Von-Neumann-Rechner Einführung
Dich interessiert, was die von-Neumann-Architektur ist und wieso sie noch heute Anwendung findet? Genau das erklären wir dir in diesem Artikel.
Inhaltsübersicht
Von-Neumann-Rechner Einführung — häufigste Fragen
(ausklappen)
Von-Neumann-Rechner Einführung — häufigste Fragen
(ausklappen)-
Wie läuft bei der von-Neumann-Architektur ein einzelner Maschinenbefehl Schritt für Schritt ab?Ein Maschinenbefehl läuft als Fetch-Decode-Execute-Zyklus ab. Zuerst holt die CPU den Befehl aus dem Speicher (Fetch) und erhöht dabei typischerweise den Befehlszähler. Danach wird der Befehl im Steuerwerk dekodiert, benötigte Daten werden geholt, und das Rechenwerk führt die Operation aus; am Ende wird das Ergebnis zurückgeschrieben.
-
Was ist der von-Neumann-Flaschenhals genau?Der von-Neumann-Flaschenhals ist die begrenzte Datenrate zwischen CPU und gemeinsamem Speicher für Daten und Programme. Weil Befehle und Daten über denselben Speicherzugriff und oft denselben Bus transportiert werden, muss die CPU warten, wenn Speicherzugriffe zu langsam sind. Das bremst besonders bei vielen Lade- und Speicheroperationen.
-
Wie unterscheide ich von-Neumann-Architektur von Harvard-Architektur?Du unterscheidest sie daran, ob Programme und Daten denselben Speicherweg teilen. Bei von Neumann liegen Code und Daten im selben Speicher und werden über dieselben Zugriffe geholt. Bei Harvard sind Programmspeicher und Datenspeicher getrennt, oft mit getrennten Bussen, sodass Befehle und Daten parallel geholt werden können.
-
Welche typischen Fehler mache ich beim Zuordnen von Komponenten zur CPU?Ein typischer Fehler ist, Speicher und Ein-/Ausgabe zur CPU zu zählen, obwohl sie eigene Einheiten sind. Zur CPU gehören vor allem Rechenwerk (ALU), Steuerwerk und Register; Cache ist meist nah an der CPU, aber kein Hauptspeicher. Außerdem werden GPU oder Festplatte oft fälschlich als Teil der CPU eingeordnet.
-
Wie wirken sich Caches auf das Prinzip aus, dass Programme und Daten im selben Speicher liegen?Caches ändern das Prinzip nicht, weil Programme und Daten weiterhin logisch im selben Hauptspeicher adressiert werden. Der Cache ist nur ein schneller Zwischenspeicher, der häufig benötigte Speicherblöcke kopiert, egal ob es Instruktionen oder Daten sind. Deshalb gibt es oft getrennte Instruktions- und Datencaches, obwohl der Hauptspeicher gemeinsam bleibt.
Die von-Neumann-Architektur
Rechner, wie wir sie heute kennen, wurden dazu entwickelt Aufgaben universell lösen zu können. Dazu gehört, dass codierte Daten und die zugehörigen Programme im Rechner selbst gespeichert werden. Sie werden also nicht extern gelagert. Ebenfalls können Teile eines Programms übersprungen werden und die Programmdaten sind selbstständig änderbar.
Das Konzept eines Universalrechners ist in den 1940ern entstanden und wurde nach seinem Erfinder, dem ungarischen Mathematiker John von-Neumann, benannt. Um als Universalrechner zu gelten, müssen PCs bestimmte Anforderungen erfüllen.
Studyflix vernetzt: Hier ein Video aus einem anderen Bereich
Anforderungen an einen Von-Neumann-Rechner
Bei einer von-Neumann-Architektur muss ein PC logisch und räumlich zerlegt sein. Das heißt für uns, dass unser Rechner nicht einfach eine einzige Platine ist, an die wir Strom anschließen. Ein PC nach von-Neumann muss in ein Rechenwerk, ein Speicherwerk, ein Leit-, bzw. Steuerwerk und ein Ein- und ein Ausgabewerk gegliedert sein.
Dabei ist das Rechenwerk für die Ausführung arithmetischer und logischer Operationen zuständig und das Speicherwerk für das Speichern von Programmen und Daten.
Das Leitwerk hingegen ist für die Steuerung besagter Programme zuständig. Dies erreicht es durch das Senden von Steuersignalen an die betreffenden Komponenten. Für die Eingabe und Auslese von Daten sind jeweils das Eingabe- bzw. das Ausgabewerk zuständig.
Der PC muss noch weitere Eigenschaften erfüllen, um als von-Neumann-Rechner zu gelten. Seine Struktur darf nicht verändert werden, um das Ausführen eines anderen Programmes zu ermöglichen. Sonst wäre er ja nicht mehr universell. Außerdem müssen die Daten und auch der Code der Programme, die er verarbeitet von „außen“ eingegeben werden. Das heißt, sie müssen über Peripheriegeräte, wie zum Beispiel eine Maus, die Tastatur oder über Netzwerke wie das Internet erhalten werden.
Weiterhin dürfen sich auch alle Programme und Daten nur im selben Speicher des Rechners befinden. Es liegt also keine räumliche Trennung zwischen Daten und Programmen vor. Dieser doch sehr komplexe Speicher muss in eine Anzahl gleich großer Speichereinheiten unterteilt sein, von denen jede ihre eigene Adresse erhält. Unter diesen Adressen müssen die Zellen immer sofort erreichbar sein.
Anforderungen an den Speicher
Auch zum Beschreiben des Speichers gibt es Regeln. So müssen aufeinanderfolgende Befehle in Programmen – soweit möglich – in direkt aufeinanderfolgende Speicherzellen abgelegt werden. Das nennt man auch sequentielle Bearbeitung. Ein Begriff, den du beim Programmieren bestimmt schon oft gehört hast. Um aber die Flexibilität von Schleifen und Bedingungen zu ermöglichen, verfügt der von-Neumann-Rechner auch über Sprungbefehle und bedingte Sprungbefehle, mit denen er ohne oder mit vorangestellter Bedingung zu einer beliebigen anderen Speicherzelle springen kann. Ist eine Bedingung angegeben, kann die Adresse, zu der gesprungen wird, davon abhängig gemacht werden. Die letzte Bedingung umfasst, dass alle Programme und Daten in binär codierter Form vorliegen müssen.
Die von-Neumann-Architektur heute
Grundsätzlich ist ein von-Neumann-Rechner auch heute noch so aufgebaut, allerdings gab es im Laufe der Zeit ein paar Veränderungen. Zum einen wurden das Eingabe- und das Ausgabewerk zusammengelegt, zum anderen wurden das Rechenwerk und die Steuereinheit, ehemals Leitwerk genannt, zur CPU, also der Central Processing Unit vereint.
Da du das jetzt alles weißt, ist es an der Zeit noch tiefer in die Materie einzutauchen und vielleicht sogar wirklich mal einen PC aufzuschrauben und zu inspizieren.