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.
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 ?
Zielsetzung & Themen
Diese Seminararbeit untersucht das Neumannsche-Rechenmodell, analysiert dessen grundlegende Architekturkomponenten sowie das Ablaufkonzept und hinterfragt die Effizienz heutiger Hardware-Entwicklungen im Kontext von Software und Multi-Core-Prozessoren.
- Historische Entwicklung der Neumann-Architektur
- Technische Analyse der CPU-Funktionseinheiten
- Kritische Betrachtung des "von-Neumann-Flaschenhalses"
- Vergleich von Multi-Core-Prozessoren und Hyperthreading
- Die zukünftige Rolle von Software gegenüber spezialisierter Hardware
Auszug aus dem Buch
2.5.1 Keine Strukturierung von Daten
Seit der Einführung der von-Neumann-Architektur 'denken' und programmieren die Softwareentwickler bzw. die Informatiker sequentiell.
Ein Problem wird hierbei in eine Folge von Anweisungen zerlegt, die dann von der Maschine in einer vorgegebenen Reihenfolge verarbeitet wird. Dieses geschieht auch, wenn das gestellte Problem die Einhaltung einer speziellen Reihenfolge gar nicht verlangt. Als Beispiel kann hier die Addition genannt werden. Aufgrund des Kommunikativgesetzes der Mathematik spielt es keine Rolle, in welcher Reihenfolge die Operanden addiert werden. In der jetzigen sequentiellen Programmierung muss aber genau eine Reihenfolge definiert werden. Das bedeutet, dass alleinig der Maschinenbefehl den Operandentyp bestimmt.
Die skalare und streng sequentielle Programmverarbeitung durch den Neumann-Rechner bewirkt einen entsprechenden Denk- und Programmierstil, der zum einen der natürlichen Denkweise eines Menschen widerspricht und zum anderen zur Lösung des umzusetzenden Problems nicht erforderlich ist.
Um diesen aufgezeigten Mangel der von-Neumann-Sprache zu beseitigen, wurden zunächst die bestehenden Programmiersprachen (Cobol, Fortran, Algol) überarbeitet und erweitert. Dies hatte zur Folge, dass diese damit überdimensioniert, komplex und unflexibel wurden, da jede Programmiersprache aus Kompatibilitätsgründen sämtliche Möglichkeiten der vorangegangenen beinhalten musste. Da es sich allerdings um grundsätzliche sprachliche Nachteile in Verbindung mit der Neumann-Architektur handelt, verfügen nun auch die erweiterten Programmiersprachen weiterhin nur über eine beschränkte Ausdrucksmöglichkeit. Sie wurden eher nur weiter aufgebläht und sind somit noch schwieriger zu handhaben.
Zusammenfassung der Kapitel
1. John von Neumann: Ein kurzer biografischer Abriss des Namensgebers der Architektur.
2. Das Neumannsche Rechenmodell: Erläuterung der Entstehungsgeschichte, der universellen Programmierbarkeit und der funktionalen Komponenten (CPU, Speicher, I/O, Bus).
2.1 Geschichte: Darstellung der Herkunft des Modells aus dem "First Draft of a Report on the EDVAC".
2.2 Grundüberlegungen / Universalrechner: Analyse der Trennung von Hard- und Software und der Bedeutung der universellen Maschinenstruktur.
2.3 Funktionseinheiten: Beschreibung der drei Kernbestandteile CPU, Speicher und Ein-/Ausgabeeinheit.
2.3.1 CPU: Detaillierte Untersuchung des Befehlsprozessors, des Datenprozessors und der eingesetzten Register.
2.3.2 Speicher: Erläuterung von ROM und RAM innerhalb des Neumannschen Speichermodells.
2.3.3 Ein-/Ausgabeeinheit (E/A): Bedeutung der Schnittstellen zwischen Computer und Außenwelt.
2.3.4 Datenbus: Beschreibung der Verbindung zwischen den Komponenten durch Bus-Systeme.
2.4 Ablaufkonzept: Erklärung des sequentiellen Abarbeitungsprinzips (SISD).
2.5 Nachteile Neumann-Architektur: Darstellung der limitierenden Faktoren der Architektur.
2.5.1 Keine Strukturierung von Daten: Kritik am sequentiellen Programmierstil und dessen Nachteilen.
2.5.2 von-Neumann-Flaschenhals: Analyse der Engpässe bei der Datenübertragung zwischen Prozessor und Speicher.
3. Multi-Core Prozessor: Einführung in moderne Mehrkernprozessoren und deren Bezug zur Neumann-Architektur.
3.1 Definition Multi-Core Prozessor: Definition von Mehrkernprozessoren und deren Funktionsweise.
3.2 Besonderheiten: Erläuterung, warum mehr Kerne nicht automatisch eine Performance-Steigerung bedeuten.
3.3 Multicore oder Hyperthreading: Diskussion und Vergleich von Parallelisierungstechniken.
3.3.1 Beispiel HT beim Atom-Prozessor: Anwendungsbeispiel zur Verdeutlichung des Nutzens von Hyperthreading.
4. Fazit – Das Ende der Hardware ?: Reflexion über die zukünftige Verschiebung von Hardware-Aufgaben hin zu Softwarelösungen.
Schlüsselwörter
Neumann-Architektur, Multicore, Singlecore, Hardware, Software, Neumann-Flaschenhals, CPU, Hyper Threading, EDVAC, Universalrechner, Parallelisierung, Befehlsprozessor, Datenprozessor, SISD, Systemarchitektur
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit analysiert das klassische Neumannsche-Rechenmodell, beschreibt dessen Aufbau sowie Funktionsweise und untersucht, wie diese Architektur die heutige Informatik und aktuelle Prozessor-Entwicklungen beeinflusst.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen die Architektur von Neumann-Rechnern, die Problematik des sequentiellen Datenzugriffs, den sogenannten "von-Neumann-Flaschenhals" sowie moderne Ansätze wie Multi-Core-Prozessoren und Hyperthreading.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, das grundlegende Verständnis für das Neumannsche-Modell zu vermitteln und kritisch zu hinterfragen, inwiefern eine Abkehr von starrer Hardware hin zu flexiblerer Software in Zukunft notwendig ist.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt eine Literaturanalyse und eine technische Untersuchung existierender Konzepte, um den aktuellen Stand der Technik sowie historische Grundlagen gegenüberzustellen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden die Komponenten eines Neumann-Rechners, der Ablauf der Befehlsverarbeitung, die Nachteile der Architektur und die moderne Entwicklung von Mehrkern-Prozessoren als Lösungsansatz für Leistungsengpässe detailliert beschrieben.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind insbesondere Neumann-Architektur, Flaschenhals, CPU, Multi-Core, Hyper-Threading, Software-Performance und Universalrechner.
Warum wird der Begriff "von-Neumann-Flaschenhals" verwendet?
Der Begriff beschreibt den Engpass bei der Datenübertragung zwischen dem Prozessor und dem Speicher, da die CPU Befehle und Daten über denselben Bus anfordern muss, was die Gesamtgeschwindigkeit limitiert.
Was ist die Kernbotschaft bezüglich Multi-Core-Prozessoren?
Der Autor stellt fest, dass Multi-Core-Prozessoren zwar die Leistung steigern, aber das grundlegende Neumannsche-Design beibehalten. Zudem wird kritisiert, dass Programmierer weiterhin zu sequentiell denken, anstatt Anwendungen auf echte Parallelität zu optimieren.
- Quote paper
- Danny Blau (Author), 2009, Klassischer Universalrechner nach dem Konzept 'von Neumann' – Beschreibung und Realisierung in der Moderne, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/136401
