1 Einführung

1.1 Von-Neumann-Architektur

Im Jahre 1944 legte John von Neumann, ein ehemaliges Mitglied des ENIAC-Projektes, ein Architektur-Konzept für einen speicherprogrammierten Universalrechner vor. Sein erster Entwurf ist heute als "von-Neumann-Maschine" oder "von-Neumann-Architektur" bekannt - ein weitsichtiges und visionäres Konzept, das auch noch aktuellen Computern zugrunde liegt. Eine Von-Neumann-Maschine weist folgende wichtige Merkmale auf:

zentrale Recheneinheit (CPU = Central Processing Unit) mit
- ALU (Arithmetical Logical Unit) zur Bearbeitung der Daten
- Steuereinheit (Ablaufsteuerung) zur Bearbeitung der Befehle
Speicher
Ein- und Ausgabe-Einheit
internen Datenwegen(Busse)

Die Struktur des Rechners ist unabhängig von dem zu bearbeitenden Problem ( Universalrechner). Die verschiedenen Aufgaben werden durch entsprechende Programme gelöst. Programme und von diesen benötigte Daten werden in einem gemeinsamen Speicher abgelegt. Die Speicherplätze sind gleichlang und werden über Adressen einzeln angesprochen.

Die bedeutendste Neuerung war von Neumanns Idee, Programm und Daten zuerst in den Speicher zu laden und dann auszuführen. Bis dahin war das Programm noch hardwaremäßig verschaltet oder wurde über Lochstreifen schrittweise eingelesen und sofort (streng sequentiell) bearbeitet. Nun war es möglich:

Sprünge aufgrund logischer Entscheidungen auszuführen
Programmcode während des Programmablaufes zu modifizieren

Von Neumann erreichte mit seinem Konzept, dass der Rechner selbstständig logische Entscheidungen treffen kann. Damit ist der Übergang vom starren Programmablauf zur flexiblen Programmsteuerung vollzogen.

Die von Neumann Architektur hat aber auch einige Nachteile:

Im Speicher kann man Befehle und Daten nicht unterscheiden.
Im Speicher kann man variable und konstante Daten nicht unterscheiden.

Bei falscher Adressierung können Speicherinhalte verändert werden, die nicht geändert werden dürfen, wie z. B. Befehle und Konstanten.

Da Daten und Befehle im Speicher gehalten werden, wird die Verbindung und Datenübertragung zwischen CPU und Speicher bzw. zur Ein-/Ausgabe über den Systembus zum sogenannten Von-Neumann-Flaschenhals. Jeglicher Datenverkehr von und zur CPU wird über den internen Bus abgewickelt, dessen Transfergeschwindigkeit langsamer ist, als die Verarbeitungsgeschwindigkeit der CPU. Dieses Problem versucht man in modernen PC's durch die Verwendung von schnellem Cache-Speicher, der meist in der CPU integriert ist, abzuschwächen.

Komponenten der von-Neumann-Rechnerarchitektur

Die CPU besteht aus Recheneinheit (ALU) und Steuereinheit. Die ALU hat eine feste Wortbreite, z. B. 8, 16, 32 oder 64 Bit, ihre Aufgabe besteht in der Bearbeitung der Daten, besonders dem Ausführen von arithmetischen und logischen Operationen.

Zur wichtigsten Aufgabe der Steuereinheit gehört die Koordination der zeitlichen Abläufe im Rechner. Dazu muss die Steuereinheit die Befehle aus dem Speicher holen, entschlüsseln und deren Ausführung steuern. Die Steuereinheit besteht aus Befehlsregister, Befehlsdecoder, Speicheradressregister und Befehlszähler (Program Counter). Das folgende Bild zeigt den prinzipiellen Ablauf bei Bearbeiten eines Befehls.

Im Befehlsregister (IR, Instruction Register) befindet sich jeweils der aktuell bearbeitete Befehl
Der Befehlsdecoder entschlüsselt den Befehl und erzeugt die zur Ausführung notwendigen Hardware-Steuersignale
Im Speicheradressregister (MAR, Memory Adress Register) steht die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls oder die Adresse eines Datenwortes, falls zur Ausführung eines Befehls ein Datenwort vom Speicher geholt bzw. in den Speicher gebracht werden muss.
Der Befehlszähler (PC, Program Counter) enthält die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls.

Der Speicher eines von-Neumann-Rechners besteht aus einer Vielzahl von Speicherworten, die wahlfrei adressiert werden können.

Innerhalb eines von-Neumann-Rechners erfolgt der Datentransport auf internen Datenwegen, den Bussen:

Der Datenbus wird normalerweise parallel übertragen, d. h. bei einem 32-Bit-System besteht der Datenbus aus 32-Leitungen. Er transportiert Speicher- oder E/A-Daten von und zur CPU.
Der Adressbus besteht aus den Adressleitungen, deren Anzahl vom Adressbereich der CPU abhängt.
Der Steuerbus koordiniert den Zugriff auf die Komponenten und enthält u. a. Leitungen für die Interrupt-Steuerung, Buszugriffssteuerung, der Taktung, Reset- und Statusleitungen.

