Heutige Computer basieren auf der von John von-Neumann entwickelten Architektur. Zwar sind heute zahlreiche Optimierungen dabei, die Grundkomponenten sind aber die gleichen.
Geschichte
1945 beschrieb John von-Neumann sein Konzept erstmals. Das Konzept war damals revolutionär, da zuvor entwickelte Rechner an ein festes Programm gebunden waren. Der Von-Neumann-Rechner realisiert alle Komponenten einer Turingmaschine, abgesehen von dem unbegrenzten Speicher, der technisch nicht realisierbar ist.
Komponenten
Ein Von-Neumann-Rechner beruht auf folgenden Komponenten, die bis heute in Computern verwendet werden:
- Rechenwerk
- führt Rechenoperationen und logische Verknüpfungen durch
- Steuerwerk
- interpretiert die Anweisungen eines Programms und regelt die Befehlsabfolge
- Bus System
- dient zur Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten
- Speicherwerk
- speichert sowohl Programme als auch Daten, welche für das Rechenwerk zugänglich sind
- Ein-/Ausgabewerk
- steuert die Ein- und Ausgabe von Daten, zum Anwender (Tastatur, Bildschirm) oder zu anderen Systemen (Schnittstellen)
Bus-System
Man unterscheidet drei verschiedene Busse: Adressbus, Datenbus und Steuerbus
- Adressbus
- überträgt Speicheradressen
- Busbreite bestimmt den adressierbaren Speicher
- Datenbus
- überträgt Daten
- Busbreite bestimmte maximale Datenmenge die pro Schritt verarbeitet werden kann
- Steuerbus
- steuert Bus-Vorgänge wie z.B. Lesen oder Schreiben
Aufgabe: Von-Neumann-Flaschenhals
Ein Problem der Von-Neumann-Architektur wird als sogenannter «Von-Neumann-Flaschenhals» beschrieben.
Wobei geht es dabei? Finde mindestens zwei Quellen und beschreibe den «Von-Neumann-Flaschenhals» in einigen Sätzen.
Lösung
Bei der von-Neumann-Architektur bestehen die Hauptkomponenten eines Computers aus der Zentraleinheit (CPU), der Speichereinheit und den Ein- und Ausgabegeräten. Die CPU enthält die Steuereinheit, die arithmetisch-logische Einheit und die Register. Der Prozessor und der Speicher sind separate Komponenten, zwischen denen die Daten über den Systembus ausgetauscht werden. Die Speichereinheit, die oft als Hauptspeicher oder Primärspeicher bezeichnet wird, speichert sowohl die Programmanweisungen als auch die Daten.
– https://www.computerweekly.com/de/definition/Von-Neumann-Flaschenhals
Das am weitesten verbreitete Rechenprinzip ist die von-Neumann-Architektur, deren zentrales Kennzeichen es ist, dass es einen gemeinsamen Speicher für Befehle und Daten gibt. Über einen einzigen Kanal wird sequentiell auf Daten und Programme zugegriffen. Durch den gemeinsamen Kanal, um dessen Bandbreite Befehle und Daten konkurrieren, entsteht jedoch ein Flaschenhals für die Leistung des Systems.
– https://www.sprind.org/magazin/comic-new-computing-concepts
Von-Neumann-Zyklus
In der Von-Neuman-Architektur kommt beim Abarbeiten von Programmen der Von-Neumann-Zyklus zum Zug. Dieser beschreibt fünf sich-wiederholende Schritte, wobei die drei letzten Schritte nicht bei jedem Befehl ausgeführt werden müssen.
- Fetch (1)
- Befehlsabruf – Aus dem Speicher wird der nächste zu bearbeitende Befehl entsprechend der Adresse im Befehlszähler in das Befehlsregister geladen und der Befehlszähler wird um die Länge des Befehls erhöht.
- Decode (2)
- Dekodierung – Der Befehl wird durch das Steuerwerk in Schaltinstruktionen für das Rechenwerk aufgelöst.
- Fetch Operands (3)
- Operandenabruf – Aus dem Speicher werden nun die Operanden geholt. Das sind die Werte, die durch den Befehl verändert werden sollen oder die als Parameter verwendet werden.
- Execute (4)
- Befehlsausführung – Eine arithmetische oder logische Operation wird vom Rechenwerk ausgeführt. Bei Sprungbefehlen und erfüllter Sprungbedingung wird an dieser Stelle der Befehlszähler verändert.
- Write Back (5)
- Rückschreiben des Resultats – Sofern notwendig, wird das Ergebnis der Berechnung in den Speicher zurückgeschrieben.
Aufgabe
Schau dir das untenstehende Video an. Welche Schritte des Von-Neumann-Zyklus erkennst du dabei?
Wilkensa via Virtuelle Fachhochschule (CC-BY) ↩︎