Aufgaben: Von-Neumann-Architektur und maschinennahe Programme

Nennen Sie die Hauptbestandteile der Von-Neumann-Architektur und beschreiben Sie in je einem Satz die Aufgabe von Rechenwerk, Steuerwerk, Speicher und Ein-/Ausgabewerk.

Erklären Sie das Prinzip des gemeinsamen Speichers für Daten und Programme in der Von-Neumann-Architektur. Nennen Sie einen Vorteil und einen Nachteil.

Ein Rechner hat einen Akkumulator ACC und die Befehle LOAD x (ACC ← Speicher[x]), ADD x (ACC ← ACC + Speicher[x]), STORE x (Speicher[x] ← ACC). Es gilt Speicher[10] = 7 und Speicher[11] = 5.

Das Programm lautet: LOAD 10, ADD 11, STORE 12.

Geben Sie den Inhalt von ACC nach jedem Befehl und den Inhalt von Speicher[12] am Ende an.

Ein Registermaschinenmodell kennt die Befehle LOAD x, ADD x, SUB x, STORE x, JUMPZ z (springe zu Zeile z, falls ACC = 0), JUMP z, HALT. Zu Beginn gilt Speicher[20] = 3, Speicher[21] = 4, Speicher[22] = 0, Speicher[23] = 1.

Programm:

1: LOAD 22

2: ADD 21

3: STORE 22

4: LOAD 20

5: SUB 23

6: STORE 20

7: JUMPZ 9

8: JUMP 1

9: HALT

1. a) Protokollieren Sie die Werte von Speicher[20] und Speicher[22] nach jedem Durchlauf der Schleife.

1. b) Welche mathematische Operation berechnet das Programm?

Erklären Sie anhand des Befehlszyklus (Fetch, Decode, Execute), wie der Befehl ADD 11 aus Aufgabe FACIL-03 abgearbeitet wird. Gehen Sie dabei auf Befehlszähler, Befehlsregister und Akkumulator ein.

Ein Mikrocontroller speichert die Zahl 200 als 8-Bit-Binärzahl ohne Vorzeichen.

1. a) Geben Sie die Binärdarstellung an.

1. b) Es wird 100 addiert. Berechnen Sie das Ergebnis im 8-Bit-Speicher und erklären Sie, was geschieht (Überlauf).

1. c) Erklären Sie, warum Programmbefehle und Zahlen im Speicher beide als Bitmuster vorliegen.

Schreiben Sie ein Programm für die Registermaschine aus MEDIO-01 (mit Befehlen LOAD, ADD, SUB, STORE, JUMPZ, JUMP, HALT), das das Produkt von Speicher[30] und Speicher[31] (beide nichtnegativ) in Speicher[32] ablegt. Speicher[33] enthält die Konstante 1. Erläutern Sie den Ablauf und testen Sie mit $4 \cdot 3$.

Ein Programm läuft in einer Schleife und enthält durch einen Fehler einen Sprungbefehl, der auf eine Datenzelle statt auf einen Befehl zeigt.

1. a) Erklären Sie, warum die Von-Neumann-Architektur dies nicht verhindern kann.

1. b) Erläutern Sie, welche Sicherheitsprobleme sich daraus ergeben können (z. B. Pufferüberlauf).

1. c) Nennen Sie eine Gegenmaßnahme.

Der Von-Neumann-Flaschenhals begrenzt die Leistung eines Rechners.

1. a) Erklären Sie, was damit gemeint ist.

1. b) Erläutern Sie, wie Cache-Speicher das Problem abmildern.

1. c) Beurteilen Sie, ob ein Rechner mit getrenntem Programm- und Datenspeicher (Harvard-Architektur) für eine Waschmaschinensteuerung sinnvoll wäre.