Rechnerarchitektur Grundlagen
Die Rechnerarchitektur beschäftigt sich mit dem Aufbau und der Organisation von Computersystemen. Sie beschreibt, wie Recheneinheiten, Speicher, Ein- und Ausgabegeräte sowie die Verbindungen zwischen ihnen strukturiert sind. Ziel ist, einen optimalen Entwurf für Rechner zu schaffen, der Leistung, Kosten und Energieverbrauch berücksichtigt.
Ein zentrales Modell ist die von Neumann Architektur, die Programme und Daten im gleichen Speicherbereich hält. Die Hauptkomponenten eines Rechners nach diesem Modell sind:
- Zentraleinheit (CPU) zum Ausführen von Befehlen
- Speicher zur Aufbewahrung von Programmen und Daten
- Eingabe- und Ausgabeeinheiten
- Bussysteme zur Kommunikation zwischen den Komponenten
Komponenten der Rechnerarchitektur
Die wichtigsten Bestandteile eines Computers sind:
- CPU (Central Processing Unit): Das "Gehirn" des Rechners, zuständig für Befehlsausführung und Steuerung. Sie besteht aus der Arithmetisch-logischen Einheit (ALU), dem Steuerwerk und Registern.
- Speicher: Umfasst schnellen RAM sowie langsameres, aber langlebiges Sekundärspeichermedium (Festplatten, SSDs).
- Eingabe-/Ausgabeeinheiten: Ermöglichen die Kommunikation mit externen Geräten wie Tastatur, Maus, Bildschirm usw.
- Bussystem: Verbindet die einzelnen Hardwarekomponenten und ermöglicht den Datenaustausch.
Von Neumann Architektur
Diese Architekturform beruht auf der Idee, dass Programme und Daten im selben Speicher liegen. Ein Steuerwerk liest nacheinander Befehle aus diesem Speicher, die dann von der CPU abgearbeitet werden. Dies ermöglicht eine flexible Programmierung und ist Grundlage der meisten modernen Computer.
| Komponente | Funktion |
|---|---|
| CPU | Ausführung von Befehlen |
| Speicher | Speicherung von Programmen und Daten |
| Eingabe-Geräte | Dateneingabe ins System |
| Ausgabe-Geräte | Ergebnisausgabe |
| Steuerwerk | Kontrolle der Befehlsausführung |
Speicherhierarchie
Die Speicherhierarchie ist eine pyramidenartige Anordnung verschiedener Speicherarten, die sich in Zugriffszeit, Kapazität und Kosten unterscheiden:
- Register: Sehr schneller und kleiner Speicher innerhalb der CPU.
- Cache: Schneller Zwischenspeicher, um die Zugriffszeiten auf den Hauptspeicher zu reduzieren.
- Hauptspeicher (RAM): Halbleiterspeicher für laufende Programme und Daten, mittlere Geschwindigkeit.
- Sekundärspeicher: Dauerhafte Speicher wie Festplatten oder SSDs, größer, aber langsamer.
- Tertiärspeicher: Archivierungsmedien wie optische Laufwerke oder Bandlaufwerke.
Die Idee ist, schnellen und teuren Speicher möglichst nah an der CPU zu haben und größere Mengen günstigen Speichers weiter entfernt.