Aufgaben: Von-Neumann-Architektur

Nennen Sie die Hauptkomponenten eines Rechners nach der Von-Neumann-Architektur und beschreiben Sie jeweils in einem Satz ihre Aufgabe: Steuerwerk, Rechenwerk, Speicher, Ein-/Ausgabewerk, Bussystem.

Erklären Sie das Grundprinzip „Daten und Programme liegen im selben Speicher“. Nennen Sie einen Vorteil dieses Prinzips.

Ordnen Sie den Schritten des Befehlszyklus die richtige Reihenfolge zu: (a) Befehl ausführen, (b) Befehl aus dem Speicher holen, (c) Befehl dekodieren, (d) Befehlszähler erhöhen bzw. nächsten Befehl bestimmen. Erklären Sie, was in jedem Schritt geschieht.

Ein einfacher Rechner hat die Befehle LOAD adr (Wert aus Speicherzelle in den Akkumulator), ADD adr (Wert addieren), STORE adr (Akkumulator in Speicherzelle) und HALT. Die Zellen 10 und 11 enthalten die Werte 7 und 5, Zelle 12 den Wert 0.

Programm:

1: LOAD 10

2: ADD 11

3: STORE 12

4: HALT

1. a) Geben Sie nach jedem Befehl Akkumulator und Inhalt von Zelle 12 an.

1. b) Was berechnet das Programm?

1. c) Ändern Sie es so, dass es $7 + 5 + 5$ berechnet.

Erklären Sie, was der „Von-Neumann-Flaschenhals“ ist.

1. a) Beschreiben Sie, warum der gemeinsame Bus zu Wartezeiten führt.

1. b) Nennen Sie zwei Maßnahmen moderner Rechner, die das Problem verringern (z. B. Cache).

1. c) Ein Prozessor kann 3 Milliarden Befehle pro Sekunde ausführen, der Speicher liefert aber nur 1 Milliarde Zugriffe pro Sekunde. Wie viel Prozent der Rechenleistung können höchstens genutzt werden, wenn jeder Befehl einen Speicherzugriff benötigt?

Die Lehrkraft einer Schule in Düsseldorf zeigt einen Laptop. Ordnen Sie folgende Bauteile den Komponenten der Von-Neumann-Architektur zu und begründen Sie: Prozessor (CPU), Arbeitsspeicher (RAM), SSD, Tastatur, Bildschirm, Hauptplatine mit Leitungen.

Ein Registermaschinenprogramm mit den Befehlen LOAD adr (lädt den Inhalt der Zelle adr in den Akkumulator), STORE adr (speichert den Akkumulatorinhalt in Zelle adr), ADD adr bzw. SUB adr (addiert bzw. subtrahiert den Inhalt der Zelle adr zum bzw. vom Akkumulator), JNZ z (springt zu Zeile z, wenn der Akkumulator ungleich 0 ist), JMP z (springt immer zu Zeile z) und HALT (beendet das Programm) steht im Speicher. Die Zelle 20 enthält 3, Zelle 21 enthält 0, Zelle 22 enthält 1.

1: LOAD 21

2: ADD 20

3: STORE 21

4: LOAD 20

5: SUB 22

6: STORE 20

7: JNZ 1

8: HALT

1. a) Erstellen Sie eine Tabelle mit den Werten der Zellen 20 und 21 nach jedem Durchlauf der Schleife.

1. b) Was berechnet das Programm?

1. c) Erklären Sie, wie der Befehlszähler diese Schleife ermöglicht.

Beurteilen Sie die Aussage: „Da Programme und Daten im selben Speicher liegen, kann ein fehlerhaftes Programm sich selbst oder andere Programme überschreiben.“

1. a) Erklären Sie, was gemeint ist und warum dies eine Folge der Von-Neumann-Architektur ist.

1. b) Nennen Sie einen Schutzmechanismus moderner Betriebssysteme.

1. c) Vergleichen Sie kurz mit der Harvard-Architektur.

Ein Rechner hat 16-Bit-Adressen und speichert pro Adresse ein Byte.

1. a) Wie viele Speicherzellen kann er maximal adressieren? Geben Sie das Ergebnis in KiB an.

1. b) Ein Befehl besteht aus 8 Bit Operationscode und 16 Bit Adresse. Wie viele Byte belegt ein Programm aus 200 Befehlen?

1. c) Wie viele Bit Adressbreite benötigt man mindestens, um 4 GiB zu adressieren? Begründen Sie.