Klassischer Universalrechner nach dem Konzept 'von Neumann' – Beschreibung und Realisierung in der Moderne

Inhaltsverzeichnis

D. Inhaltsverzeichnis

A. Abstact

B. Keywords

C. Abkürzungsverzeichnis

D. Abbildungsverzeichnis

E. Inhaltsverzeichnis

1. John von Neumann

2. Das Neumannsche Rechenmodell
2.1 Geschichte
2.2 Grundüberlegungen / Universalrechner
2.3 Funktionseinheiten
2.3.1 CPU
2.3.2 Speicher
2.3.3 Ein-/Ausgabeeinheit (E/A)
2.3.4 Datenbus
2.4 Ablaufkonzept
2.5 Nachteile Neumann-Architektur
2.5.1 Keine Strukturierung von Daten
2.5.2 von-Neumann-Flaschenhals

3. Multi-Core Prozessor
3.1 Definition Multi-Core Prozessor
3.2 Besonderheiten
3.3 Multicore oder Hyperthreading
3.3.1 Beispiel HT beim Atom-Prozessor

4. Fazit - Das Ende der Hardware ?

F.. Literaturverzeichnis

A. Abstact

In dieser Seminararbeit wird auf das Neumannsche-Rechenmodell eingegangen. Es werden hier die Komponenten beschrieben, sowie der technische Zusammenhang. Es wird zudem in Frage gestellt, wie es mit dem Thema Software vs. Hardware weitergeht und ob z.B. Multicoreprozessoren das Maß aller Dinge sind, ober ob man auch durch logische CPU-Teilung ans Ziel kommt.

A. Keywords

Neumann-Architektur; Multicore; Singlecore; Hardware; Software; Neumann-Flaschenhals; CPU; Hyper Threading;

B. Abkürzungsverzeichnis

C. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Neumann-Rechner

Abbildung 2: Aufbau einer CPU

1. John von Neumann

János von Neumann zu Margitta, Sohn einer jüdischen Bankiersfamilie, wurde am 28. Dezember 1903 in Budapest geboren und ist am 8.Februar 1957 In Washington verstorben. Heutzutage ist er vor allem unter seinem in den USA gewählten Namen John von Neumann bekannt.

2. Das Neumannsche Rechenmodell

2.1 Geschichte

Das Konzept basiert auf den resümierenden Überlegungen von Burks, Goldstine und von Neumann und wird abkürzend 'Von-Neumann-Rechnermodell' genannt.^[1]

John von Neumann beschrieb dieses Konzept 1945 in dem zunächst unveröffentlichten Papier „First Draft of a Report on the EDVAC“ im Rahmen des Baus der EDVAC-Rechenmaschine. Dieses Konzept war zum damaligen Zeitpunkt revolutionär, denn zuvor entwickelte Rechner waren an ein festes Programm gebunden, welches hardwaremäßig verschaltet war.

Das bedeutete größtenteils, dass für eine Software bzw. für ein Programm immer eine entsprechende Hardware gebaut werden musste.

Mit der von-Neumann-Architektur war es nun möglich, Änderungen an Programmen sehr schnell und ohne Änderungen an der Hardware durchzuführen. Dies hat zur positiven Folge, dass in kurzer Zeit, verschiedene Programme ablaufbar sind.

Viele Ideen dieser von-Neumann-Architektur waren schon 1936 von Konrad Zuse ausgearbeitet worden. Diese wurden in zwei Patentschriften 1937 dokumentiert und größtenteils bereits 1938 in der Z1-Maschine mechanisch realisiert worden.

Es gilt dennoch als unwahrscheinlich, dass von Neumann die Ausarbeitungen von Konrad Zuse kannte, als dieser 1945 seine Architektur vorstellte.

Die meisten der heute gebräuchlichen Computer basieren auf dem Grundprinzip der von-Neumann- Architektur.

2.2 Grundüberlegungen / Universalrechner

Zur Darstellung der von-Neumann-Architektur sind zwei wesentliche Teilkonzepte zu erwähnen. Zum einen ist es die Architektur mit den dazugehörigen Komponenten, zum Anderen ist es das Ablaufkonzept eines Programmes.

Es ist zu berücksichtigen, dass dieses Rechnermodell programmierbar ist. Das bedeutet, dass die Hardware ein Programm in Form eines maschinenlesbaren Textes benötigt, um eine Aufgabe ausführen zu können.

Durch diese Programmierbarkeit eines Rechners kann man nun erstmals von einem Universalrechner sprechen. Es gelingt jetzt, eine universelle Maschine zu bauen und sie, in einer gegenüber der Bauzeit wesentlich kleineren Zeit, auf das jeweilige Programm bzw. die jeweilige Aufgabenstellung anzupassen.

Die Struktur des Rechners ist unabhängig von dem zu bearbeitenden speziellen Problem. Die Anpassung an die Aufgabenstellung erfolgt durch Speicherung eines eigenständigen Programmes für jedes neue Problem im Speicher des Rechners. Dieses Programm enthält die notwendigen Informationen für die Steuerung des Rechners.^[2]

Die Universalität dieses Rechnermodells ist begrenzt zu den endlich zur Verfügung stehenden Speicher in einem System. Nur dieser Einschränkung ist es 'zu verdanken', dass berechenbare Probleme scheitern können.

2.3 Funktionseinheiten

Ein von Neumann-Rechner besteht aus den drei folgenden Funktionseinheiten:

- einer Zentraleinheit (Central Processing Unit / CPU)
- einem Speicher
- einer Ein-/Ausgabe-Einrichtung (auch I/O Unit genannt).

Dazu kommen noch die Verbindungen zwischen diesen Funktionseinheiten, die Busse.

Die folgende Abbildung stellt die Struktur eines Neumann-Rechners dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Neumann-Rechner

Quelle: http://www.ba-horb.de/~pl/BS Skript/img17.gif

Im Folgenden wird auf die einzelnen Funktionseinheiten etwas detaillierter eingegangen.

2.3.1 CPU

Die CPU übernimmt die Ausführung von Befehlen und enthält die dafür notwendige Ablaufsteuerung.

Die CPU besteht aus einem Befehlsprozessor und einem Datenprozessor. In dem Datenprozessor werden Berechnungen durchgeführt. Dazu enthält der Datenprozessor ein Rechenwerk, die ALU und drei Register:

- Akkumulator (A),
- Multiplikationsregister (MR)
- Link-Register (Addiererübertrag).

Darüber hinaus steht dann noch ein Memory-Buffer-Register (MBR) zur Verfügung, über welches die Kommunikation mit dem Speicher abgewickelt wird.

Befehle des Programmes werden wie die zu verarbeitenden Daten behandelt, binär kodiert und im internen Speicher verarbeitet. Die Aufgabe des Befehlsprozessor besteht nun darin, Befehle zu entschlüsseln bzw. zu dekodieren und deren Ausführung zu steuern. Dazu stehen dem Befehlsprozessor folgende Register zur Verfügung:

- Instruction Register (IR)

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] beinhaltet den aktuell bearbeiteten Befehl.

Memory Address Register (MAR)

[...]

---

^[1] Burks, Goldstine, Neumann; Preliminary Discussion of the Logical design of an Electronic Computing Instrument

^[2] Vgl.: http://www.tecchannel.de/server/prozessoren/402283/prozessorgrundlagen_von_neumann_architektur_teil_1/index3.