12.1 Rechner-Architektur nach von Neumann

Merkmale

1946 schlug "John von Neumann" ein Konzept zur Gestaltung eines universellen Rechners vor. Dieses besteht aus fünf Funktionseinheiten.

von Neumann Prinzip

• Eingabe-/Ausgabewerk: Kommunikation zwischen Rechner und Umwelt
• Steuerwerk:
  • auch als CU (control unit) oder Leitwerk bezeichnet
  • zentrale Komponente
  • Aufgabe: Befehlszyklus bzw. zentrale Programmschleife
• Rechenwerk:
  • auch als ALU (arithmetic logical unit) bezeichnet
  • führt arithmetische (Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division) und logische (UND, ODER, NICHT) Operationen aus
  • Operanden werden vom Steuerwerk zur Verfügung gestellt
• Speicher:
  • Register: Speicher mit sehr kurzer Zugriffszeit, z.B. zur Speicherung von Zwischenergebnissen
  • Akkumulator: Register (AX), in dem vor Ausführung einer Operation die entsprechenden Operanden gespeichert werden

Vereinfacht kann Steuerwerk und Rechenwerk zu einer Einheit zusammengefaßt (CPU) werden.

vereinfachte DV-Anlage

Grenzen

Der von-Neumann-Rechner ist immer noch die Grundlage für heutige Prozessoren, aber auf dem Weg zu immer höheren Rechenleistungen ist seine starre Struktur, Einfachheit des Konzepts und mitunter der Anspruch auf Universalität, verlorengegangen. Ein Schlagwort für die Hauptschwachstelle des von-Neumann-Rechners ist der sog. von-Neumann-Flaschenhals. Das bedeutet, daß es nur ein Rechenwerk, einen System- und Steuerbus, einen gemeinsamen Speicher für Informationen und I/O-Werk geben kann, sowie daß sich die Befehlsabarbeitungszyklen nicht überlappen dürfen. Dies alles verhindert die Herstellung von Prozessoren mit immer höherer Leistung. Deswegen können moderne Prozessoren ihrem Aufbau nach keine von-Neumann-Prozessoren sein, sondern sie sind Weiterentwicklungen.