Von-Neumann-Rechner
Abschnittsübersicht
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Mit der Turingmaschine haben wir nun eine mathematisches Modell für eine universelle Maschine, die in der Lage ist, eine Vielzahl von Problemen durch eine Programmierung zu lösen. Turings Idee in ein reales Gerät zu verwandeln, war dann aber noch eine weitere Herausforderung.Im Mai 1941 gelang dies dem Berliner Ingenieur Konrad Zuse mit der Z3, dem ersten funktionsfähigem Digitalrechner der Welt. Kriegsbedingt erfuhr die Welt jedoch nichts von dieser revolutionären Erfindung. In anderen Ländern arbeiteten Forscher ebenfalls an der Entwicklung von "rechnenden Elektronengehirnen".
John von Neumann erfuhr zufällig von der amerikanischen Entwicklung und erkannte den Nutzen für ein Projekt, in das er involviert war - dem Manhattan-Projekt. Im Nachgang abstrahierte er alle ihm bekannten Entwicklungen und beschrieb 1945 in First Draft of a Report on the EDVAC die bis heute gültige prinzipiellen Architektur eines Computers.
Bildquelle: WikiCommons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:JohnvonNeumann-LosAlamos.jpg)
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Geschichte der Computer - Abschnitt: Die ersten Computer der Welt Externes Tool -
Erarbeiten Sie unter Verwendung der Lehrbücher Informatik 2 Schöningh S. 234ff. und Oldenbourg S. 88ff. sowie des Arbeitsblattes den Aufbau und die acht Prinzipien der von-Neumann-Architektur.
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AB Johnny Lösungen Datei
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Lösung 4_3a-c Datei
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Eine Kritik am von-Neumann-Konzept wurde 1977 von Turing-Award-Preisträger John W. Backus geübt:
„Sicherlich muss es auf eine weniger primitive Art möglich sein, große Änderungen auf dem Speicher durchzuführen, als riesige Mengen von Datenwörtern vor und zurück durch den Von-Neumann-Flaschenhals zu schieben. Diese Röhre bildet nicht nur einen wörtlichen Flaschenhals für den Datenverkehr eines Problems [...], es ist ein intellektueller Flaschenhals, der uns an ein Denken „ein Datenwort auf einmal“ gebunden hat, anstatt uns zu ermutigen, in den Begriffen der größeren konzeptuellen Einheiten der vorliegenden Aufgabe zu denken.“
Ermitteln Sie mithilfe eines der bereits analysierten MOPS- oder Johnny-Programme, was mit dem Begriff "von-Neumann-Flaschenhals" gemeint ist. Recherchieren Sie Möglichkeiten, das Problem des Flaschenhalses zu reduzieren.
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Der Prozessor fordert während der Abarbeitung des Programms die Programmbefehle aus dem Speicher über den Datenbus an, muss aber auch die zu verarbeitenden Daten vom Speicher holen und wieder im Speicher ablegen. Teilweise müssen Operanden aus dem Speicher in den Prozessor nachgeladen werden. Das Rechenwerk ist also zum Warten verdammt.
Wie man damit leicht einsieht, ist das Verbindungssystem zwischen dem Prozessor und dem Speicher ein Engpass, der auch als von-Neumann-Flaschenhals bezeichnet wird.
Illustration des Flaschenhalses am Polycomputer 880 im Einzelschrittbetrieb.Da zusätzlich die Geschwindigkeit der peripheren Elemente (Speicher, I/O-Einheit) heutzutage deutlich kleiner ist als die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Prozessors, kommt es immer wieder zu unnötigen Wartezeiten des Prozessors.
In der Praxis versucht man diesen Effekt abzuschwächen. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von Zwischenspeichern (Cache) im Prozessor (L1) oder vor dem Prozessor (L2). Diese können die Daten aus dem Speicher schon vorsorglich einlesen.
Die Kritik von Backus zielt aber noch in eine weitere Richtung. Aufgrund der strukturellen Vorgabe kann ein von-Neumann-Rechner stets nur eins nach dem anderen tun. Dies ist aus Backus Sicht eine Einschränkung auch des Denkens.
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Einer der ersten Computer, der Mark I, wurde in Kooperation zwischen IBM und der Harvard-Universität entwickelt und 1944 in Betrieb genommen wurde. Er verwendete eine Rechnerarchitektur die sich von der von-Neumann-Architektur unterscheidet.
Ermitteln Sie mithilfe der angegebenen Website Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Architektur. Leiten Sie jeweils Vor- und Nachteile ab.
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