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Transkript

1 Das Von-Neumann-Prinzip Prinzipien der Datenverarbeitung Fast alle modernen Computer funktionieren nach dem Von- Neumann-Prinzip. Der Erfinder dieses Konzeptes John von Neumann ( ) war ein in den USA lebender Mathematiker, der bereits 1945, also lange bevor es moderne Computer gab, die Funktionsweise eines Computers beschrieb. Er stellte dabei klare Definitionen auf, die bis heute gelten: 1. Der sogenannte Von-Neumann-Rechner besteht aus fünf Funktionseinheiten: CPU o Steuerwerk o Rechenwerk (ALU) Speicherwerk Eingabewerk Ausgabewerk Quelle: mons/d/d6/johnvonneumann- LosAlamos.jpg

2 Die Funktionseinheiten sind durch sogenannte Busse (Bussystem) miteinander verbunden. Heutige Rechner sind überwiegend Weiterentwicklungen des Konzeptes. 2. Die Struktur des Von-Neumann-Rechners ist unabhängig von den zu bearbeitenden Problemen. Zur Lösung eines Problems muss von außen eine Bearbeitungsvorschrift, das Programm, eingegeben und im Speicher abgelegt werden. Ohne dieses Programm ist die Maschine nicht arbeitsfähig. 3. Programme, Daten, Zwischen- und Endergebnisse werden im selben Speicher abgelegt. 4. Der Speicher ist in gleichgroße Zellen unterteilt, die fortlaufend durchnummeriert sind. Über die Nummer (Adresse) einer Speicherzelle kann deren Inhalt abgerufen oder verändert werden. 5. Aufeinanderfolgende Befehle eines Programms werden in aufeinanderfolgenden Speicherzellen abgelegt. Das Ansprechen des nächsten Befehls geschieht vom Steuerwerk aus durch Erhöhen der Befehlsadresse um Eins. 6. Durch Sprungbefehle kann von der Bearbeitung der Befehle in der gespeicherten Reihenfolge abgewichen werden. 7. Es gibt zumindest - arithmetische Befehle wie Addieren, Multiplizieren, Konstanten laden usw.; - logische Befehle wie Vergleiche, logisches NICHT, UND, ODER usw.; - Transportbefehle, z. B. vom Speicher zum Rechenwerk und für die Ein-/Ausgabe; - bedingte Sprünge; - sonstige Befehle wie Schieben, Unterbrechen, Warten usw. Alle diese Befehle können in verschiedenen Adressierungsarten ausgeführt werden. 8. Alle Daten (Befehle, Adressen usw.) werden binär codiert. Geeignete Schaltwerke im Steuerwerk und an anderen Stellen sorgen für die richtige Entschlüsselung (Decodierung). Steuerwerk Im Original veränderbare Word-Dateien Das Steuerwerk, auch Control Unit genannt, ist das Nervenzentrum des Rechners und dient zur Koordination des Rechenwerks. Es hat die Aufgabe, die codierten Programmbefehle aus dem Speicherwerk in der richtigen Reihenfolge zu laden. Das geschieht mithilfe des Befehlszählers. Die Befehle werden decodiert, interpretiert und an die Recheneinheit weitergeleitet. Zudem ist das Steuerwerk für die Koordination sämtlicher anderer Komponenten zuständig.

3 Rechenwerk Das Rechenwerk (ALU = Arithmetic Logic Unit) führt die Rechenoperationen und logischen Verknüpfungen durch. Die für die Berechnungen notwendigen Operanden werden dem Rechenwerk vom Steuerwerk zugeführt. Steuerwerk und Rechenwerk bilden die Zentraleinheit des Rechners, CPU genannt (CPU = Central Processing Unit). Das Rechenwerk führt die eigentlichen Berechnungen durch. Speicherwerk Das Speicherwerk dient zum Aufbewahren von Daten. Dort werden sowohl Daten als auch Befehle (Programme) gespeichert. Die Befehle arbeiten mit einem Binärcode. Dabei werden nur die Ziffern 1 und 0 verwendet. Das Speicherwerk besteht bei modernen Computern aus dem Hauptspeicher (ROM) und dem Arbeitsspeicher (RAM). Eingabe-/Ausgabewerk Das Eingabe-/Ausgabewerk (in/out) steuert bei modernen Computern die Ein- und Ausgaben von Daten über Maus, Tastatur, Bildschirm, Drucker usw. Unterschied zu früheren Rechnern Von Neumanns Konzept war zur damaligen Zeit sehr revolutionär. Die ersten Computer funktionierten hardwareabhängig. Wenn man ein neues Programm am Computer starten wollte, musste man viele Kabel an riesigen Maschinen umstecken oder das Programm mithilfe von Lochkarten einlesen. Die Daten mussten ebenfalls mit Lochkarten in den Computer eingelesen werden. Eine Lochkarte war damals das Speichermedium für Daten. In die aus Karton bestehenden Lochkarten wurden Informationen in Form von Löchern gestanzt, die durch mechanische Lesegeräte gelesen werden konnten. Quelle:

