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Von-Neumann-Architektur ​

Die Rechnerarchitektur beschreibt die interne Organisation eines Computers.

Der Mathematiker John von Neumann hat 1945 eine Architektur für Computer vorgestellt, welche auch heute die Grundlage von modernen Computern bildet.

John von Neumann [1]

Struktur ​

In der Von-Neumann-Architektur setzt sich ein Computer aus vier grundlegenden Komponenten zusammen:

Steuerwerk
Das Steuerwerk kontrolliert den Ablauf des ausgeführten Programms. Es speichert die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls im Programmzähler. Im Befehlsregister wird der aktuell auszuführende Befehl gespeichert. Das Adressregister gibt die Adresse der Speicherzelle an, mit welcher der aktuelle Befehl ausgeführt wird.
Rechenwerk
Das Rechenwerk führt Rechen- und Vergleichsoperationen durch. Es speichert das Zwischenresultat der aktuellen Berechnung im Akkumulator.
Speicherwerk
Im Speicherwerk sind einerseits die Programmbefehle und andererseits benötigte und berechnete Daten abgelegt. Die Speicherzelle, welche aktuell gelesen bzw. geschrieben werden soll, wird mittels eines Multiplexers ausgewählt.
Ein-/Ausgabewerk
Das Ein-/Ausgabewerk bildet die Verbindung des Computers zur Aussenwelt. Hier werden Geräte wie Tastatur, Bildschirm oder Massenspeicher angeschlossen.

Busssystem ​

In der Informatik ist ein Bus ein System zur Datenübertragung zwischen mehreren Komponenten über einen gemeinsamen Übertragungsweg. Findet eine Datenübertragung zwischen zwei Komponenten statt, so müssen die übrigen Komponenten schweigen, da sie sich sonst gegenseitig stören würden.

Kommunikation zwischen Komponenten mit Bussystem
Kommunikation zwischen Komponenten ohne Bussystem

Busse werden verwendet, um die Komplexität der Hardware zu reduzieren.

Wenn alle Komponenten direkt miteinander kommunizieren, muss zwischen allen Komponenten eine Datenleitung vorhanden sein. Wenn im Bild oben rechts eine fünfte Komponente hinzukommt, müssen fünf neue Datenleitungen gezogen werden. Wenn ein Bus verwendet wird, muss eine neue Komponente nur am Bus angeschlossen werden.

Ein bekanntes Beispiel für ein Bussystem ist der Universal Serial Bus (USB).

In der Von-Neumann-Architektur werden die Komponenten über zwei Busse miteinander verbunden:

Datenbus
Über den Datenbus werden Daten und Befehle zwischen den einzelnen Komponenten ausgetauscht.
Adressbus
Über den Adressbus wird die Adresse der Speicherzelle, welche gelesen oder geschrieben werden soll, an das Speicherwerk übermittelt.

Umsetzung in modernen Computern ​

1971 wurde mit dem Intel 4004 der erste kommerzielle Chip veröffentlicht, welcher das Steuerwerk und das Rechenwerk auf einem einzigen Chip zusammenfasst. Solche Chips werden Prozessoren (engl. Central Processing Unit, CPU) genannt.

Moderne Prozessoren enthalten in einem einzigen Chip alle Komponenten der Von-Neumann-Architektur. Am Beispiel des Apple M1 wird illustriert, wie ein moderner Prozessor aufgebaut ist.

Prozessorkerne
Der M1 enthält bis zu 20 Prozessorkerne (engl. Cores), welche aus Steuerwerk, Rechenwerk und zugehörigem Speicherwerk, dem sogenannten Cache, bestehen. Dies ermöglicht es modernen Prozessoren, mehrere Programme gleichzeitig auszuführen.
Grafikprozessor
Der M1 enthält einen Grafikprozessor (engl. Graphics Processing Unit, GPU), welcher für die Berechnung der Bildschirmausgabe zuständig ist. Ein moderner Grafikprozessor besteht wiederum aus mehreren Prozessorkernen sowie hunderten von Shadern. Dies sind spezialisierte Rechenwerke, welche auf vektorgeometrische Berechnungen für 3D-Grafiken optimiert sind.
KI-Beschleuniger
Der M1 enthält 16 KI-Beschleuniger (engl. Neural Processing Unit, NPU). Dies sind Steuer- und Rechenwerke, welche für die numerische Berechnung von linearen Gleichungssystemen optimiert sind, welche die Grundlage von Künstlichen Neuronalen Netzwerken bilden.
Cache
Der M1 enthält bis zu 96 Megabyte an Cachespeicher, in welchem Befehle und Daten direkt auf dem Prozessor zwischengespeichert werden.
USB-Controller
Der M1 enthält einen USB4-Controller, über welchen externe Geräte wie Bildschirm und Tastatur angebunden werden können. In der Von-Neumann-Architektur ist dieser Teil des Ein-/Ausgabewerks.

  1. Quelle: Wikimedia Commons ↩︎