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Von Neumann Architektur
Grundlagen
Die Von-Neumann-Architektur bildet die Grundlage für die Arbeitsweise der meisten heute bekannten Computer. Sie ist benannt nach dem österreichisch-ungarischen, später in den USA tätigen Mathematiker John von Neumann, dessen wesentliche Arbeit zum Thema 1945 veröffentlicht wurde. Sie wird manchmal auch Princeton-Architektur genannt (nach der Princeton University).
Kernidee ist die Tatsache, dass die Daten und die Programme im selben Speicher abgelegt werden. Zuvor entwickelte Rechner waren an ein festes Programm gebunden, das entweder hardwaremäßig verschaltet war oder über Lochkarten eingelesen werden musste. Mit der Von-Neumann-Architektur war es nun möglich, Änderungen an Programmen sehr schnell und ohne Änderungen an der Hardware durchzuführen oder in kurzer Folge verschiedene Programme ablaufen zu lassen.
Komponenten der Von Neumann Architektur
| ALU/Rechenwerk: | Die Arithmetic Logic Unit ist die Zentraleinheit, welche logische Verknüpfungen und Rechnungen durchführen kann. |
| Control Unit/Steuerwerk: | Interpretiert die Programmanweisungen und regelt die Befehlsabfolge. |
| BUS/Bus System: | Dient zur Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten (Daten-, Steuer-, Adressbus) |
| Memory/Ram/Arbeitsspeicher: | Speichert sowohl die Programme, als auch die Daten. |
| I/O Unit/Eingabe-/Ausgabewerk: | Steuert die Ein- und Ausgabe von Daten zum Anwender (Maus, Tastatur, Bildschirm) oder zu anderen Systemen. |
Von-Neumann-Zyklus
Der Prozess bei der Verarbeitung eines Befehls läuft bei einem Von-Neumann-Rechner sequenziell nach einem bestimmten Muster ab, dem Von-Neumann-Zyklus.
| 1.FETCH | Befehlsabruf: Entsprechend der Adresse, die im Befehlszähler (PC) steht, wird der nächste zu bearbeitende Befehl in das Befehlsregister geladen. |
| 2.DECODE | Der Befehl wird durch das Steuerwerk „verstanden“ (dekodiert) und in Schaltinstruktionen für das Rechenwerk aufgelöst |
| 3. FETCH OPERANDS | Die Operanden werden aus dem Speicher geholt. Dies sind die Werte, die verändert werden oder für die Operation verwendet werden (Parameter) |
| 4. EXECUTE | Eine Rechnung wird durch das Rechenwerk (ALU) ausgeführt. Bei Sprungbefehlen wird der Befehlszähler verändert |
| 5. WRITE BACK | Falls nötig, wird das Ergebnis der Berechnung in den Speicher geschrieben |
Bearbeite den folgenden Lernpfad zum Johnny-Simulator: Lernpfad Johnny-Simulator
Die Webbasierte Version von Johnny findest du hier
PDF-Skript zum Johnny-Simulator
Aufgaben
- Was machen die Makrobefehle konkret: TAKE, ADD, SUB, SAVE, JMP, TST, INC, DEC, NULL, HALT
- Beschreibe, was konkret passiert auf Makroebene, wenn das unten abgebildete Programm ausgeführt wird.
- Beschreibe, was konkret auf Mikroebene passiert, wenn das Programm abgearbeitet wird.
Lernziele
- Grundprinzip der Von Neumann-Architektur verstehen (nur ein Speicher für Daten und Programme, Befehle werden sequenziell abgearbeitet nach dem Von Neumann-Zyklus.
- Was sind Hauptunterschiede zwischen dem Johnny-Simulator und einem „wirklichen“ Computer (z.B. bezüglich den verarbeiteten Daten, dem Bus-System, dem ALU)
- Grundkomponenten verstehen und Abkürzungen kennen: db, ab, ram, ins, pc, mc, acc
- Verstehen, dass die Daten bzw. Programme im RAM „zweiteilig“ gespeichert sind (2 Ziffern für den Befehl und 3 für die Daten).
- Unterschied zwischen Makro- und Mikro-Befehlen verstehen.
- Die Makrobefehle verstehen.
- Mikrobefehle zu den entsprechenden Makrobefehlen zuordnen können.
- Ein in Makrobefehlen gegebenes Programm erklären können, d.h. angeben können, was im Speicher/Akkumulator passiert.