4 Die ersten Computer waren riesige Geräte, wie z. B. der ENIAC-Computer aus dem Jahr 1943, der rund 30 Tonnen schwer war (ENIAC = Electronic Numerical Integrator and Computer). Quelle: In einem Rechner nach Von Neumann werden erstmalig sowohl Daten als auch Programme elektromagnetisch in einem Speicher gemeinsam aufbewahrt. Ein Umbau des Computers war von nun an nicht mehr notwendig. Arbeitsweise eines Von-Neumann-Rechners Voraussetzung für einen funktionierenden Von-Neumann-Rechner ist, dass Programm (Befehle) und Daten im Speicher vorhanden sind. Als Erstes wird der auszuführende Befehl aus dem Speicher geladen. Das Steuerwerk decodiert den Befehl, sodass er lesbar ist. Die erforderlichen Daten werden aus dem Speicher in das Rechenwerk geladen. Das Rechenwerk führt den Befehl aus. Das Ergebnis der Berechnung wird in den Speicher gelegt. Der Befehlszähler wird um die Zahl Eins erhöht. Der nächste auszuführende Befehl wird aus dem Speicher geladen usw.

5 Die CPU kann nur jeweils einen Befehl gleichzeitig abarbeiten. Moderne Rechner machen das jedoch in einer unglaublich hohen Geschwindigkeit. Gemessen wird die Geschwindigkeit in Hertz. Das ist die Anzahl der Arbeitsschritte pro Sekunde. Heutige CPUs schaffen mehrere Gigahertz, das sind mehrere Milliarden Arbeitsschritte pro Sekunde (Giga = 1 Milliarde = ). Assembler Alle Befehle werden mit binärem Code, also nur mit den Zahlen Null und Eins ausgeführt. Die Befehle sind also nichts anderes als mehr oder weniger lange Folgen von Nullen und Einsen. Die Zahl bedeutet, dass der Wert 97 aus dem Speicher ins Rechenwerk geladen werden soll. Dieser binäre Code, der für Menschen praktisch unlesbar ist, wird Maschinensprache genannt. Um sich solche umständlichen Eingaben in Maschinensprache zu ersparen, wurde die Assembler- Sprache erfunden. Statt der Zahlenfolge werden einfache Abkürzungen verwendet. Obiger Befehl lautet in der Assembler-Sprache für Intel-Prozessoren: mov al, 61h Im Original veränderbare Word-Dateien 61 ist die hexadezimale Schreibweise für 97. Jeder Prozessortyp hat seine eigene Assemblersprache. In den meisten modernen Computern befinden sich Prozessoren, die von den Firmen Intel oder AMD hergestellt werden. Assembler ist also eine Programmiersprache, die die Maschinensprache der Computer in für Menschen lesbarer Form darstellt. Mit Assembler wird heutzutage kaum noch programmiert. Nur bei sehr gerätenahen Komponenten wie Gerätetreibern wird Assembler verwendet. Im Allgemeinen kommen sogenannte höhere Programmiersprachen zum Einsatz. Mit einer Programmiersprache werden Befehle formuliert, die der Computer dann ausführen soll. Die Programmiersprache erspart dem Programmierer, alle Befehle in Binärcode zu schreiben. Bevor der Computer die Befehle einer höheren Programmiersprache jedoch ausführen kann, muss die Programmiersprache in Assembler- bzw. in Maschinensprache übersetzt (kompiliert) werden. Diese Übersetzungen übernehmen spezielle Computerprogramme, die Compiler genannt werden. Heutzutage gibt es unzählige Programmiersprachen, für jeden Zweck eine andere: Java, C#, C++, Visual Basic, PHP usw. Diese Programmiersprachen werden höhere Programmiersprachen genannt, weil sie schon fast wie gesprochene Sprachen funktionieren und unter anderem richtige Rechtschreibregeln besitzen.