Rechnerarchitektur

Von-Neumann vs. Harvard

Inhaltsübersicht

Auch wenn die von-Neumann-Architektur meist bevorzugt wird, gibt es noch eine weitere oft genutzte Möglichkeit einen Computer aufzubauen: Die Harvard Architektur.

Vorteile der Harvard Struktur – der Von-Neumann Flaschenhals

Die von-Neumann Architektur ist zwar in den meisten Rechnern Standard, hat aber auch Nachteile, vor allem den sogenannten von-Neumann-Flaschenhals. Diesen umgeht die Harvard-Architektur, wodurch allerdings die Hardwarekosten steigen.

Vorteile der von-Neumann-Architektur

Zunächst einmal fassen wir zusammen, was die von-Neumann-Architektur überhaupt so attraktiv macht. Im Vordergrund steht definitiv der Kostenfaktor. Da in von-Neumann-Rechnern keine redundanten Komponenten verbaut werden, bleibt der Hardwareaufwand gering. Das heißt: Um einen funktionsfähigen Rechner zu bauen, muss man nur eine Festplatte, nur einen Prozessor, usw. kaufen. Ein zweiter Vorteil ist der geringe Speicheraufwand, der dadurch entsteht, dass alles vereinheitlicht wird. Alle Inhalte, egal ob Daten oder Befehle, werden in gleich große Speicherzellen abgelegt. Auf sie kann dadurch einheitlich zugegriffen werden.

Vorteile der von-Neumann_Architektur
Vorteile der von-Neumann_Architektur

Nachteile der von-Neumann-Architektur – der von-Neumann-Flaschenhals

Dieser Aufbau hat aber auch seine Nachteile. Der wichtigste ist der sogenannte Von-Neumann-Flaschenhals. Er existiert, da das Bussystem, das wir im Video zur Kommunikation ausführlich besprechen, alles sequentiell transportiert. Dabei ist es egal, ob es sich bei den zu übertragenden Bits um Operationen, Adressen oder Daten handelt. Das hört sich erstmal nicht wirklich schlimm an, schließlich schreibst du ja auch oft sequentielle Programme. Schauen wir allerdings etwas genauer hin, so stellen wir fest, dass durch diese Tatsache das Bussystem für die Ausführung jedes einzelnen Befehls mehrfach nacheinander genutzt werden muss. Einmal, um die Befehle aus dem Speicherwerk ins Steuerwerk zu lesen, dann um die Operanden vom Speicherwerk ins Rechenwerk zu lesen. Nach erfolgter Rechnung muss dann noch das Ergebnis aus dem Rechenwerk ins Speicherwerk geschrieben werden und das Steuerwerk und das Speicherwerk müssen Steuersignale austauschen.

Nachteile der von-Neumann-Architektur
Nachteile der von-Neumann-Architektur

Du siehst also, dass es hier durchaus – um bei unserem Beispiel zu bleiben – zu erhöhtem Verkehrsaufkommen kommen kann. Sollte es dann einmal wirklich zu einem Datenstau kommen, werden alle anderen Komponenten des Rechners vom Bussystem ausgebremst.

Das ist aber noch nicht alles. Du hast bestimmt ein Antivirenprogramm installiert und sehr wahrscheinlich auch schon mal Malware oder Spyware auf deinem Rechner gehabt. Woran das liegt? Ganz einfach: Dadurch, dass Programme und Daten in deinem Rechner gleich gelesen und gespeichert werden, kann ein cleverer Angreifer deinem PC auch vorgaukeln, dass es sich bei einem Programm um einfache Daten handelt – oder umgekehrt.

Die Harvard-Architektur

Nun kommen wir aber zur Harvard-Architektur. Ihr Unterschied zur von-Neumann-Architektur besteht darin, dass sie Daten und Programme jeweils in getrennten Speichern unterbringt und diese auch mittels getrennter Bussysteme im System integriert. Das sorgt zwar für zusätzliche Kosten durch den Mehraufwand an Hardware – schließlich müssen wir nun die doppelte Menge Speicher und Busse anfertigen – aber es bringt auch mehrere Vorteile mit sich. Der erste ist eine höhere Geschwindigkeit. Das liegt daran, dass Befehle und Daten nun parallel verarbeitet werden können. Ebenfalls behoben ist die Anfälligkeit für Viren, da ein Hacker nun nicht mehr die Möglichkeit hat, seine Schadsoftware als harmlose Daten zu tarnen.

Vorteile der Harvard-Architektur
Vorteile der Harvard-Architektur

Trotz dieser Vorteile ist die von-Neumann-Architektur heute am weitesten verbreitet. In Zukunft könnten wir aber immer öfter Harvard-Rechner vorfinden, zumindest solange Quantencomputer noch nicht massentauglich sind.


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