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Von-Neumann-Rechnerarchitektur

Von-Neumann-Rechner

Die Von-Neumann-Architektur

John von Neumann entwickelte 1946 das Konzept der Steuerung von Rechnern durch ein gespeichertes Programm und fasst die Grundprinzipien für Rechenanlagen zusammen. Die wesentlichen Aussagen sind:

  1. Das Programm wird gleichberechtigt zu den Daten im Rechner abgelegt.
  2. Das Programm ist eine Abfolge logischer Befehlsentscheidungen.
  3. Bedingte Programmbefehle erlauben Entscheidungen über den Fortgang des Programms.

Die Von-Neumann-Prinzipien

  • Die fünf Grundelemente von Allzweck-Rechnersystemen sind:
    1. Eingabe, um das Eingeben von Zahlen und Zeichen in die Maschine zu erlauben
    2. Speicher, um als Gedächtnis für die Daten und Programmanweisungen zu dienen
    3. Rechenwerk, um die anfallenden Berechnungen auszuführen
    4. Steuerwerk, um die Ausführung der Aufgabe nach Vorgabe eines Programmes zu steuern
    5. Ausgabe, um den Benutzern die Ergebnisse der Berechnungen mitzuteilen
Abb.1
Von-Neumann-Architektur
  • 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.
  • Programme, Daten, Zwischen- und Endergebnisse werden in demselben Speicher abgelegt.
  • Der Speicher ist in gleichgroße Zellen unterteilt, die fortlaufend durchnummeriert sind. Über die Nummer (Adresse) einer Speicherzelle kann deren Inhalt abgerufen oder verändert werden.
  • Aufeinanderfolgende Befehle eines Programms werden in aufeinanderfolgenden Speicherzellen abgelegt. Das Ansprechen des nächsten Befehls geschieht vom Steuerwerk aus durch Erhöhen der Befehlsadresse um eins.
  • Durch Sprungbefehle kann von der Bearbeitung der Befehle in der gespeicherten Reihenfolge abgewichen werden.
  • Es gibt zumindest - arithemtische 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.
  • Alle Daten (Befehle, Adressen usw.) werden binär codiert. Geeignete Schaltwerke im Steuerwerk und an anderen Stellen sorgen für die richtige Entschlüsselung (Decodierung).
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