Axel Rogat

Betriebssysteme und betriebssystemnahes Programmieren

1.3: BS-Beispiele

Kapitel 2

2.2.1: Geräte-Typen

2.1 Von-Neumann-Architektur

In diesem Kapitel besprechen wir gesammelt kurz einige Grundlagen zu Strukturen von Rechnersystemen (der Hardware und der Software), deren Kenntnis beim Verständnis der Betriebssysteme hilfreich sein wird.

2.1 Von-Neumann-Architektur

Die meisten heute gängigen Rechnersysteme basieren auf einem Konzept, das zuerst von John von Neumann in den vierziger Jahren formuliert wurde (" Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument").

Die drei Komponenten eines solchen Systems sind im Bild rechts dargestellt: CPU: Central Processing Unit, Prozessor, Steuer- und Recheneinheit Hauptspeicher: beinhaltet Programme, Daten und Hilfsstrukturen Ein-/Ausgabe (I/O): ggf. mehrere Einheiten zur Kommunikation mit der Außenwelt (Tastatur, Drucker, etc.)

• Wenn das Design aus Effizienzgründen erweitert wird, können diverse Hilfskomponenten hinzukommen - das grundlegende Konzept bleibt aber unverändert.

• Die CPU wird intern manchmal noch in Funktionsgruppen aufgeteilt: Das Steuerwerk dient der Steuerung der CPU-internen Abläufe, das Rechenwerk ist für reine Rechenoperationen (arithmetische/logische) zuständig. In realer Hardware sind beide aber stark miteinander verzahnt.

  Manchmal wird abweichend auch unsere "CPU" nur als Prozessor und die Gesamtheit von CPU, Speicher und I/O-Steuerung als CPU bezeichnet.

• Wesentliches Merkmal dieser Architektur ist, daß auf der Hardwareebene nicht zwischen Daten und Programmen unterschieden wird. Ältere Systeme waren entweder nicht programmierbar (fest verdrahtet), fest programmierbar (mit Schaltern), oder es gab jedenfalls eine deutliche Trennung zwischen Programmierungs-Informationen und numerischen/logischen Daten.

  Dadurch wird der Hauptspeicher allerdings besonders stark beansprucht. Die Ausführung eines einzigen Befehls kann diverse (und unterschiedlich geartete) Speicherzugriffe auslösen. Daher wird der Hauptspeicher auch als von-Neumannscher Flaschenhals bezeichnet. Seine Geschwindigkeit und Organisation bestimmt zu einem großen Teil die Effizienz des ganzen Systems.