Computerarchitektur verstehen: Von-Neumann, CPU, Speicher & Peripherie

Die Von-Neumann-Architektur und funktionale Einheiten

Das Diagramm stellt den ersten Computer dar, den sogenannten Von-Neumann-Rechner, dessen Konzept bis heute gültig ist.

Funktionale Einheiten eines Computers

• Eingabeeinheit (E)

  Eine Einrichtung, mit der Daten und Anweisungen in den Computer eingegeben werden. Informationen werden in binäre Signale umgewandelt. Es kann mehrere Eingabeeinheiten geben.

• Ausgabeeinheit (A)

  Ein Gerät, über das wir die Ergebnisse der im Computer ausgeführten Programme erhalten. Sie wandeln elektrische Signale in für den Benutzer wahrnehmbare Informationen um.

• Interner Speicher (MI), Hauptspeicher oder Zentralspeicher

  Speichert Daten und Anweisungen während der Ausführung von Programmen. Er ist mit den schnelleren Computereinheiten (Arithmetisch-Logische Einheit und Steuereinheit) verbunden. Um ein Programm auszuführen, muss es in den Hauptspeicher geladen werden. Er besteht aus elektronischen integrierten Schaltungen (Chips).

• Externer Speicher (ME)

  Der interne Speicher ist sehr schnell, kann aber nicht viel Information speichern, und der RAM-Bereich ist flüchtig. Um große Informationsmengen zu speichern, werden andere Speichertypen verwendet, die langsamer, aber kapazitätsstärker sind (etwa eine Million Mal langsamer und tausendmal mehr Kapazität). Darüber hinaus werden Informationen gespeichert, bis der Benutzer sie explizit löscht. Diese werden als externer Speicher, Massenspeicher, Hilfsspeicher oder Sekundärspeicher bezeichnet.

• Verarbeitungseinheit

  Die wichtigste Einheit, die die Arithmetisch-Logische Einheit (ALU) enthält. Die ALU ist die Schaltung, in der arithmetische Operationen (Addition, Subtraktion usw.) und logische Operationen (Vergleich von zwei Zahlen, Operationen der binären Booleschen Algebra usw.) durchgeführt werden. Neben der ALU enthält sie Datenbusse und Register (kleine Speichereinheiten, die dazu dienen, Daten, Anweisungen oder Speicheradressen zu speichern).

Speichertypen: ROM und RAM

• ROM (Read Only Memory)

  • Nur lesbar.
  • Permanent (nicht flüchtig): Behält Informationen, auch wenn der Computer ausgeschaltet ist.
  • Enthält alle notwendigen Informationen zum Starten des Computers (Boot-Vorgang).
  • Sein Inhalt wird vom Hersteller programmiert und kann normalerweise nicht geändert werden.
  • Es gibt Varianten wie:
    • PROM (Programmable ROM): Einmal programmierbar.
    • EPROM (Erasable Programmable ROM): Löschbar mit UV-Licht und wieder programmierbar.

• RAM (Random-Access Memory)

  • Direktzugriffsspeicher.
  • Flüchtig: Der Inhalt verschwindet, wenn der Computer ausgeschaltet wird.
  • Der Inhalt kann geändert werden.
  • Hier werden Daten und Programme gespeichert, die gerade ausgeführt werden. Dies ist der Speicher, den wir üblicherweise als Hauptspeicher bezeichnen.

Wortlänge und ihre Bedeutung für die Leistung

Für viele Computeroperationen ist ein Byte (8 Bit) eine sehr kleine Informationseinheit. ALUs (Arithmetisch-Logische Einheiten) arbeiten in der Regel mit einer größeren Datenlänge, typischerweise einem Vielfachen von Bytes: 8, 16, 32, 64 oder 128 Bit. Diese Datenmenge wird als Wortlänge bezeichnet und ist eng mit der Architektur der ALU und der Anzahl der Bits der meisten Prozessorregister verbunden. Die Wortlänge ist die Anzahl der Bits, die ein Wort bilden. Sie bestimmt auch die Breite des Datenbusses, der den Prozessor mit dem Speicher verbindet.

Die Wortlänge beeinflusst (indirekt) die Geschwindigkeit des Computers:

• Wenn ein Programm Berechnungen mit einer 32-Bit-Genauigkeit erfordert, die Wortlänge aber nur 16 Bit beträgt, verdoppelt sich die Anzahl der Programmanweisungen mindestens.
• Jede Anweisung belegt eine feste Anzahl von Bits (z. B. 32 Bit). Ist die Wortlänge kleiner als die Größe der Anweisungen (z. B. 16 Bit), muss der Prozessor für jede Anweisung mehrere aufeinanderfolgende Speicherzugriffe durchführen (im Beispiel 2 Zugriffe).

