Von-Neumann-Rechner

Die meisten gängigen Mikroprozessoren entsprechen dem Von-Neumann-Prinzip, welches Mitte der Vierziger Jahre von John von Neumann formuliert wurde. Von-Neumann-Rechner sind durch folgende wesentliche Eigenschaften gekennzeichnet:

• Programme und Daten sind im Arbeitsspeicher in gleicher Weise als binär verschlüsselte Informationen (Bitketten) gespeichert. Die Bedeutung dieser Informationen als Instruktionen (Befehle), Daten (Zahlen, Zeichen) oder Adressen (für Speicher, Ein-/Ausgabe) ist nur aus dem Zusammenhang ersichtlich. Programm- und Datenstrukturen sind für die Hardware nicht erkennbar.

• Die Abarbeitung einer Instruktion erfolgt in zwei Phasen, Abb. 7.2. In der ersten Phase wird aus dem Speicherplatz, dessen Adresse im Befehls- oder Programmzähler steht, ein Speicherwort (z.B. 1 Byte oder ein 16-Bit-Wort) gelesen, als Befehl angesehen und im Befehlsdekoder entschlüsselt (Fetch-Phase). In der zweiten Phase wird je nach Art des gelesenen Befehls dieser Befehl ausgeführt, oder es werden zunächst weitere, unmittelbar folgende Speicherstellen als Operanden oder Adressen gelesen, ehe die geforderte Operation erfolgen kann. Die Ausführungszeit dieser Ausführungs- oder Execute-Phase hängt somit wesentlich von der Befehls- und Adressierungsart ab. Trotz fehlender Identifikation des Speicherinhalts ist ein ordnungsgemäßer Programmablauf möglich, denn es liegt ein zweiphasiger Instruktionsablauf vor, und im Speicher müssen die Operanden und Adressen dem Instruktionscode konsekutiv zugeordnet sein, d.h. der Befehlszähler wird nach jedem Lesen eines Wortes inkrementiert.

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Abbildung: Befehlsablauf in einem Von-Neumann-Rechner für Mehrwortbefehle ohne Beachtung von Adreßrechnungen und Ein-/Ausgabeoperationen.

Dieser allgemeine Befehlsablauf ist auch für Mikroprozessoren typisch, er bedarf jedoch einiger spezifischer Ergänzungen. Tritt während der Befehlsabarbeitung eine Interruptanforderung auf, so wird diese erst nach vollständiger Abarbeitung des laufenden Befehls bedient. Bei 16- und 32-Bit-Mikroprozessoren können umfangreiche Adreßrechnungen und gegebenenfalls Leseoperationen von Speichersegmenten oder -seiten aus dem externen Speicher erforderlich werden, bevor die nächste Instruktion des Anwenderprogramms abgearbeitet werden kann.