Architektur von Computer

Für die Erfassung, Bearbeitung und Ausgabe von Daten stehen heute unterschiedliche Arten von Computer zur Verfügung. Diese Datenverarbeitungsmaschinen basieren immer auf der Grundlage des EAV-Prinzips. Nachfolgend soll ein kurzer Überlick über die heutzutage hauptsächlich verwendeten Rechnerarchitekturen, die von-Neumann und Harvard-Architektur, erfolgen. Die Unterschiede beider Architekturen lassen sich schion erahnen, da es sich bei der van-Neumann Architektur um eine sequentielle Architektur und bei der Harvard Architektur um eine hauptsächlich parallele Architektur.

Von-Neumann Architektur

Wie in der Einleitung bereits beschrieben, “arbeiten” die meisten Computer auf dem Grundprinzip der von-Neumann Architektur. Die von-Neumann Architektur hat nur einen einzelnen Bus, über den die Zentraleinheit auf Daten und Programme zugreift (das ist die eine Möglichkeit, wie ein Rechner aufgebaut werden kann, die Zusammenlegung). Im Prinzip besteht ein “von-Neumann-Computer” aus vier Komponenten, dem Rechenwerk, dem Steuerwerk, dem Speicherwerk und dem Ein- bzw. Ausgabewerk.

• Das Rechenwerk (auch als ALU = Arithmetic Logic Unit) führt Rechenoperationen und logische Verknüpfungen durch.
• Das Steuerwerk oder Leitwerk (auch als Control Unit bezeichnet) interpretiert die Anweisungen eines Programms und regelt die Befehlsabfolge.
• Das Speicherwerk (auch als Memory Unit bezeichnet) speichert Daten bzw. Programme, die für das Rechenwerk zur “Arbeit” nötig sind.
• Das Eingabe-/Ausgabewerk (auch als I/O-Unit bezeichnet) steuert die Ein- und Ausgabe von Daten, zum Anwender (Tastatur, Bildschirm) oder zu anderen Systemen (Schnittstellen).

Prinzip der von-Neumann Architektur

Es existiert nur ein Speicher die Daten und Befehle enthalten. Dieser Speicher ist dabei in gleichgroße Zellen unterteilt, die fortlaufend durchnumeriert sind (=Adressen). Das Steuerwerk hat ein Register (Programm Counter), in dem die Speicherzelle
mit dem auszuführenden Befehl steht, wobei aufeinanderfolgende Befehle oder Anweisungen in aufeinanderfolgende Speicherzellen abgelegt werden.
Ausführung eines Befehls erfogt durch das Steuerwerk, z.B. Lesen von Operanden aus Speicher; Ausführen einer Operation mit diesem Operanden; Schreiben des Ergebnisses in den Speicher. Das Ansprechen des nächsten Befehls geschieht vom Steuerwerk aus durch Erhöhen der Befehlsadresse um Eins, von der gespicherten Reihenfolge kann aber durch sog. Sprungbefehle abgewichen werden
Für Daten, Befehle, und Adressen werden Binärzeichen verwendet (=Codierung). Geeignete Schaltwerke im Steuerwerk entschlüsseln (=Decodierung) später den Code.

Harvard Architektur

Die zweite Möglichkeit einen Rechner aufzubauen ist, dass Daten und Programme voneinander getrennt werden. Dies findet sich in der Harvard Architektur. Hier gibt zwei Datenbusse und i.d.R auch zwei Adressbusse, dabei erfolgt eine Separierung von Befehls- und Datenspeicher, auf die über getrennte Busse (deswegen zwei Datenbusse) zugegriffen wird. Im Prinzip ist ein “Harvard-Computer folgendermaßen aufgebaut:

• Zentraleinheit aus Rechenwerk und Steuerwerk
• Das Speicherwerk besteht aus getrennten Speichern für Daten u. Programme
• Eingabe-/Ausgabewerk

Das Rechenwerk kommuniziert mit dem Steuerwerk über den Befehlsbus und gibt “Steuerbefehle”, das Steuerwerk senden über den Datenbus “den Status” an das Rechenwerk. Das Rechenwerk kommuniziert über Datenbus mit dem Datenspeicher und das Steuerwerk über Befehlsbus mit dem Programmspeicher.

Vergleich beider Architekturen

Harvard Architektur:

• Vorteile: Befehle und Daten können über zwei Busse gleichzeitig geladen werden, dadurch steigt die Rechenleistung bzw. -geschwindigkeit. Die Trennung von Datenspeicher und Programmspeicher sorgt dafür, dass bei fehlerhafter Software kein Programmcode überschrieben werden kann, sondern nur Daten.
• Nachteile: Der größte Nachteil der Harvard-Architektur ist, dass freier Programmspeicher kann nicht für Daten genutzt werden kann bzw. freier Datenspeicher nicht für Programme genutzt werden kann.

von-Neumann Architektur:

• Vorteile: Der größte Vorteil ist, dass nur ein Bus bzw. Speicher für Befehle und Daten vorhanden ist und somit flexible Aufteilung des Speichers zwischen Programmen und Daten möglich ist.
• Nachteile: Das Verbindungssystem (Daten und Befehlsbus) in der von-Neumann Arichtektur kann zum Engpass zwischen Steuerwerk und Rechenwerk führen (sog. von-Neumann Flaschenhals). Daneben laufen nun Programm und Daten über einen Bus und verlangsamt so die Programmusführung. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei gemeinsamer Speicherung Programme und Daten nicht unterscheidbar sind, d.h. bei falscher Adressierung können Speicherinhalte verändert werden, die nicht geändert werden dürfen (z.B. Programme werden durch Daten überschrieben).

weiterführende Informationen finden Sie hier:

• Übersicht über Arten von Computer

• Einführung in die elektronische Datenverarbeitung