1.2 Begriffe

Mikrocomputer:

Datenverarbeitungssystem mit einem Mikroprozessor als CPU
Extrem räumlich verkleinertes DVS (PC, Laptop, Steuerechner, etc.)
Leistungsfähigkeit eingeschränkt gegenüber Mini- und Groß-DVS
Verwendung häufig als Steuerungsrechner

Mikroprozessor:

Auf einem Chip integrierte Steuer- und Verarbeitungseinheit, die als CPU im Mikrocomputer verwendet wird (Steuer- und Leitwerk)
Mikroprozessor alleine ist nicht einsatzfähig - erst der Mikrocomputer
Mikrocomputer = Mikroprozessor + Speicher + E/A-Bausteine [+ Peripherie]

Mikrocontroller:

Mikrocomputer, die auf einem Chip integriert sind Single-Chip-Mikrocomputer
begrenzter Arbeitsspeicher (meist weniger als 1 MByte)
kein Massenspeicher (Festplatte,...)
längere Zykluszeiten (PC: bis GHz, MC: wenige MHz)
Möglichkeit der Signalverarbeitung (z. B.: integrierte serielle Schnittstelle, Analog-/Digital-Wandler, Zeitgeber, Impulszähler)

Havard-Architektur

Daten- und Programmspeicher sind getrennt.
Daten und Befehle lassen sich zeitgleich aus dem Speicher holen.
Es ist ein recht hoher Hardwaraaufwand erforderlich.

1.3 Entwicklung

Mikroprozessor und Mikrocomputer sind Ergebnis der Entwicklungen im Bereich der Halbleitertechnik

Mikroelekronik, ständige Erhöhung der Integrationsdichte.

SSI (small scale integration): einige Gatter
MSI (medium scale integration): Zähler, Register, ALU
LSI (large scale integration): Mikroprozessor, Speicher
VLSI (very large scale integr.): komplexere Mikroprozessor, Speicher
ULSI (ultra large scale integr.): Speicher hoher Kapazität

Die zunehmende Integrationsdichte führte zu immer stärkerer Spezialisierung der Funktion und zur Einschränkung der Einsatzmöglichkeiten kundenspezifische LSI-Schaltkreise. Auswege:

standardisierte Bausteine
programmgesteuerte Bausteine (Mikroprozessor, Mikrocomputer)

Der erste Mikroprozessor wurde 1970/71 von Intel als Steuerbaustein für ein Bildschirmterminal entwickelt. Da er für den vorgesehenen Zweck zu langsam war, wurde er als universeller Steuerbaustein vermarktet (4004, 8008). Durch Zufall kam dieses Produkt zur richtigen Zeit als Alternative zu kundenspezifischen Bausteinen auf den Markt. Folge: sensationell zunehmende Entwicklung des Mikrocomputer-Einsatzes. Die Entwicklung erfolgte in zwei Richtungen:

Ersatz festverdrahteter Logikschaltungen Verwendung des Mikrocomputer als spezieller Steuerungsrechner
Entwicklung kleiner und billiger Universalrechner Personal Computer

Mikrocomputer als Ersatz festverdrahteter Logik

Einsatz für komplexe Steuerungsaufgaben in sich ständig ausweitenden Anwendungsgebieten. Die weitaus größere Zahl von Mikroprozessoren wird hier eingesetzt. Das Programm für eine bestimmte Aufgabe wird im ROM abgelegt. Ein kleiner RAM-Bereich speichert die Variablen, z. B.:

Single-Chip-Mikrocomputer mit RAM und ROM auf dem Chip
Mikroprozessor + ROM + E/A-Baustein mit integr. RAM

Einsatzbeispiele:

Meßtechnik:
komfortable und leistungsfähige Meßgeräte (Bereichswahl, Berechnung, Eichkurven, graph. Darstellung, ...)
Steuerung:
NC-Maschinen, Prozeßsteuerung, Roboter, SPS, automat.Testsysteme, KFZ-Technik
Nachrichtentechnik:
Fernsprechtechnik + Vermittlungstechnik (Nebenstellenanlagen, ISDN, Mobiltelefon, ...), Telefax, Sender + Empfänger, Radar, Spracherkennung, ...
Bürotechnik:
Kopierer (heute schon voll digital), Registrierkassen, Schreibautomaten, Anrufbeantworter, ...
KFZ-Elektronik:
Motorsteuerung, ABS, Bord-Computer, Verkehrsleitsysteme, Diagnose-Computer, ... letzte Entwicklungen: autonomes, "sehendes" Fahrzeug
Haushaltelektronik:
Waschmaschine, Nähmaschine, Heizungssteuerung, Alarmanlagen, ...
Unterhaltungselektronik:
Radio- und Fernsehgeräte, HIFI-Geräte, Videorecorder, Satelliten-Empfänger, ...
Datenverarbeitung:
Intelligente Peripherie (Terminals, Drucker, Plotter, Scanner, ...)

Mikrocomputer als Universalrechner

Ursprünglich als Entwicklungssysteme für den o.g. Anwendungsbereich konzipiert erfolgte eine Weiterentwicklung zu Arbeitsplatzrechnern (PC, Homecomputer).