Mit Google fortfahren
Wenn du ein Spiel öffnest oder eine Nachricht schreibst, arbeitet dein Computer viele kleine Schritte ab. Er liest Anweisungen, holt Werte, rechnet und zeigt Ergebnisse an. Die Von-Neumann-Architektur erklärt, wie diese Aufgaben zusammenhängen.
Die Grundidee
Die Von-Neumann-Architektur ist ein vereinfachtes Modell für den Aufbau eines Computers. Ein Modell zeigt die wichtigsten Teile, damit du ihre Zusammenarbeit verstehen kannst.
Ein Programm ist eine geordnete Folge von Anweisungen für den Computer. Daten sind die Informationen, mit denen das Programm arbeitet, zum Beispiel Zahlen, Texte oder Bilder. Der Arbeitsspeicher ist ein Speicherbereich, in dem der Computer gerade benötigte Programme und Daten bereithält.
Bei der Von-Neumann-Architektur liegen Programme und Daten gemeinsam im Arbeitsspeicher.
- Du kannst die wichtigsten Teile eines Von-Neumann-Rechners benennen.
- Du kannst erklären, was der gemeinsame Speicher bedeutet.
- Du kannst einen Befehlszyklus beschreiben.
- Du kannst den Von-Neumann-Flaschenhals erklären.
Auf einem Taschenrechner gibst du 7 und 5 ein und drückst die Plus-Taste.
Die beiden Zahlen sind Daten. Die Anweisung zum Addieren ist Teil des Programms. Der Rechner hält beides im Arbeitsspeicher bereit.
Das Besondere an der Von-Neumann-Architektur ist der gemeinsame Speicher für Programme und Daten.
Interaktive Quizfrage wird geladen ...
Die Teile des Rechners
Eine Funktionseinheit ist ein Teil des Computers mit einer bestimmten Aufgabe. Das Eingabewerk nimmt Informationen von außen an, etwa von Tastatur, Maus oder Mikrofon. Das Ausgabewerk gibt Ergebnisse nach außen, zum Beispiel über Bildschirm, Lautsprecher oder Drucker.
Das Speicherwerk bewahrt Programme, Daten und Ergebnisse auf. Es besteht aus vielen Speicherzellen. Eine Speicherzelle ist ein kleiner nummerierter Platz im Speicher.
Das Steuerwerk organisiert die Arbeitsschritte. Es liest Anweisungen und sagt anderen Teilen, was sie tun sollen. Das Rechenwerk verarbeitet Werte. Es kann zum Beispiel addieren oder zwei Werte vergleichen.
Die CPU ist die zentrale Verarbeitungseinheit, also der Prozessor. Zu ihr gehören vor allem Steuerwerk und Rechenwerk.
Du gibst die Rechnung 12 plus 3 ein.
Das Eingabewerk nimmt die Tastenanschläge an. Das Speicherwerk hält Zahlen und Anweisung bereit. Das Steuerwerk organisiert die Schritte. Das Rechenwerk berechnet 15. Das Ausgabewerk zeigt das Ergebnis.
Interaktive Lernkarten wird geladen ...
Interaktive Quizfrage wird geladen ...
Speicher und Bus
Jede Speicherzelle hat eine Nummer. Diese Nummer heißt Adresse. Mit einer Adresse kann der Computer genau den Speicherplatz auswählen, den er benötigt.
Damit die Funktionseinheiten Informationen austauschen können, nutzen sie einen Bus. Ein Bus ist ein gemeinsamer Übertragungsweg im Computer. Über ihn reisen Daten, Befehle und Adressen zwischen den Teilen des Rechners.
In der Speicherzelle mit der Adresse 20 steht die Zahl 8.
Das Steuerwerk fordert den Inhalt der Adresse 20 an. Der Speicher findet die passende Zelle und sendet die 8 über den Bus weiter. Danach kann das Rechenwerk mit der Zahl arbeiten.
Die Adresse nennt einen Speicherplatz. Der Bus transportiert Informationen zwischen den Funktionseinheiten.
Interaktiver Lückentext wird geladen ...
So wird ein Befehl ausgeführt
Ein Befehl ist eine genaue Anweisung für den Computer, zum Beispiel addieren, speichern oder vergleichen. Ein Programm besteht aus mehreren Befehlen. Der Rechner bearbeitet sie meist in einer festen Reihenfolge.
Diese wiederkehrende Folge nennt man Befehlszyklus. Zuerst erfolgt der Fetch, das Holen eines Befehls aus dem Speicher. Danach folgt das Decode, das Entschlüsseln der Bedeutung dieses Befehls. Anschließend werden nötige Daten bereitgestellt, das Rechenwerk führt die Aufgabe aus und das Ergebnis wird gespeichert oder ausgegeben.
Der Befehlszähler ist ein Speicherplatz in der CPU, der auf den nächsten Befehl zeigt. Meist wird er nach einem Befehl zur folgenden Adresse weitergestellt.
Ein Programm soll 4 und 6 addieren.
Das Steuerwerk holt zuerst den Additionsbefehl aus dem Speicher. Es erkennt dann, welche Aufgabe gemeint ist. Die Zahlen 4 und 6 werden bereitgestellt. Das Rechenwerk bildet 10. Danach kann der Computer 10 speichern oder anzeigen.
Ein Sprungbefehl verändert die normale Reihenfolge. Er setzt den Befehlszähler auf eine andere Adresse. Dadurch sind Bedingungen und Wiederholungen in Programmen möglich.
Interaktive Quizfrage wird geladen ...
Der Von-Neumann-Flaschenhals
Ein Flaschenhals ist eine Engstelle, an der etwas warten muss. Bei der Von-Neumann-Architektur teilen sich Befehle und Daten den Weg zwischen CPU und gemeinsamem Speicher.
Braucht die CPU gleichzeitig einen Befehl und Daten, können nicht alle Übertragungen unbegrenzt schnell erfolgen. Die CPU wartet dann möglicherweise auf Informationen aus dem Speicher. Diese mögliche Bremse heißt Von-Neumann-Flaschenhals.
Stell dir eine schmale Tür zur Schulbibliothek vor. Durch diese Tür müssen gleichzeitig Schülerinnen, Schüler und Bücher.
Weil nicht alles zugleich durch die Tür passt, entsteht eine Warteschlange. Ähnlich teilen sich Befehle und Daten den gemeinsamen Speicherweg.
Der Von-Neumann-Flaschenhals entsteht, weil Befehle und Daten denselben Weg zum Speicher nutzen.
Interaktive Quizfrage wird geladen ...
Zusammenfassung
Die Von-Neumann-Architektur beschreibt einen Computer mit Eingabe, Ausgabe, Speicher, Steuerwerk und Rechenwerk. Programme und Daten liegen gemeinsam im Arbeitsspeicher. Das Steuerwerk holt und entschlüsselt Befehle, während das Rechenwerk Daten verarbeitet.
Interaktiver Lückentext wird geladen ...