Was ist die zentrale Idee der Von-Neumann-Architektur?
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Welche Einheit macht was?
AFB II
Ordne jede Aufgabe zu: St = Steuerwerk, Re = Rechenwerk, Sp = Speicher — oder Bus. Achtung: Der Bus ist keine Funktionseinheit, sondern die Verbindung zwischen ihnen. Genau eine Aufgabe gehört zu ihm.
Holt den nächsten Befehl und steuert alle Einheiten.
Addiert, subtrahiert und vergleicht Zahlen.
Bewahrt das Programm und die Daten in nummerierten Zellen auf.
Transportiert Befehle und Daten zwischen Speicher und CPU.
„Steuern“ = leiten und holen. „Rechnen“ = die ALU. „Aufbewahren“ = Speicher. „Transportieren“ = der Bus.
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Ein Befehl im Zyklus
AFB II
Der Befehlszähler steht auf 12, dort liegt der Befehl ADDIERE [4]. Spiele den Befehlszyklus Schritt für Schritt durch.
Spiele den Ablauf Schritt für Schritt durch: Was passiert als Nächstes? Nur die richtige Karte bringt dich weiter.
Befehle und Daten liegen im selben Speicher und nutzen denselben Bus. Genau das ist die Idee von John von Neumann — und zugleich ihre Schwachstelle.
Der Zyklus hat immer dieselben drei Phasen: Holen, Dekodieren, Ausführen — und danach geht der Befehlszähler weiter.
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Trickfrage: der Flaschenhals
AFB III
Ein Prozessor schafft 4 Milliarden Rechenschritte pro Sekunde und braucht für jeden Schritt 8 Byte aus dem Speicher. Der Bus überträgt aber nur 12 Milliarden Byte pro Sekunde. Rechne nach.
Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
Wie viele Milliarden Byte pro Sekunde bräuchte der Prozessor? (4 · 8)Mrd. Byte/s
Wie viele Milliarden Byte pro Sekunde fehlen ihm? (32 − 12)Mrd. Byte/s
Wie viele Milliarden Rechenschritte sind mit 12 Mrd. Byte/s höchstens möglich? (12 ÷ 8)Mrd. Schritte/s
Wie viel Prozent seiner möglichen 4 Milliarden Schritte schafft er also noch?%
Der Prozessor wartet die meiste Zeit auf Daten. Diese Engstelle zwischen Rechenwerk und Speicher heißt von-Neumann-Flaschenhals — dagegen helfen Cache-Speicher direkt in der CPU.
Rechne alles in „Milliarden Byte pro Sekunde“. Wie viele Schritte sind möglich, wenn jeder Schritt 8 Byte braucht?
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Klick ins Schema: Wer macht was?
AFB II
Im Schema siehst du die Bestandteile eines Von-Neumann-Rechners. Klicke nacheinander die gesuchte Einheit an.
Klicke das gesuchte Element im Schema an. Mit der Tastatur: Tab oder Pfeiltasten zum Wandern, Enter zum Auswählen.
Die Aufteilung ist der Kern des Modells: Das Steuerwerk entscheidet, das Rechenwerk rechnet, das Speicherwerk hält Programm und Daten. Weil alles über einen Bus läuft, entsteht der berühmte Von-Neumann-Flaschenhals.
Rechnen und Entscheiden sind zwei verschiedene Aufgaben — sie sitzen in zwei verschiedenen Einheiten der CPU.
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Was gilt für die Von-Neumann-Architektur?
AFB III
Drei der sechs Aussagen sind richtig. Markiere genau diese drei.
Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
Der gemeinsame Speicher ist Segen und Fluch zugleich: Er macht Rechner erst universell programmierbar, erzeugt aber den Flaschenhals, weil Befehle und Daten sich denselben Weg teilen. Getrennte Speicher kennt die Harvard-Architektur — und moderne CPUs mischen beide Ideen, ohne das Grundmodell aufzugeben.
Prüfe besonders die Aussagen über den gemeinsamen Speicher — dort liegt der historische Bruch mit früheren Rechnern.
