Von-Neumann-Architektur

Die Bauteile des Rechners

John von Neumann beschrieb einen Rechner, der aus wenigen Funktionseinheiten besteht. Jede hat eine klare Aufgabe.

Vergleich mit einer Mensa-Küche: Das Steuerwerk ist die Küchenleitung, die sagt, was als Nächstes geschieht. Das Rechenwerk ist der Koch, der arbeitet. Der Speicher ist das Regal mit Rezepten und Zutaten. Die Essensausgabe ist das Ein-/Ausgabewerk, die Wagen zwischen den Stationen sind der Bus.

Programme und Daten im selben Speicher

Das wichtigste Prinzip: Befehle und Daten liegen im selben Speicher und sind dort nur Bitmuster. Ob eine Zelle als Zahl oder als Befehl gedeutet wird, hängt davon ab, wie der Prozessor sie verwendet.

Vorteil: Man ändert die Aufgabe eines Rechners, indem man ein anderes Programm in den Speicher lädt. Man muss keine Leitungen umstecken. Programme können außerdem wie Daten behandelt werden, z. B. beim Laden einer App oder beim Übersetzen durch einen Compiler.

Die Harvard-Architektur trennt dagegen Programm- und Datenspeicher mit eigenen Bussen. Sie ist besser gegen solches Überschreiben geschützt und findet sich z. B. in Mikrocontrollern.

Der Befehlszyklus

Der Prozessor arbeitet Befehle in einem ständig wiederholten Zyklus ab. Im Steuerwerk steht der Befehlszähler: Er enthält die Adresse des nächsten Befehls.

1. Holen (fetch): Der Befehl, auf den der Befehlszähler zeigt, wird aus dem Speicher geholt.

2. Dekodieren (decode): Das Steuerwerk erkennt, welche Operation und welche Adresse gemeint sind.

3. Ausführen (execute): Das Rechenwerk rechnet, oder es wird ein Wert gelesen bzw. geschrieben.

4. Befehlszähler erhöhen bzw. bei einem Sprung auf das Sprungziel setzen.

Dann beginnt alles von vorn. Ein Sprungbefehl ändert den Befehlszähler und macht so Verzweigungen und Schleifen möglich.

Ein Programm Schritt für Schritt

Zum Verständnis nutzen wir eine einfache Registermaschine mit einem Akkumulator (ACC, Register des Rechenwerks):

Mit JNZ entstehen Schleifen. Das Ablaufprotokoll (Schreibtischtest) hilft, den Überblick zu behalten.

1: LOAD 10

2: ADD 11

3: STORE 12

4: HALT

1: LOAD 21

2: ADD 20

3: STORE 21

4: LOAD 20

5: SUB 22

6: STORE 20

7: JNZ 1

8: HALT

Der Von-Neumann-Flaschenhals und Adressen

Befehle und Daten laufen über denselben Bus. Der Prozessor kann also nicht gleichzeitig einen Befehl holen und Daten lesen. Weil der Speicher meist langsamer ist als der Prozessor, wartet dieser oft: der Von-Neumann-Flaschenhals.

Gegenmaßnahmen moderner Rechner: Cache (kleiner, schneller Zwischenspeicher in der CPU), mehrere Kerne, vorausschauendes Laden von Befehlen und getrennte Caches für Befehle und Daten.

Adressbreite

Mit $n$ Bit Adressbreite lassen sich $2^n$ Zellen adressieren. 16 Bit ergeben $2^{16} = 65\,536$ Zellen, bei einem Byte pro Zelle also 64 KiB (1 KiB = 1.024 Byte). Umgekehrt: 4 GiB $= 2^{32}$ Byte, man braucht also mindestens 32 Bit. Ein Befehl aus 8 Bit Operationscode und 16 Bit Adresse belegt 24 Bit = 3 Byte.

Auf einen Blick

• Die Von-Neumann-Architektur besteht aus Steuerwerk, Rechenwerk, Speicher, Ein-/Ausgabewerk und Bussystem.

• Programme und Daten liegen im selben Speicher. Das macht Rechner flexibel, birgt aber das Risiko des Überschreibens.

• Befehlszyklus: holen, dekodieren, ausführen, Befehlszähler weiterschalten oder Sprung.

• Mit LOAD, ADD, STORE und JNZ lassen sich Programme und Schleifen mit einem Ablaufprotokoll nachvollziehen.

• Der gemeinsame Bus bildet den Flaschenhals; Cache und mehrere Kerne mildern ihn.

• $n$ Adressbits adressieren $2^n$ Speicherzellen.

Vorn gefragt: Ein Smartphone kann viele Aufgaben erledigen, weil Programme als Daten im Speicher liegen und das Steuerwerk sie Befehl für Befehl abarbeitet.