Die Von-Neumann-Architektur, auch bekannt als Von-Neumann-Modell, ist eine Computerarchitektur, die auf einer Beschreibung des Mathematikers und Physikers John von Neumann aus dem Jahr 1945 beruht. Sie ist heute die am weitesten verbreitete Computerarchitektur und wird in fast allen modernen Computern verwendet. Dieser Artikel befasst sich mit den Grundlagen dieser Architektur und ihren Komponenten.
Die Zentraleinheit (Central Processing Unit, CPU) ist die Hauptkomponente der Von-Neumann-Architektur. Sie ist für die Ausführung von Befehlen und die Durchführung von Operationen zur Verarbeitung von Daten zuständig. Sie besteht aus zwei Hauptteilen: der Arithmetik- und Logikeinheit (ALU) und der Steuereinheit (CU). Die ALU führt mathematische und logische Operationen aus, während die CU den Fluss der Befehle und Daten steuert.
Der Speicher ist ein wesentlicher Bestandteil der Von-Neumann-Architektur. Er dient der Speicherung von Daten und Anweisungen, die von der CPU verwendet werden. Der Speicher ist in zwei Teile unterteilt: den Hauptspeicher und den Sekundärspeicher. Der Hauptspeicher besteht aus Random Access Memory (RAM) und Read-Only Memory (ROM), während der Sekundärspeicher in der Regel aus Magnetic Disk Drives (MDDs) oder Solid State Drives (SSDs) besteht.
Input/Output (I/O) ist ein weiterer wichtiger Teil der Von-Neumann-Architektur. Er ist für die Übertragung von Daten zwischen dem Computer und seiner externen Umgebung zuständig. E/A-Geräte können entweder physisch oder virtuell sein und umfassen Tastaturen, Mäuse, Drucker, Monitore und andere Peripheriegeräte. Bus
Der Bus ist eine Reihe von elektrischen Leitungen, die die Übertragung von Daten und Anweisungen zwischen den verschiedenen Komponenten der Von-Neumann-Architektur ermöglichen. Er besteht aus einem Datenbus und einem Adressbus. Der Datenbus wird für die Datenübertragung zwischen der CPU und dem Speicher verwendet, während der Adressbus für die Datenübertragung zwischen der CPU und den E/A-Geräten verwendet wird.
Der Anweisungszyklus ist der Prozess, mit dem die CPU Anweisungen ausführt. Er besteht aus vier Schritten: Abrufen, Dekodieren, Ausführen und Speichern. Im Abrufschritt holt die CPU einen Befehl aus dem Speicher. Im Dekodierschritt dekodiert die CPU die Anweisung und legt fest, welche Aktion ausgeführt werden soll. Im Ausführungsschritt führt die CPU die in der Anweisung angegebene Aktion aus. Im Speicherschritt schließlich werden die Ergebnisse der Anweisung im Speicher abgelegt.
Unterbrechungen sind Signale, die entweder von einem E/A-Gerät oder einer internen Komponente an die CPU gesendet werden. Wenn ein Interrupt empfangen wird, stoppt die CPU ihren laufenden Betrieb und übergibt die Kontrolle an einen Interrupt-Vektor, d. h. an ein Programm, das den Interrupt bearbeitet. Nachdem die Unterbrechung bearbeitet wurde, nimmt die CPU ihren normalen Betrieb wieder auf.
Multiprogramming ist eine Technik, mit der die Nutzung der CPU maximiert wird, indem mehrere Programme gleichzeitig ausgeführt werden können. Jedem Programm wird eine bestimmte Ausführungszeit zugestanden, bevor die CPU zum nächsten Programm wechselt, so dass mehrere Programme parallel ausgeführt werden können.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Von-Neumann-Architektur heute die am häufigsten verwendete Computerarchitektur ist. Sie besteht aus der CPU, dem Speicher, den E/A-Geräten, dem Bus, dem Befehlszyklus, den Unterbrechungen und der Multiprogrammierung. Das Verständnis der Grundlagen dieser Architektur ist für jeden, der im Bereich der Computertechnik arbeiten möchte, unerlässlich.
Die von-Neumann-Architektur basiert auf dem Konzept des gespeicherten Programms, bei dem derselbe Speicherplatz sowohl für die Programmanweisungen als auch für die Daten verwendet wird. Diese Architektur wurde erstmals 1945 von dem ungarisch-amerikanischen Mathematiker und Physiker John von Neumann vorgeschlagen.
Ja, von Neumann ist eine SISD-Architektur (Single Instruction, Single Data). Das bedeutet, dass sie nur eine Anweisung zur gleichen Zeit ausführen und nur auf ein Datenelement zur gleichen Zeit zugreifen kann.
Die von-Neumann-Architektur wird verwendet, weil sie eine sehr effiziente Methode zur Entwicklung eines Computers ist. Der Hauptgrund dafür ist, dass die von-Neumann-Architektur die Wiederverwendung von Komponenten ermöglicht. Das bedeutet, dass dieselben Komponenten für verschiedene Teile des Computers verwendet werden können, was den Herstellungsprozess wesentlich einfacher und effizienter macht.
Die vier Teile der von-Neumann-Architektur sind der Prozessor, der Speicher, die Eingabe-/Ausgabegeräte und der Bus. Der Prozessor ist das Herz des Systems und führt alle Operationen und Berechnungen durch. Im Speicher werden alle Daten und Anweisungen gespeichert. Die Ein-/Ausgabegeräte dienen dazu, Daten in das und aus dem System zu transportieren. Der Bus ist eine Reihe von Drähten, die alle Komponenten miteinander verbinden.
Die von-Neumann-Computerarchitektur zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass ein einziger gemeinsamer Speicherbereich für Anweisungen und Daten verwendet wird. Diese Architektur ist nach dem Mathematiker und frühen Computerwissenschaftler John von Neumann benannt, der sie 1945 erstmals vorschlug.