Von-Neumann-Architektur einfach erklärt

Bei der Von-Neumann-Architektur hält ein gemeinsamer Speicher sowohl die Programmbefehle als auch die Daten. Der Hauptprozessor (CPU) hat als Hauptkomponenten das Steuerwerk und das Rechenwerk.

Das Rechenwerk (ALU) führt Rechenoperationen und boolesche Verknüpfungen aus. Boolesche Verknüpfungen sind logische Verknüpfungen von Wahrheitswerten. Das Steuerwerk interpretiert die Anweisungen eines Programms und regelt die Befehlsabfolge. Dazu sendet es Steuersignale an andere Funktionseinheiten und empfängt Statussignale von ihnen. Im Steuerwerk befinden sich der Befehlszähler, das Befehlsregister, der Befehlsdecoder und die Operationensteuerung.

Der Speicher speichert sowohl Programme als auch Daten. Das Bussystem dient zur Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten. Dazu gehören Steuerbus, Adressbus und Datenbus. Das Eingabe-/Ausgabewerk steuert die Ein- und Ausgabe von Daten, zum Anwender (Tastatur, Bildschirm) oder zu anderen Systemen (Schnittstellen).

Register sind besonders schnell erreichbar. In der EXECUTE-Phase eines Befehls sind alle notwendigen Daten in Registern vorhanden. Auch der Befehlszähler ist ein Register innerhalb des Hauptprozessors.

Der Befehlszyklus beschreibt den Ablauf der Verarbeitung eines Maschinenbefehls. Er heißt auch Fetch-Execute-Cycle. Ein Maschinenbefehl ist ein einzelner Befehl, den der Prozessor abarbeitet. Das Steuerwerk eines Rechners mit klassischer Von-Neumann-Architektur arbeitet ein Maschinenprogramm im Von-Neumann-Zyklus ab. Dieser hat hier fünf Phasen. Andere Darstellungen zählen vier Stufen (Befehl laden, dekodieren, ausführen, Ergebnis speichern). Auf dieser Seite zählen wir die fünf Phasen der klassischen Von-Neumann-Architektur.

FETCH: Der Prozessor greift auf die Arbeitsspeicheradresse zu, die im Befehlszähler steht. Die Daten von dort werden ins Befehlsregister geladen. Bei dieser Zählweise wird der Befehlszähler schon in FETCH um die Länge des Befehls erhöht.

DECODE: Das Steuerwerk löst den Befehl in Schaltinstruktionen für das Rechenwerk auf.

FETCH OPERANDS: Aus dem Speicher werden die Operanden geholt. Das sind die Werte, die der Befehl verändern soll oder die er als Parameter verwendet.

EXECUTE: Das Rechenwerk führt eine arithmetische oder logische Operation aus. Bei Sprungbefehlen und erfüllter Sprungbedingung wird in dieser Phase der Befehlszähler verändert.

WRITE BACK: Sofern notwendig, wird das Ergebnis der Berechnung in den Speicher zurückgeschrieben.

FETCH und DECODE sind für jeden Maschinenbefehl gleich. Die letzten drei Phasen müssen nicht bei jeder Befehlsart alle ausgeführt werden. Wenn kein HALT-Befehl ausgeführt wurde, beginnt der Zyklus danach wieder von vorn und ein weiterer Befehl wird abgearbeitet. Der Von-Neumann-Zyklus ist ein Modell: Moderne Mikroprozessoren haben intern kaum noch etwas mit dem klassischen Zyklus gemein.

Der Befehlszähler heißt auch Programmzähler. Er zeigt auf den nächsten auszuführenden Befehl. Je nach Systemarchitektur enthält er die Speicheradresse des derzeitigen oder des nächsten Befehls. Hier gehen wir vom nächsten Befehl aus.

Normalerweise wird der Inhalt des Befehlszählers um Eins erhöht. Dann folgt der nächste Befehl im Speicher. Das gilt, wenn jeder Befehl eine Adresse belegt. Bei Befehlen mit anderer Länge wird er um die Länge des geladenen Befehls erhöht.

Sprung-Befehle verändern den Inhalt des Befehlszählers um einen anderen Wert als +1: Bei einem Sprungbefehl wird der Zeiger auf die angegebene Sprungadresse gesetzt. Verzweigungs-Befehle erhöhen den Befehlszähler je nach Wert eines Entscheidungs-Bits um Eins oder führen einen Sprung-Befehl aus. Bei einem bedingten Sprung heißt das: Ist die Bedingung erfüllt, geht es zur Sprungadresse. Ist sie nicht erfüllt, geht es mit dem nächsten Befehl weiter.

So verfolgst du ihn: Schreibe für jeden Schritt auf, auf welcher Adresse der Befehlszähler steht, welcher Befehl dort liegt und welchen Wert der Befehlszähler danach hat. In der Musteraufgabe unten siehst du das an einem ausgedachten Beispiel.

Bei der Von-Neumann-Architektur teilen sich Programme und Daten denselben Speicher und denselben Datenbus. Alle Aktionen laufen über einen einzigen Bus. Der Von-Neumann-Flaschenhals beschreibt Performance-Verringerungen von Prozessoren durch konkurrierende Daten- und Befehlscode-Zugriffe über einen gemeinsamen Bus. Er beschreibt auch den erzwungenen Sequentialismus: Der einzige Bus zwingt alle Aktionen in eine Reihenfolge nacheinander.

Das Problem wurde größer. Seit geraumer Zeit wächst die CPU-Verarbeitungsgeschwindigkeit deutlich stärker als die Datentransferraten der Busse oder der Speicher. Von 1986 bis 2000 wuchsen die CPU-Geschwindigkeiten jährlich um 55 %, die Speichertransfergeschwindigkeiten nur um 10 %. Die Speicherlatenz, also die Wartezeit auf den Speicher, wurde der Flaschenhals der Computerrechenleistung. Als erste Maßnahme wurden schon früh Datenregister eingeführt.

Eine weitere Maßnahme ist der Cache. Ohne Cache müsste die CPU jedes Byte direkt aus dem Arbeitsspeicher anfordern. Der Arbeitsspeicher braucht etwa 60 ns pro Zugriff (ns steht für Nanosekunden, das sind winzige Zeitspannen). In diesen 60 ns kann jeder Kern der CPU 300 Takte ausführen. Der Prozessor-Cache ist ein kleiner, schneller Speicher mit Kopien der am häufigsten benötigten Daten des Arbeitsspeichers. Bei jedem Lesezugriff der CPU auf den Arbeitsspeicher wird eine Kopie der gelesenen Daten im Cache gespeichert. Findet die CPU die Daten im Cache, ist das ein Cache-Hit. Fehlen sie, ist das ein Cache-Miss: Die Anforderung geht an den Arbeitsspeicher weiter und die CPU muss warten.

Der Nutzen ist groß: Die Cache-Verwaltung schafft es, 80 % bis 90 % der vom Prozessor benötigten Daten rechtzeitig im Cache bereitzustellen. Heute beschleunigen dreistufige Caches bei leistungsstarken Prozessoren die allermeisten Lade- und Schreibbefehle, ohne dass der Hauptspeicher zunächst beteiligt ist.

Die Grenze: Für die Cache-Größe gibt es eine sinnvolle Obergrenze. Wird der Cache zu groß, dauert das Suchen und Verwalten zu lange. Und trotz aller Raffinessen kann kein heutiger Speicher den Datenhunger moderner CPUs befriedigen. Ein Cache löst den Flaschenhals also nicht vollständig.