Prozessorgrundlagen: Von-Neumann-Architektur, Teil 1

Seit fast 60 Jahren basieren alle wichtigen Prozessorarchitekturen auf dem Von-Neumann-Rechnermodell. Wer sich auch nur ansatzweise mit Mikroprozessoren beschäftigt, kommt ohne dieses grundlegende Wissen nicht aus.

Zum Verständnis insbesondere der aktuellen Mikroprozessoren und Mikroprozessor-basierten Rechnersysteme ist es notwendig, sowohl die Hardware (zumindest in Teilen) als auch das Hardware-/Software-Interface zu betrachten. Zu Ersterem zählen die Bussysteme, vor allem in ihren zeitlichen Eigenschaften, sowie die verschiedenen Speicherarten. Diese beiden Punkte behandeln wir in diesem ersten Teil der Artikelserie.

Das Grundprinzip eines einfachen, deterministischen, endlichen Automaten [1] wird sehr häufig im Rahmen von Hardware-Designs genutzt. Hierdurch lässt sich bereits ein sequenziell arbeitender Rechner konzipieren.

Der momentane Eingangsvektor des Automaten wird dafür sowohl als ein aktuelles Steuerwort, das den Programmfluss repräsentiert, als auch als der Input der Daten interpretiert, von dem ausgehend der Nachfolgezustand berechenbar ist. Dieser Nachfolgezustand wird seinerseits gespeichert und gegebenenfalls nochmals umgeformt als Ausgangsvektor - dem Ergebnis der Operation.

Dieses Konzept samt Erweiterungen in Form des Kellerautomaten dient zusammen mit der Turing-Maschine nicht zuletzt auf Grund der darin liegenden Universalität als theoretische Grundlage für Berechenbarkeiten. In der Praxis aktueller Rechenanlagen kommt jedoch ein anderes, gleichwohl äquivalentes Modell zum Einsatz, das die Trennung zwischen Kontroll- und Datenfluss stärker zum Ausdruck bringt.

Es basiert auf den resümierenden Überlegungen von Burks, Goldstine und von Neumann und wird abkürzend Von-Neumann-Rechnermodell genannt. Dieses Konzept hat in den seit 1946 vergangenen Jahrzehnten Variationen erfahren, die bei vielen konkreten Produkten zu finden sind.

Serie: Prozessorgrundlagen: Von-Neumann-Architektur

Teil 1

Bussysteme und Speicherarten

Teil 2

Leit-/Rechenwerk und Registermodell

Teil 3

Befehlssatz, Adressierungsarten und Interrupt-Konzept

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