Von-Neumann-Architektur

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Die Von-Neumann-Architektur benannt nach John von Neumann ist ein Schaltungskonzept zur Realisierung universeller Rechner (Von-Neumann-Rechner, VNR), welches folgende Komponenten enthält:

ALUs - Rechenwerk (führt Rechenoperationen und logische Verknüpfungen aus)
Memory - Speicherwerk (speichert sowohl Programme als auch Daten, welche für das Rechenwerk zugänglich sind)
Control Unit - Steuerwerk (interpretiert die Anweisungen eines Programmes und steuert die Ausführung dieser Befehle)
I/O Unit - Eingabe-/Ausgabewerk (steuert die Ein- und Ausgabe von Daten)
Bus - Verbindungssystem (verbindet alle Komponenten)

Das Rechen- und das Steuerwerk (manchmal auch Leitwerk genannt) bilden die sogenannte Zentraleinheit, den Prozessor. Dieses Konzept, das von Neumann 1945 in dem zunächst unveröffentlichten Papier “First Draft of a Report on the EDVAC” im Rahmen des Baus der EDVAC beschrieb, war zur Zeit seiner Entwicklung revolutionär. Zuvor entwickelte Rechner waren im allgemeinen an ein festes Programm gebunden, das entweder hardwaremäßig verschaltet war oder über Lochkarten eingelesen werden musste. Mittels der Von-Neumann-Architektur war es nun möglich, Änderungen an Programmen sehr schnell durchzuführen oder in kurzer Folge ganz verschiedene Programme ablaufen zu lassen, ohne Veränderungen an der Hardware vornehmen zu müssen.

Die meisten der heute gebräuchlichen Computer basieren auf dem Grundprinzip der Von-Neumann-Architektur. Die einfache Einteilung der verschiedenen Schaltwerke hat im Laufe der Zeit zahlreiche Veränderungen erfahren. Eine der wichtigsten Modifikationen ist dabei die Aufteilung von Befehls- und Datenspeicher gemäß der Harvard-Architektur. Einzelne Elemente der Harvard-Architektur fließen seit den 1980er Jahren verstärkt wieder in die üblichen Von-Neumann-Rechner ein, da eine klarere Trennung von Befehlen und Daten die Betriebssicherheit erfahrungsgemäß deutlich erhöht. Besonders die gefürchteten Pufferüberläufe, die für die meisten Sicherheitslücken in modernen Systemen verantwortlich sind, werden bei stärkerer Trennung von Befehlen und Daten besser beherrschbar.

Der Prozess der Befehlsverarbeitung erfolgt in einem Von-Neumann-Rechner mittels so genannter Von-Neumann-Zyklen.

Von-Neumann-Rechner gehören nach dem Klassifizierungsschema von Michael J. Flynn zur Klasse der SISD-Architekturen (Single Instruction, Single Data), die keine Parallelverarbeitung vorsieht.

Viele Ideen der sogenannten Von-Neumann-Architektur waren schon lange vorher 1936 von Konrad Zuse ausgearbeitet, in zwei Patentschriften von 1937 dokumentiert und größtenteils bereits 1938 in der Z1 mechanisch realisiert worden. Es ist aber unwahrscheinlich, dass von Neumann Zuses Arbeiten kannte, als er 1946 seine Architektur vorstellte.

Die Von-Neumann-Architektur realisiert alle Komponenten der Turingmaschine. Dabei ermöglicht ihre systematische Aufteilung in die entsprechenden Funktionsgruppen jedoch die Nutzung spezialisierter binärer Schaltwerke, und so eine effizientere Strukturierung der Operationen. Im Prinzip bleibt es aber dabei, dass alles, was mit einer Turingmaschine berechenbar ist, auch auf einer Maschine mit Von-Neumann-Architektur berechenbar ist und umgekehrt. Das gleiche gilt für alle höheren Programmiersprachen, die durch einen Compiler oder Interpreter auf die binäre Repräsentation abgebildet werden. Sie vereinfachen zwar das Handling der Operationen bieten jedoch keine Erweiterung der von der Turingmaschine vorgegebenen Semantik. Dies wird daran deutlich, dass die Übersetzung aus einer höheren Programmiersprache in die binäre Repräsentation wiederum von einem binären Programm ohne Anwenderinteraktion vorgenommen wird.

[Bearbeiten] Von-Neumann-Flaschenhals

Der Von-Neumann-Flaschenhals der Von-Neumann-Architektur bezeichnet den Sachverhalt, dass das Verbindungssystem zum Engpass zwischen dem Prozessor und dem Speicher wird. Bei frühen Computern stellte die CPU die langsamste Einheit des Rechners dar. Die ebenfalls langsamen Busse waren zu dieser Zeit ausreichend, d. h. die Datenbereitstellung erfolgte schneller als die Verarbeitung durch die CPU. Seit Mitte der 90er Jahre des 20. Jahrhunderts steigen jedoch die Taktraten der CPUs wesentlich schneller als die der verwendeten Speicherbausteine (RAM) und der übertragenden Busse, so dass die Datenübertragung und -bereitstellung mehr Zeit beansprucht als die Datenverarbeitung durch die CPU. Hauptspeicher und Bussystem bestimmen somit die Arbeitsgeschwindigkeit des gesamten Systems und bilden den Von-Neumann-Flaschenhals. Man versucht in der Praxis durch die Nutzung von Datencaches den Effekt abzuschwächen.