Von-Neumann-Architektur Oberstufe

Fast alle heutigen Computer, vom Smartphone bis zum Server, folgen einem Bauplan, den John von Neumann 1945 beschrieben hat.

Vom EVAS-Prinzip zu von Neumann

EVAS-Prinzip	Von-Neumann-Architektur
Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe, Speicher	Eingabewerk, Ausgabewerk, Speicherwerk
„Verarbeitung“ als Blackbox	Verarbeitung = CPU aus Rechenwerk und Steuerwerk
–	Transport aller Daten über ein Bussystem

            ┌───────────────── CPU ─────────────────┐
            │  Steuerwerk (CU)     Rechenwerk (ALU) │
            └───────────────────┬───────────────────┘
                                │
 ═══════════════════════════ BUS ══════════════════════════
      │                     │                     │
 Eingabewerk           Speicherwerk          Ausgabewerk

Merke: Die Komponenten

Komponente	Aufgabe
Rechenwerk (ALU, Arithmetic Logic Unit)	führt Rechen- und Logikoperationen aus
Steuerwerk (CU, Control Unit)	holt Befehle aus dem Speicher, entschlüsselt sie und steuert alle anderen Komponenten
Speicherwerk	speichert Programme und Daten gemeinsam
Eingabewerk / Ausgabewerk	Verbindung zu Ein- und Ausgabegeräten
Bussystem	Leitungen zum Datentransport zwischen allen Komponenten

Rechenwerk und Steuerwerk bilden zusammen die CPU (Central Processing Unit).

Das Speicherwerk und der Bus

• Der Arbeitsspeicher (RAM) enthält die Programme und Daten, die die CPU gerade verarbeitet. Random Access bedeutet: Die CPU kann auf jede beliebige Speicherzelle direkt zugreifen.
• RAM ist flüchtig: Ohne Strom sind die Daten weg. Nichtflüchtige Speicher (SSD, Festplatte) behalten sie.

Der Bus besteht aus drei Arten von Leitungen:

Bus	Aufgabe
Datenbus	überträgt die eigentlichen Daten
Adressbus	gibt an, welche Speicherzelle angesprochen wird
Steuerbus	überträgt Steuersignale (z. B. „lesen“ oder „schreiben“)

Adressleitungen und Speichergröße

Mit n Adressleitungen kann man 2ⁿ Speicherzellen unterscheiden. Mit 32 Leitungen sind das 2³² ≈ 4 GiB, deshalb konnten 32-Bit-Systeme nicht mehr als etwa 4 GB RAM nutzen.

Von-Neumann-Flaschenhals

Alle Daten und Befehle müssen nacheinander über denselben Bus. Die CPU ist oft schneller, als Daten nachgeliefert werden können.

Prozessoren heute

Merkmal	Bedeutung
Befehlssatz	welche Grundbefehle die CPU versteht (z. B. x86 in PCs, ARM in Smartphones)
Taktfrequenz	wie viele Arbeitsschritte pro Sekunde (in GHz)
Energieeffizienz	Rechenleistung pro Watt, wichtig für Akkulaufzeit und Kühlung
Mehrkern / Multi-Threading Lk	mehrere Aufgaben werden wirklich gleichzeitig bearbeitet

Aufgabe

Verschaffe dir mit einer interaktiven Darstellung einen Überblick über die sechs Elemente (CPU = ALU + CU) und notiere zu jedem eine Aufgabe. Recherchiere dann die Daten deines eigenen Computers oder Handys: Prozessor, Kerne, Arbeitsspeicher.