Grundprinzipien
Grundsätzlich
sind zwei Bauweisen zu unterscheiden: Ein Computer ist ein
Digitalcomputer, wenn er mit digitalen Geräteeinheiten digitale
Daten verarbeitet; er ist ein Analogcomputer, wenn er mit analogen
Geräteeinheiten analoge Daten verarbeitet.
Bis
auf wenige Ausnahmen werden heute fast ausschließlich
Digitalcomputer eingesetzt. Diese folgen gemeinsamen Grundprinzipien,
mit denen ihre freie Programmierung ermöglicht wird. Bei einem
Digitalcomputer werden dabei zwei grundsätzliche Bausteine
unterschieden: Die Hardware, die aus den elektronischen, physisch
anfassbaren Teilen des Computers gebildet wird, sowie die Software, die
die Programmierung des Computers beschreibt.
Ein
Digitalcomputer besteht zunächst nur aus Hardware. Die Hardware
stellt erstens einen so genannten Speicher bereit, in dem Daten wie in
Schubladen gespeichert und jederzeit zur Verarbeitung oder Ausgabe
abgerufen werden können. Zweitens verfügt das Rechenwerk der
Hardware über grundlegende Bausteine für eine freie
Programmierung, mit denen jede beliebige Verarbeitungslogik für
Daten dargestellt werden kann: Diese Bausteine sind im Prinzip die
Berechnung, der Vergleich, und der bedingte Sprung. Ein Digitalcomputer
kann beispielsweise zwei Zahlen addieren, das Ergebnis mit einer
dritten Zahl vergleichen und dann abhängig vom Ergebnis entweder
an der einen oder der anderen Stelle des Programms fortfahren. In der
Informatik wird dieses Modell theoretisch durch die Turing-Maschine
abgebildet; die Turing-Maschine stellt die grundsätzlichen
Überlegungen zur Berechenbarkeit dar.
Erst
durch Software wird der Digitalcomputer jedoch nützlich. Jede
Software ist im Prinzip eine definierte, funktionale Anordnung der oben
geschilderten Bausteine Berechnung, Vergleich und Bedingter Sprung,
wobei die Bausteine beliebig oft verwendet werden können. Diese
Anordnung der Bausteine, die als Programm bezeichnet wird, wird in Form
von Daten im Speicher des Computers abgelegt. Von dort kann sie von der
Hardware ausgelesen und abgearbeitet werden. Dieses Funktionsprinzip
der Digitalcomputer hat sich seit seinen Ursprüngen in der Mitte
des 20. Jahrhunderts nicht wesentlich verändert, wenngleich die
Details der Technologie erheblich verbessert wurden.
Analogrechner
funktionieren jedoch nach einem anderen Prinzip. Bei ihnen ersetzen
analoge Bauelemente (Verstärker, Kondensatoren) die
Logikprogrammierung. Analogrechner wurden früher häufiger zur
Simulation von Regelvorgängen eingesetzt (siehe:
Regelungstechnik), sind heute aber fast vollständig von
Digitalcomputern verdrängt worden.
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Hardwarearchitektur
Das
heute allgemein angewandte Prinzip, das nach seiner Beschreibung von
John von Neumann von 1946 als "Von-Neumann-Architektur" bezeichnet
wird, definiert für einen Computer vier Hauptkomponenten:
* die Recheneinheit (Arithmetisch-Logische Einheit (ALU)),
* die Steuereinheit,
* den Speicher und
* die Eingabe- und Ausgabeeinheit(en).
In
den heutigen Computern sind die ALU und die Steuereinheit meist zu
einem Baustein verschmolzen, der so genannten CPU (Central Processing
Unit, zentraler Prozessor).
Der
Speicher ist eine Anzahl von durchnummerierten "Zellen", jede dieser
Zellen kann ein kleines Stück Information aufnehmen. Diese
Information wird als Binärzahl, also einer Abfolge von
ja/nein-Informationen, in der Speicherzelle abgelegt. Besser
vorzustellen als eine Folge von Nullen und Einsen. Ein Charakteristikum
der "Von Neumann-Architektur" ist, dass diese Zahl (beispielsweise 65)
entweder ein Teil der Daten sein kann (also zum Beispiel der Buchstabe
"A"), oder ein Befehl für die CPU ("Springe...").
Wesentlich
in der Von-Neumann-Architektur ist, dass sich Programm und Daten einen
Speicherbereich teilen (dabei belegen die Daten in aller Regel den
unteren und die Programme den oberen Speicherbereich).
Dem
gegenüber stehen in der sog. Harvard-Architektur Daten und
Programmen eigene (physikalisch getrennte) Speicherbereiche zur
Verfügung. Dadurch können Daten-Schreiboperationen keine
Programme überschreiben.
In
der Von-Neumann-Architektur ist die Steuereinheit dafür
zuständig, zu wissen, was sich an welcher Stelle im Speicher
befindet. Man kann sich das so vorstellen, dass die Steuereinheit einen
"Zeiger" auf eine bestimmte Speicherzelle hat, in der der nächste
Befehl steht, den sie auszuführen hat. Sie liest diesen aus dem
Speicher aus, erkennt zum Beispiel "65", erkennt dies als "Springe".
Dann geht sie zur nächsten Speicherzelle, weil sie wissen muss, wo
sie hinspringen soll. Sie liest auch diesen Wert aus, interpretiert die
Zahl als Nummer (so genannte Adresse) einer Speicherzelle. Dann setzt
sie den Zeiger auf eben diese Speicherzelle, um dort wiederum ihren
nächsten Befehl auszulesen; der Sprung ist vollzogen. Wenn der
Befehl zum Beispiel statt "Springe" lauten würde "Lies Wert", dann
würde sie nicht den Programmzeiger verändern, sondern aus der
in der Folge angegebenen Adresse einfach den Inhalt auslesen, um ihn
dann beispielsweise an die ALU weiterzuleiten.
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