Beispiele für Speicheradressierung:

• Wort = 1 Byte: 512 M Wörter = 2²⁹ Zellen
• Wort = 4 Bytes: 128 M Wörter = 2²⁷ Zellen

Cache-Speicher: Beschleunigung des Zugriffs

Der Cache-Speicher ist schneller als der Hauptspeicher und entscheidend für die Gesamtleistung des Computers, weil seine Größe viel kleiner ist. Cache-Speicher ist ein kleiner, schneller Speicher, der zwischen dem Hauptspeicher und dem Prozessor liegt, um den Speicherzugriff zu beschleunigen.

Der Prozessor (CPU) und seine Funktionsweise

Der Prozessor (CPU) ist die zentrale Einheit, die alle Computeranweisungen ausführt.

Komponenten des Prozessors

Die Hauptbestandteile sind die Steuereinheit, das Rechenwerk (ALU), Register und Cache-Speicher.

Ablauf der Befehlsausführung

Die Steuereinheit sendet die Adressen der Operanden über den Adressbus und Steuersignale über den Steuerbus, um Daten zu lesen. Der Befehlsdecoder interpretiert den Operationscode und legt fest, welche Operation von der Arithmetisch-Logischen Einheit (ALU) durchgeführt werden soll. Wenn der Befehl einen Sprung in der Ausführungsreihenfolge der Programmanweisungen anzeigt, wird die Adresse der nächsten auszuführenden Anweisung aus dem Befehlsregister (IR) übernommen. Andernfalls wird die Adresse des nächsten Befehls aus dem Programmzähler (PC) verwendet. Die nächste auszuführende Anweisung muss aus dem Hauptspeicher gelesen werden und gelangt über den Datenbus in das Befehlsregister. Die ALU erhält die Operanden aus den Datenbussen und führt die Operation gemäß der Anweisung der Steuereinheit aus. Das Ergebnis wird im Speicher abgelegt.

Statusregister und seine Flags

Das Statusregister besteht aus mehreren Bits (Flags), die vom Prozessor (insbesondere der ALU) gesetzt (1) oder gelöscht (0) werden, um den Zustand nach der letzten Operation anzuzeigen. Obwohl Bedeutung und Anzahl der Bits im Statusregister je nach Hersteller variieren, berichten sie typischerweise über Ereignisse wie:

• Ob das Ergebnis der letzten Operation Null war (wichtig bei Vergleichen).
• Ob ein Übertrag aufgetreten ist.
• Ob ein Überlauf (Overflow) stattgefunden hat.

Die Rolle der Register

Register werden verwendet, um Zwischenergebnisse zu speichern. Dies verhindert, dass diese Ergebnisse in den Hauptspeicher geschrieben und von dort wieder gelesen werden müssen, was den Betrieb des Prozessors und die Ausführung der Anweisungen beschleunigt.

Peripheriegeräte: Kommunikation mit der Außenwelt

Ein Peripheriegerät ist ein Gerät, über das der Computer mit der Außenwelt kommuniziert oder Informationen speichert.

Kategorien von Peripheriegeräten

Peripheriegeräte werden in drei Hauptkategorien eingeteilt:

• Eingabeeinheiten (z. B. Tastatur, Maus)
• Ausgabeeinheiten (z. B. Monitor, Drucker)
• Sekundärspeichereinheiten (z. B. magnetische Festplatten, Flash-Speicher)

Schnittstellen: Parallel und Seriell

Peripheriegeräte und die interne Computerstruktur kommunizieren über Schnittstellen und Steckverbinder. Es gibt zwei Haupttypen von Anschlüssen: parallele und serielle.

• Parallele Anschlüsse übertragen mehrere Bits gleichzeitig und eignen sich für die Kommunikation mit Hochgeschwindigkeits-Peripheriegeräten, z. B. Festplatten.
• Serielle Anschlüsse senden jeweils nur ein einziges Bit, übertragen also eine Bitfolge nacheinander. Diese Anschlüsse eignen sich für Peripheriegeräte, deren Geschwindigkeit im Vergleich zum Computer sehr langsam ist, z. B. Drucker.