Von-Neumann-Architektur

---

Von-Neumann-Architektur

• ist die heute gängige Art wie Rechner aufgebaut sind.
• nach John von Neumann benannt, obwohl nicht ganz klar ist ob er oder Konrad Zuse mehr zur Entwicklung der modernen Computertechnik beigetragen haben.

---

Universelle Rechenmaschine

• Vorher: Spezielle Maschinen für bestimmte Aufgaben
• Idee: Bauen wir eine Maschine die beliebige Aufgaben (Programme) ausführen/berechnen kann.
• Unterschied zu anderen Architekturen: Programm (Logik) und Daten sind im selben Speicher und nicht getrennt voneinander.

---

EVA-Prinzip

• Funktionsgruppen für
  • Eingabe
  • Verarbeitung
  • Ausgabe
• Verarbeitung erfolgt streng sequenziell (nacheinander)
• Das Ergebnis einer Operation kann so eindeutig vorausgesagt werden.

---

Funktionseinheiten

• Rechenwerk
• Steuerwerk
• Speicher
• Ein- und Ausgabeeinheit

flowchart TB
	ea["Eingabe/Ausgabe"]
	subgraph .
		direction TB
		sw[Steuerwerk]
		r[Rechenwerk]
		s[Speicher]
		i["Schnittstelle (Bussystem)"]
	end
	ea["Eingabe/Ausgabe"]
	sw <--> i
	r <--> i
	s <--> i
	
	ea --> i
	i --> ea

---

CPU

• Dort sind wesentliche Teile der Von-Neumann Architektur in einem zentralen Baustein zusammengefasst.
• Kontrolliert den Datenfluss zwischen den einzelnen Funktionseinheiten.
• Die Daten kommen aus dem Arbeitsspeicher oder den angeschlossenen Geräten (Tastatur, Laufwerke, etc.)
• CPU verarbeitet Daten, danach werden sie an den Arbeitsspeicher oder angeschlossene Geräte gesendet.

---

Funktionsweise CPU

• Lädt einen Befehl aus dem Arbeitsspeicher
• Führt Befehl aus
• Lädt nächsten Befehl
• Ziel: Berechnen und verschieben von Daten

---

Befehlssatz

• Eine CPU verfügt über eine gewisse (beschränkte) Menge an Operationen die sie ausführen kann. (= Befehlssatz)
  • Addieren
  • Subtrahieren
  • Daten aus Register laden
  • Daten in Register schreiben
  • …
• Über einen Maschinencode (Kombination aus Nuller und Einser) wird festgelegt welcher Befehl ausgeführt wird.

---

Beispiel Maschinencode

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Maschinensprache

---

Nachteile

• Die Von-Neumann Architektur hat in ihrer ursprünglichen Form ein paar Probleme, die eine effiziente Ausführung verhindern.

---

Verbesserungen

• Hierarchisch gegliederte Speicherstruktur (Register und verschiedene Speicherebenen)

---

Verbesserungen (2)

• Feinere Aufteilung der Funktionseinheiten
• Erweiterung der Befehlssätze
• Mehrprozessorsysteme

---

Funktionseinheiten der CPU

Einheit	Aufgabe
IDU - Instruction Decode Unit	Befehlsdecoder. Befehle die den Prozessor als Programm erreichen werden in Mikrocode übersetzt und an ausführende Einheit übergeben
EXU - Execution Unit	Ausführungseinheit. Führt Befehle die in Mikrocode vorliegen aus.
COL - Control Logic	Kontrolleinheit. Sorgt für Kontrolle im Ablauf der Mikrocodes
BIL - Bus Interface Logic	Bussteuereinheit. Überwacht und steuert den Bus
ALU - Arithmetic Logic Unit	Arithmetisch-logische Einheit. Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division und logische Operationen (UND, ODER, NICHT)
FPU - Floating Point Unit	Fließkomma-Rechner. Berechnung mit Fließkommazahlen
DC - Data Cache	Daten-Cache-Speicher. Schneller Zwischenspeicher
CC - Code Cache	Befehls-Cache-Speicher. Schneller Befehlszwischenspeicher