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Historisch gesehen gab es 2 Arten von Computern:

1. Festprogrammierte Computer – Ihre Funktion ist sehr spezifisch und sie konnten nicht programmiert werden, z.B. Taschenrechner.
2. Computer mit gespeicherten Programmen – Diese können so programmiert werden, dass sie viele verschiedene Aufgaben ausführen, Anwendungen werden auf ihnen gespeichert, daher der Name.

Die modernen Computer basieren auf einem Konzept gespeicherter Programme, das von John Von Neumann eingeführt wurde. In diesem Konzept der gespeicherten Programme werden Programme und Daten in einer separaten Speichereinheit, dem Speicher, gespeichert und gleich behandelt. Diese neuartige Idee bedeutete, dass ein Computer, der mit dieser Architektur gebaut wurde, viel einfacher umzuprogrammieren war.

Die Grundstruktur sieht so aus:

Er ist auch als IAS-Computer bekannt und besteht aus drei Grundeinheiten:

1. Die Zentraleinheit (CPU)
2. Die Hauptspeichereinheit
3. Das Eingabe-/Ausgabegerät

Betrachten wir sie im Einzelnen.

• Steuereinheit –

  Eine Steuereinheit (CU) verarbeitet alle Steuersignale des Prozessors. Sie steuert den gesamten Ein- und Ausgabefluss, holt Code für Anweisungen und kontrolliert, wie sich Daten im System bewegen.

• Arithmetische und logische Einheit (ALU) –

  Die arithmetische Logikeinheit ist der Teil der CPU, der alle Berechnungen durchführt, die die CPU benötigt, z.B. Addition, Subtraktion, Vergleiche. Sie führt logische Operationen, Bitverschiebungsoperationen und arithmetische Operationen durch.

  

  Abbildung – Grundlegende CPU-Struktur mit Darstellung der ALU
• Hauptspeichereinheit (Register) –
  1. Akkumulator: Speichert die Ergebnisse der von der ALU durchgeführten Berechnungen.
  2. Programmzähler (PC): Verfolgt den Speicherplatz der nächsten zu bearbeitenden Anweisungen. Der PC übergibt dann diese nächste Adresse an das Speicheradressregister (MAR).
  3. Speicheradressregister (MAR): Es speichert die Speicherplätze von Befehlen, die aus dem Speicher geholt oder im Speicher abgelegt werden müssen.
  4. Speicherdatenregister (MDR): Es speichert Befehle, die aus dem Speicher geholt werden, oder alle Daten, die in den Speicher übertragen und dort gespeichert werden sollen.
  5. Current Instruction Register (CIR): Es speichert die zuletzt abgerufenen Befehle, während sie darauf warten, kodiert und ausgeführt zu werden.
  6. Befehlspufferregister (IBR): Der Befehl, der nicht sofort ausgeführt werden soll, wird im Befehlspufferregister IBR abgelegt.
• Eingabe-/Ausgabegeräte – Das Programm oder die Daten werden unter der Kontrolle des CPU-Eingabebefehls vom Eingabegerät oder vom Sekundärspeicher in den Hauptspeicher gelesen. Ausgabegeräte werden verwendet, um die Informationen von einem Computer auszugeben. Wenn einige Ergebnisse vom Computer ausgewertet und im Computer gespeichert werden, dann können wir sie mit Hilfe von Ausgabegeräten dem Benutzer präsentieren.
• Busse – Daten werden von einem Teil eines Computers zum anderen übertragen, wobei alle wichtigen internen Komponenten mit der CPU und dem Speicher durch Busse verbunden werden. Typen:
  1. Datenbus: Er überträgt Daten zwischen der Speichereinheit, den E/A-Geräten und dem Prozessor.
  2. Adressbus: Er überträgt die Adresse von Daten (nicht die eigentlichen Daten) zwischen Speicher und Prozessor.
  3. Steuerbus: Er überträgt Steuerbefehle von der CPU (und Statussignale von anderen Geräten), um alle Aktivitäten innerhalb des Computers zu steuern und zu koordinieren.

Von-Neumann-Engpass –
Was auch immer wir tun, um die Leistung zu steigern, wir kommen nicht von der Tatsache los, dass Befehle nur einer nach dem anderen und nur sequentiell ausgeführt werden können. Diese beiden Faktoren schränken die Leistungsfähigkeit der CPU ein. Dies wird gemeinhin als der „Von-Neumann-Engpass“ bezeichnet. Wir können einen Von-Neumann-Prozessor mit mehr Cache, mehr Arbeitsspeicher oder schnelleren Komponenten ausstatten, aber wenn die CPU-Leistung wirklich gesteigert werden soll, muss die CPU-Konfiguration einer gründlichen Prüfung unterzogen werden.

Diese Architektur ist sehr wichtig und wird in unseren PCs und sogar in Supercomputern verwendet.