von NEUMANN-Rechner

Der von NEUMANN-Rechner ergibt sich als Verallgemeinerung eines komplexen Schaltwerkes. Im letzten Kapitel haben wir gesehen, dass beim komplexen Schaltwerk (nach der Eingabe der Operanden) immer nur ein einziger Steueralgorithmus aktiviert wird. Angenommen wir hätten Steueralgorithmen für die vier Grundrechenarten auf einem universellen Operationswerk entwickelt, das lediglich über einen Dualaddierer verfügt. Durch eine Verkettung der einzelnen Steueralgorithmen könnten wir nun einen übergeordneten Algorithmus realisieren, der die Grundrechenarten als Operatoren benötigt. Die über Steueralgorithmen realisierten Rechenoperationen können durch Opcodes, z.B. die Ziffern 1–4, ausgewählt werden und stellen dem Programmierer Maschinenbefehle bereit, die er nacheinander aktiviert. Die zentrale Idee von NEUMANN’s bestand nun darin, die Opcodes in einem Speicher abzulegen und sie vor der Ausführung durch das Steuerwerk selbst holen zu lassen. Ein solches Steuerwerk benötigt ein Befehlsregister für den Opcode und einen Befehlszeiger für die Adressierung der Befehle im Speicher. Man bezeichnet ein solches Steuerwerk als Leitwerk. Ein universelles Operationswerk, das neben einer ALU auch mehrere Register enthält bezeichnet man als Rechenwerk. Leitwerk und Rechenwerk bilden den Prozessor oder die CPU (für Central Processing Unit). Damit der Prozessor nicht nur interne Berechungen ausführen kann, sondern dass auch von außen (Benutzer) Daten einbzw. ausgegeben werden können, benötigt der von NEUMANN-Rechner eine Schnittstelle zur Umgebung, die als Ein-/Ausgabewerk bezeichnet wird. Im folgenden wird zunächst das Grundkonzept der vier Funktionseinheiten beschrieben und dann werden Maßnahmen vorgestellt, die sowohl die Implementierung als auch die Programmierung vereinfachen. Dann wird ausführlich auf den Aufbau von Rechen- und Leitwerk eingegangen. Am Ende dieses Kapitels wird ein Simulationsprogramm für ein einfaches Rechenwerk vorgestellt, mit dem die Mikroprogrammierung von Maschinenbefehlen erarbeitet werden kann.