Von-Neumann-Rechner
Abschnittsübersicht
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Mit der Turingmaschine haben wir ein abstraktes Modell kennengelernt, mit dem sich algorithmische Berechnungen und die Grenzen der Berechenbarkeit untersuchen lassen. Für den Bau realer Computer waren jedoch konkrete technische Konzepte erforderlich. In den 1930er- und 1940er-Jahren entstanden verschiedene elektromechanische und elektronische Rechenmaschinen. Aus diesen Entwicklungen ging schließlich auch das Architekturmodell hervor, das wir heute als von-Neumann-Architektur bezeichnen.Im Mai 1941 stellte Konrad Zuse in Berlin die Z3 fertig. Sie gilt als erster funktionsfähiger programmgesteuerter Digitalrechner. 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 kam 1944 mit der Entwicklung des EDVAC in Berührung. 1945 beschrieb er im First Draft of a Report on the EDVAC grundlegende Prinzipien eines speicherprogrammierten Rechners. Viele dieser Prinzipien prägen Rechnerarchitekturen bis heute.
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 Prinzipien der von-Neumann-Architektur.
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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 insbesondere der Hauptspeicher und die Ein-/Ausgabegeräte meist deutlich langsamer arbeiten als der Prozessor, entstehen zusätzliche Wartezeiten..
Eine wichtige Gegenmaßnahme sind schnelle Cache-Speicher zwischen Prozessor und Hauptspeicher. Sie halten häufig oder voraussichtlich benötigte Daten und Befehle möglichst nahe am Prozessor bereit.
Das klassische von-Neumann-Modell beschreibt die Befehlsverarbeitung grundsätzlich als Folge einzelner Verarbeitungsschritte. Backus kritisierte, dass dieses Modell dadurch auch das Denken über Programme stark auf die schrittweise Verarbeitung einzelner Datenwerte ausrichtet.
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Ermitteln Sie mithilfe der angegebenen Website Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Architektur. Leiten Sie jeweils Vor- und Nachteile ab.
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