Von-Neumann-Architektur: CPU, Zyklus, Flaschenhals

Von-Neumann-Rechner Architektur

• Die CPU besteht aus einem Rechenwerk für mathematische Operationen und einem Steuerwerk, das Programmbefehle lädt, interpretiert und Komponenten sowie Datenquellen verschaltet.
• Das Speicherwerk dient zur Speicherung von Daten und Programmen.
• Ein- und Ausgabewerk ermöglichen die Interaktion mit der Außenwelt.
• Das Bussystem umfasst Adress-, Daten- und Steuerbusse.

Von-Neumann-Zyklus

• Fetch: Die Adresse des aktuellen Befehls wird an das Speicherwerk gesendet und der Befehl empfangen.
• Decode: Der Befehl wird analysiert und Vorbereitungen für die Ausführung getroffen; der Programmzähler wird erhöht.
• Fetch Operands: Zusätzlich benötigte Operanden werden abgerufen.
• Execute: Der aktuelle Befehl wird ausgeführt bzw. das Rechenwerk mit der Ausführung beauftragt.
• Write Back: Das Ergebnis des ausgeführten Befehls wird an der vorgesehenen Stelle (Register oder Speicher) gespeichert.

Flaschenhals des Von-Neumann-Rechners

• Performance-Einbußen entstehen, da Daten und Befehle im selben Speicher gespeichert sind.
• Der Zugriff auf den gemeinsamen Datenbus verlangsamt den Prozess durch sequentielles Laden.

Aufbau der CPU

• Das Instruktionsregister (IR) gibt an, welcher Befehl als nächstes ausgeführt wird.
• Der Hauptspeicher enthält sowohl Daten als auch Instruktionen.
• Ein Dekoder interpretiert Befehle und entscheidet, ob eine Berechnung erfolgt oder nur der Programmzähler inkrementiert werden muss.
• Der Akkumulator (ACC) dient zur Zwischenspeicherung von geladenen Daten und Ergebnissen.
• Die Arithmetisch-logische Einheit (ALU) führt Berechnungen durch.
• Der Programmzähler (PC) wird iteriert, um den nächsten Befehl anzugeben.
• Operandenregister speichern Operanden.

Assemblersprache

• Assemblersprache ist eine maschinennahe Programmiersprache, die sich an den Befehlssatz einer bestimmten Prozessorarchitektur anlehnt.
• Maschinensprache wird durch für Menschen lesbare Mnemonics/Befehlskürzel dargestellt.

Wichtigste Eigenschaften des Von-Neumann-Rechners

• Der Speicher ist in durchnummerierte Zellen gleicher Größe eingeteilt
• Die Rechnerstruktur ist von der Problemstellung unabhängig und somit universell einsetzbar.
• Es gibt einen zentralen Speicher.
• Binäre Codierung wird verwendet
• Die Architektur besteht aus 4 Werken und einem Bussystem.
• Ein Programm wird als Befehlssequenz gespeichert.
• Bedingte Sprungbefehle ermöglichen eine Abweichung vom sequentiellen Abarbeitungsprinzip.

Überblick über die Von-Neumann-Architektur mit Fokus auf CPU, Speicher, Bussystem und den Von-Neumann-Zyklus (Fetch, Decode, Execute). Diskussion des Von-Neumann-Flaschenhalses.