Rechnerarchitektur – Überblick
Dieser Beitrag ist eine Begriffserklärung zur Rechnerarchitektur – inklusive Prüfungsformel, Kernbegriffen und Tags.
In a Nutshell
Das Von-Neumann-Prinzip ist das Grundmodell moderner Rechner: CPU holt Befehle und Daten aus einem gemeinsamen Speicher über einen gemeinsamen Bus (möglicher Flaschenhals).
Das Von-Neumann-Prinzip (Grundmodell)
Hauptkomponenten:
- Rechenwerk (ALU)
- Steuerwerk (Control Unit)
- Speicherwerk (Memory) für Programm und Daten
- Eingabe-/Ausgabewerk (I/O)
Alle Komponenten sind über einen gemeinsamen Bus gekoppelt. Dadurch entsteht der Von-Neumann-Flaschenhals, weil Befehle und Daten „denselben Weg“ nutzen.
CPU – das „Gehirn“
Typischer Ablauf: Fetch → Decode → Execute → Writeback.
Wichtige Begriffe:
- Register (schnell, klein, in der CPU)
- Befehlssatz (z.B. x86/ARM); CISC vs. RISC
- Taktfrequenz (GHz) ist nicht das einzige Leistungsmerkmal
- Mehrkern (Cores) ermöglicht Parallelverarbeitung
Speicherhierarchie
Von schnell/teuer nach langsam/günstig:
- Register
- Cache (L1/L2/L3)
- RAM
- SSD/Festplatte
Cache nutzt das Prinzip der Lokalität:
- räumliche Lokalität
- zeitliche Lokalität
Peripherie & Bussysteme
- Bus: Datenbus, Adressbus, Steuerbus
I/O-Methoden:
- Programmgesteuerte E/A (Polling)
- Interrupt-gesteuerte E/A
- DMA (Direct Memory Access): Daten direkt zwischen Gerät und RAM ohne ständige CPU-Beteiligung
Leistungsbewertung
Leistung hängt nicht nur von GHz ab, sondern z.B. von:
- IPC (Instructions per Cycle)
- Anzahl Kerne
- Speicherlatenz/-bandbreite
Prüfungsformel (mündlich)
Ein Computer ist eine Maschine, die nach dem Von-Neumann-Prinzip arbeitet.
Eine CPU (ALU + Steuerwerk) holt sich über einen Bus Befehle und Daten aus
(einem) gemeinsamen Speicher, führt Berechnungen aus und schreibt Ergebnisse
zurück. Um langsame Speicherzugriffe zu kompensieren, gibt es eine
Speicherhierarchie mit schnellen Caches. I/O wird per Interrupt oder DMA
organisiert, um die CPU zu entlasten.