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Rückblick: RAM und SSD aus 1.2.2
AFB II
Der Von-Neumann-Rechner holt jeden Befehl aus dem Speicher. Gemeint ist dabei der Arbeitsspeicher. Warum wird ein Programm nicht direkt von der SSD ausgeführt?
Beide Speicher können Programme aufbewahren. Der Unterschied, auf den es hier ankommt, ist das Tempo — und welcher der beiden beim Ausschalten leer wird.
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Paare finden: Fachwörter im Prozessor
AFB I
Decke immer zwei Karten auf, die zusammengehören: einen Fachbegriff und seine Beschreibung. Es gibt acht Paare und höchstens 16 Versuche.
Zwei Karten aufdecken — passen sie zusammen, bleiben sie offen liegen.
Versuche: 0 von 16
Befehlszähler und Akkumulator sind die beiden wichtigsten Merk-Stellen der CPU: Der eine hält fest, wo es weitergeht, der andere, was zuletzt herausgekommen ist. Dass beide mit nummerierten Speicherzellen arbeiten, macht den ständig wiederholten Zyklus überhaupt erst möglich.
Sortiere zuerst grob: Welche Karten benennen ein Bauteil, welche eine Merk-Stelle, welche eine Tätigkeit oder einen ganzen Ablauf?
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Von Neumann oder Harvard?
AFB II
In Aufgabe 6 hast du die Harvard-Architektur kennengelernt: getrennte Speicher für Programm und Daten. Kreuze für jede Aussage an, auf welche Architektur sie zutrifft — eine Zeile braucht zwei Kreuze.
Setze in jeder Zeile die passenden Kreuze und prüfe am Ende die ganze Tabelle.
Aussage
Von-Neumann
Harvard
Programm und Daten liegen gemeinsam in einem Speicher
Programm und Daten haben getrennte Speicher mit eigenen Leitungen
Die CPU enthält Steuerwerk und Rechenwerk
Ein Befehl und ein Datenwert lassen sich gleichzeitig laden
Gut geeignet für Geräte, deren Programm sich nie ändert, etwa eine Mikrowellen-Steuerung
Die Harvard-Architektur umgeht die Engstelle des gemeinsamen Weges, weil Befehle und Daten getrennt fließen — bezahlt das aber mit weniger Flexibilität: Ein getrennter Programmspeicher lässt sich nicht mal eben neu füllen. PCs setzen deshalb auf von Neumann, kleine Steuerungen in Haushaltsgeräten oft auf Harvard. Der Aufbau der CPU selbst ist bei beiden gleich.
Frage bei jeder Zeile: Hängt die Aussage am gemeinsamen Speicher, an der Trennung — oder am Aufbau der CPU, den beide teilen?
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Der Befehlszähler in der Schleife
AFB III
Ein Programm belegt die Speicherzellen 50 bis 57. In Zelle 57 steht der Befehl SPRINGE ZU [50] — er setzt den Befehlszähler direkt auf 50. Alle anderen Zellen enthalten gewöhnliche Befehle. Der Befehlszähler startet bei 50. Auf welche Zelle zeigt er, nachdem genau 20 Befehle ausgeführt worden sind?
Zähle in Runden: Wie viele Befehle umfasst ein voller Durchlauf der Schleife? Trage die Zellennummer ein.
Ein Schleifendurchlauf umfasst die acht Befehle der Zellen 50 bis 57. Nach 16 ausgeführten Befehlen steht der Zähler wieder auf 50; die Befehle 17 bis 20 liegen in den Zellen 50, 51, 52 und 53. Nach dem 20. Befehl zeigt der Zähler also auf Zelle 54. Der Sprungbefehl zeigt, dass Befehle nicht stur nacheinander laufen müssen — erst er macht Schleifen und damit echte Programme möglich.
20 = 2 · 8 + 4. Wo steht der Zähler nach jedem vollen Achterpaket — und wohin führen die restlichen vier Schritte?
