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Fachkonzept von-Neumann-Rechner

Ein Bauplan für (fast) alle Computer

Computer unterscheiden sich in Größe, Geschwindigkeit und Technik enorm. Um trotzdem allgemein über ihren Aufbau sprechen zu können, beschreibt man sie mit einem gemeinsamen Modell. Das bekannteste ist das Modell des von-Neumann-Rechners. Es geht auf einen Bericht von John von Neumann aus dem Jahr 1945 zurück.

Wer war John von Neumann?

John von Neumann (1903–1957) war ein Mathematiker aus Budapest, der ab 1930 in den USA arbeitete, vor allem in Princeton. Er beschäftigte sich mit Mathematik, Physik und Wirtschaftswissenschaften und war an der Entwicklung der Atombombe beteiligt.

1945 beriet er die Gruppe, die den Rechner EDVAC baute. In einem Bericht beschrieb er, wie ein solcher Rechner aufgebaut sein soll: mit Rechenwerk, Steuerwerk und Speicher, in dem das Programm zusammen mit den Daten liegt. Der Bericht wurde schnell bekannt, und die Bauweise bekam seinen Namen. Das ist umstritten, denn viele Ideen stammten aus der Zusammenarbeit mit den Ingenieuren J. Presper Eckert und John Mauchly, die vorher den ENIAC gebaut hatten.

Mehr zur Geschichte findest du auf der Seite Programme als Daten.

Ein von-Neumann-Rechner besteht aus folgenden Teilen:

dem Rechenwerk (ALU), das Daten verarbeitet, also rechnet und Werte prüft,
dem Steuerwerk, das die Befehle des Programms nacheinander holt, decodiert und ihre Ausführung steuert,
dem Speicher, in dem Programm und Daten unter Adressen abgelegt sind,
der Ein- und Ausgabe, über die der Rechner mit der Außenwelt verbunden ist,
dem Bussystem, das diese Teile verbindet. Man unterscheidet Adressbus, Datenbus und Steuerbus (für die Steuersignale).

Rechenwerk und Steuerwerk bilden zusammen den Prozessor (CPU). Statt „Speicher“ und „Ein- und Ausgabe“ sagt man auch „Speicherwerk“ und „Ein-/Ausgabewerk“.

Schema: In der CPU liegen Rechenwerk und Steuerwerk. Beide sind mit dem Bus-System verbunden, an das auch das Ein-/Ausgabewerk und das Speicherwerk angeschlossen sind.

In der technischen Informatik werden manchmal Programmzähler und Befehlsregister zum Operationswerk gezählt. Hier wird die von-Neumann-Sicht verwendet, der viele Lehrpläne, die „Grundelemente“ und JOHNNY folgen.

Prinzipien

Gespeichertes Programm: Programm und Daten liegen gemeinsam im selben Speicher. Beide sind als Zahlen (in realen Rechnern binär) codiert. Einer Zahl im Speicher sieht man nicht an, ob sie ein Befehl oder ein Datenwert ist.
Adressierung: Der Speicher besteht aus nummerierten Zellen. Über ihre Adresse kann jede Zelle direkt gelesen oder beschrieben werden.
Sequenzielle Ausführung: Die Befehle werden nacheinander ausgeführt. Der Programmzähler im Steuerwerk enthält die Adresse des nächsten Befehls. Sprungbefehle ändern den Programmzähler und damit die Reihenfolge.

Der Befehlszyklus

Jeder Befehl wird im Befehlszyklus (auch von-Neumann-Zyklus) ausgeführt, der sich ständig wiederholt:

Phase	Was passiert?	Beteiligte Teile
Holphase	Der Befehl, dessen Adresse im Programmzähler steht, wird aus dem Speicher ins Befehlsregister geladen.	Steuerwerk, Adress- und Datenbus, Speicher
Decodierphase	Das Steuerwerk ermittelt aus dem Befehl die Operation und die Adresse.	Steuerwerk
Ausführphase	Das Steuerwerk erzeugt die Steuersignale für den Befehl, z. B.: Wert aus dem Speicher holen, im Rechenwerk verarbeiten, zurückschreiben. Der Programmzähler wird auf den nächsten Befehl gesetzt.	je nach Befehl alle Teile

Murmelrechner und Bonsai-Rechner als von-Neumann-Rechner

von-Neumann-Rechner	Murmelrechner (universell)	Bonsai-Rechner
Rechenwerk	Rechenkünstler mit Akku-Gefäß	Akku, Nullentdeckung
Steuerwerk	Steuermann: Notizzettel (Programmzähler), gemerkter Befehl, universelles Steuerprogramm	Programmzähler, Befehlsregister, Befehlsdecoder, Mikroprogrammspeicher und Mikroprogrammzähler, Controlboard, Taktgeber
Speicher	durchnummerierte Speichergefäße	Speicher
Bussystem	Laufbursche; Steuersignale als Zurufe des Steuermanns	Adressbus, Datenbus, Steuerleitungen
Ein- und Ausgabe	nicht vorhanden	im Simulator nicht vorhanden; Werte werden direkt in den Speicher geschrieben

Und die Tore?

Die Tore des Bonsai-Rechners sind kein eigener Teil des Modells. Sie verbinden die Bauteile mit dem Bus. Ob ein Tor offen oder geschlossen ist, bestimmt das Steuerwerk über ein Steuersignal. So legt das Steuerwerk fest, welches Bauteil gerade auf den Bus schreibt und welches liest.

Kein Modellrechner bildet einen echten Rechner vollständig ab. Wo Murmelrechner und Bonsai-Rechner vom von-Neumann-Modell abweichen, untersuchst du auf der nächsten Seite.