Computerarchitektur und Hardware-Komponenten

Die Architektur eines Computers

Die Architektur eines Computers umfasst alle Bauteile, ihre Funktion und die Kommunikation zwischen den Teilen. Diese Lösung erlaubt es ihnen, zusammen und koordiniert zu arbeiten.

Hintergrund der Von-Neumann-Architektur

Das Programm ist zusammen mit den Daten gespeichert. Der Computer liest Daten aus dem Speicher und interpretiert sie als Programm oder Daten. Durch die Verwendung eines einzigen Busses ist die Geschwindigkeit in der Antwort langsamer, da der Speicher keine neue Instruktion suchen kann, bis der Datentransfer des vorhergehenden Befehls abgeschlossen ist.

Hauptbeschränkungen der Von-Neumann-Architektur

• 1. Instruktionen: Begrenzung der Länge der Anweisungen durch den Datenbus-Komplex, was den Mikroprozessor dazu zwingt, mehrere Speicherzugriffe durchzuführen.
• 2. Geschwindigkeit: Die Höchstgeschwindigkeit des Betriebs wird durch den einzigen Bus für Daten und Befehle begrenzt, da kein gleichzeitiger Zugriff möglich ist, was das Überlagern von Zugriffszeiten (PIC-Zeiten) verhindert.

Harvard-Architektur bei Mikrocontrollern

Bei diesem Modell verfügt die zentrale Recheneinheit (CPU) über zwei Speicher (einen für Anweisungen und einen für Daten), die durch zwei verschiedene Busse angebunden sind. Beide Busse sind völlig unabhängig, was der CPU den gleichzeitigen Zugriff auf Speicher und Instruktionen ermöglicht. Da die Daten unabhängig sind, können sie in dieser Architektur unterschiedliche Inhalte und Längen haben.

Vorteile dieser Architektur

• 1. Optimierung: Die Größe der Instruktionen ist unabhängig von den Daten und kann daher optimiert werden. Jede Instruktion nimmt nur einen einzigen Programmspeicherplatz ein, was zu einer höheren Geschwindigkeit und geringeren Programmlänge führt.
• 2. Überlappung: Die Zugriffszeit auf die Anweisungen kann sich mit den Daten überschneiden, was eine größere Geschwindigkeit in jedem Betrieb ermöglicht.

Multiprozessor-Systeme

Das Ziel: Steigerung der Verarbeitungskapazität von Computern. Die Lösung: Verwenden Sie mehrere Prozessoren für Aufgaben und Prozesse. Ein Computer mit mehr als einem Prozessor nutzt eine Multiprozessor-Architektur.

Betriebsmodi von Multiprozessoren

• Standalone-Modus: Jeder Mikroprozessor führt ein anderes Programm aus. Es gibt eine einfache Zusammenschaltung zwischen den Systemen.
• Parallel-Modus: Mehrere Mikroprozessoren arbeiten an der Umsetzung eines Programms. Das System teilt seine Komponenten.

Basiskomponenten eines Computers

• Mainboard: Die wichtigste Schaltung zum Bau von Systemen, welche die CPU beherbergt und an die alle Computerkomponenten direkt angeschlossen sind.
• CPU (Central Processing Unit): Dies ist der wichtigste Mikroprozessor, der den Betrieb steuert. Der Computer kann einen oder mehrere Prozessoren besitzen.
• RAM (Random Access Memory): Speicher für Daten und Programme, der im Betrieb verwendet wird. Es handelt sich um einen flüchtigen Speicher.
• Festplatte: Ein integriertes Gerät, das das Speichern von Informationen ermöglicht.
• Erweiterungssteckplätze (Expansion Slots): Motherboard-Verbindungen, die eine Erweiterung des Systems ermöglichen oder dazu dienen, unterschiedliche Prozessoren zu verbinden.
• Eingänge / Ausgänge (I/O): Anschlüsse nach außen, die viele unterschiedliche Geräte verbinden können.
• Netzteil (Power Supply): Das Gerät, das die Umwandlung des Stroms aus dem Netz in die für die verschiedenen Systemkomponenten erforderlichen Spannungen übernimmt.
• Systemkühlung, Wechseldatenträger-Laufwerke, Tastatur, Maus und Monitor.
• Kommunikation und Peripherie: Modem, Netzwerkkarte, Drucker usw.