Die Von-Neumann-Architektur (S)

2.2. Die Von-Neumann-Architektur (S)#

Die Von-Neumann-Architektur ist die bekannteste und meist verwendete Hardware-Architektur, die den Aufbau von Computern beschreibt.

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Abb. 2.4 Die Von-Neumann-Architektur auch bekannt als Princeton Architektur.#

In der Von-Neumann-Architektur finden Sie (vereinfacht) vier zentrale Bausteine: Hauptspeicher (RAM), CPU, Register und Bus. Programme liegen zunächst auf einem persistenten Speicher (z. B. Festplatte/SSD) und werden zum Ausführen in den Hauptspeicher geladen.

Die wichtigsten Komponenten sind:

  • Hauptspeicher (RAM): Temporärer, flüchtiger Speicher (auch Arbeitsspeicher), in dem während der Ausführung Programme und Daten liegen, auf die die CPU schnell zugreifen kann. Er verliert seinen Inhalt bei Stromausfall.

  • CPU: Führt Befehle aus und verarbeitet Daten. Vereinfacht besteht sie aus einer Kontrolleinheit (liest/steuert Befehle, steuert den Ablauf) und einer arithmetisch-logischen Einheit (führt Rechen- und Logikoperationen aus).

  • Register: Sehr kleine, extrem schnelle Speichereinheiten innerhalb der CPU für aktuelle Operanden und Zwischenergebnisse.

  • Bus: Verbindet die Komponenten und transportiert Informationen als Bits und Bytes über elektrische Leitungen.

Die Flüchtigkeit des Hauptspeichers ermöglicht hohe Geschwindigkeit, während persistente Speicher die Daten dauerhaft erhalten.

Damit die Bits und Bytes nicht durcheinander gelesen, manipuliert und geschrieben werden, ist die CPU getaktet:

  • Eine globale Uhr gibt vor, wann Komponenten aktiv werden können.

  • Eine CPU mit 3 Gigahertz (GHz) führt 3 Milliarden Zyklen pro Sekunde durch.

Cache

Ein Cache ist ein schneller, temporärer Speicherbereich, der dazu dient, häufig verwendete Daten oder Anweisungen zwischenzuspeichern, um den Zugriff darauf zu beschleunigen.

  • Er ist eine Art (kleiner) Puffer.

  • Er enthält einen (kleinen) Teil der Daten die zeitlich gesehen gerade verwendet werden.

  • Er dient dazu wiederholte Zugriffe auf ein langsames Hintergrundmedium (wie den Hauptspeicher) zu vermeiden.

  • Durch die Nähe zum Prozessor oder zu anderen wichtigen Komponenten minimiert der Cache die Zeit, die für den Datenaustausch benötigt wird, und erhöht dadurch die Systemleistung.

Hardvard-Architektur

Eine weitere beachtenswerte Architektur ist die sog. Harvard-Architektur.

  • Im Unterschied zur Von-Neumann-Architektur hat sie zwei unterschiedliche und separierte Speicher, einen für den Programmcode und einen für die zu verarbeitenden Daten.

  • Nachteil: kompliziert und viele Bauteile!

  • Vorteil: die CPU kann gleichzeitig Programmcode laden als auch in den Hauptspeicher schreiben oder aus ihm lesen.