angegebenen Zelle in das Datenregister. Soll dagegen ein Wert in einer Hauptspeicherzelle gespeichert werden, so wird de ren Adresse im Adressregister und der Speicherwert im Datenregister abgelegt. Anschließend wird über das Steuersignal „Schreiben“ das Speichern des Wertes in der entsprechenden Zelle des Hauptspeichers veranlasst.
Zur Rechnerarchitektur gehört eigentlich noch ein Ein- und Ausgabewerk, worauf hier aber verzichtet wird, da es im Zusammenhang mit dem KHC nicht benötigt wird.
Die folgende Abbildung zeigt schematisch den Aufbau der Von-Neumann-Architektur:
Die Komponenten Steuerwerk, Rechenwerk, Speicherwerk und Bus-System werden grafisch dargestellt.
