Computer Architektur

Computer arbeiten immer nach demselben Prinzip. Dabei ist es egal, um was für einen Computer es sich handelt. Das Prinzip, nach dem ein Computer funktioniert, nennt sich EVA. Diese Abkürzung steht für Eingabe, Verarbeitung & Ausgabe.

Das Prinzip (EVA-Prinzip)

Man spricht auch von Datenverarbeitung statt von einem EVA-Prinzip. Ihr liegt jedoch derselbe Inhalt zugrunde:

  1. Dateneingabe (Eingabe): Grundlegend kann man sich die Eingabe sehr simpel vorstellen. So sind die Bedienung der Maus, Tastatur, des Scanners oder eines Gamepads/Controllers bereits Eingaben in diesem Sinne. Doch sind die Eingabemethoden heute vielfältiger: Ein Computer kann auch Daten von einem anderen Computer erhalten. So ist die Ausgabe des einen, die Eingabe des anderen. Datenbankabfragen sind dafür ein gutes Beispiel: Um das Gehalt eines Mitarbeiters zu überweisen, bedient die Büroangestellte Ingrid mit Maus und Tastatur den Rechner. Dies sind jedoch nicht die einzigen Eingaben. Für die Bearbeitung benötigt sie die Gehaltsdaten aus einer Datenbank, also einem anderen Computer. Diese sind für Ingrids Computer eine Eingabe. Damit kann der Computer nur mit einer Vielzahl an Eingaben überhaupt zum nächsten Teil des Prinzips übergehen.
  2. Datenverarbeitung (Verarbeitung): Nach dem der Computer alle benötigten Daten als Eingabe erhalten hat, kann die Verarbeitung dieser beginnen. Mit Verarbeitung sind jegliche Arten des Umgangs mit den Daten gemeint. Die Verarbeitung erfolgt dabei durch Hard- und Software, da die Daten für die Hardware erst verarbeitbar gemacht werden müssen. Man spricht auch vom "in Maschinencode umwandeln". Wenn wir dies auf unser Beispiel mit Ingrid nun adaptieren, so geschieht Folgendes: Die Daten aus der Datenbank werden auf Ingrids Rechner durch sie angepasst und als Überweisung zur Ausgabe vorbereitet. I. d. R. geht mit der Datenverarbeitung auch eine Speicherung einher. Diese erfolgt aber nicht im gleichen Schritt und wird gesondert betrachtet. Die Speicherung umfasst dabei das sichern der Daten auf z. B. Festplatte (HDD) oder im Arbeitsspeicher.
  3. Datenausgabe (Ausgabe): Nach erfolgter Verarbeitung und Speicherung der Daten erfolgt die Ausgabe dieser. Dabei kann die Ausgabe über den Monitor, Drucker, Lautsprecher oder auch über das Netzwerk als Eingabe auf einem anderen Computer erfolgen. Betrachten wir unser Beispiel: So ist das Auslösen der Überweisung des Gehalts eine Ausgabe von Ingrids Computer als Eingabe auf dem Computer der Bank. Ebenso bestätigt ihr die Software als Ausgabe auf dem Monitor, dass die Überweisung ausgelöst wurde.

Das EVA-Prinzip

Architekturen

Von-Neumann-Architektur (VNA)

Der grundlegende Aufbau eines Computers wurde durch John von Neumann in der sogenannten Von-Neumann-Architektur erläutert. Das 1945 vorgestellte Konzept wird bis heute noch in aktuellen Computern verwendet und adaptiert das EVA-Prinzip in die Praxis. Das ursprüngliche Konzept wird heute jedoch in erweiterter Form genutzt. Es finden sich auch Mischformen mit der Harvard-Architektur.

Die VNA sieht vor, das ein Computer bzw. "Rechenwerk" aus CPU, Bus-System, Ein-/Ausgabewerk und Speicherwerk besteht. Die CPU besteht dabei aus Rechenwerk und Steuerwerk.

VNA

Um genau zu sein, besteht die CPU aus der ALU (Arithmetic Logic Unit) und der Control Unit. Ins Deutsche übersetzt spricht man bei der ALU vom Rechenwerk und bei der Control Unit vom Steuerwerk. Das Rechenwerk hat dabei zur Aufgabe, die Berechnungen und logischen Verknüpfungen zu verarbeiten. Ein Steuerwerk ist dabei für das Interpretieren der Programmzeilen in Maschinencode und für die Abfolge der Befehle zuständig.

Unter "Interpretieren" versteht man die Übersetzung von Programmcode in Maschinencode. Der Memory dient dabei als Speichermedium der Daten und Programme. Auf ihn greift die CPU zu, wenn sie Daten benötigt.

Die I/O Unit steuert die Dateneingabe (Input) und die Datenausgabe (Output). Über sie werden Daten von der CPU ausgegeben, oder es werden über passende Eingabegeräte Daten eingegeben.

Die einzelnen Komponenten werden über das BUS-System verbunden. Über diese können alle Komponenten untereinander kommunizieren. Er gliedert sich in 3 Teile: den Adressbus, Datenbus und Steuerbus.

Nachteil der VNA ist, das im Speicherwerk gleichzeitig Daten als auch Programmbefehle lagern. Bei einem Zugriff auf die Daten ist kein Abruf der Programmbefehle möglich und umgekehrt. Es ist also ein erneuter Bus-Zyklus nötig.

 

Harvard-Architektur

Im Gegensatz zur von-Neumann-Architektur ist es bei der Harvard-Architektur möglich, gleichzeitig Daten und Befehle zu laden oder zu schreiben. Damit ist auch eine Zugriffsrechtetrennung möglich.

Die Harvard-Architektur findet ihren Ursprung im 1944er Mark 1 Computer (IBM und Harvard-Universität). Heute wird meist eine Mischform aus VNA und Harvard-Architektur genutzt.

Harvard-Architektur

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