Mini-CPU: der Little Man Computer

Klick auf Daten als Befehle. Das Programm besteht aus LDA n und OUT und soll 105 einmal ausgeben. Beim Schreiben wurde HLT vergessen. Deshalb rückt PC zu Speicherfach 02 vor, in dem 105 liegt, und die Maschine holt diesen Wert wie jeden anderen Befehl: 105 bedeutet ADD 05, und Speicherfach 05 enthält 20. In der nächsten DAT-Zeile steht 902, also OUT. Die Maschine gibt 125 aus. Danach folgt 0, also HLT. Einem Speicherfach ist nicht anzusehen, ob es einen Befehl oder eine Zahl enthält. Zeigt PC darauf, wird sein Inhalt als Befehl behandelt; nennt LDA, ADD oder SUB seine Adresse, dient der Inhalt als Zahl. Der erste Befehl hat diese 105 als Zahl gelesen, der dritte hat sie ausgeführt. Das ist das Prinzip des gespeicherten Programms, das im Juni 1948 auf dem Manchester Baby erstmals umgesetzt wurde.

Klick auf Liste aufsummieren und beobachte Speicherfach 00. Anfangs steht dort 517, also LDA 17. Dieser Befehl lädt die erste Zahl der Liste. Bei einem LMC-Befehl steckt die Adresse im Befehl selbst. Es gibt kein Register, aus dem er eine Adresse beziehen könnte. Deshalb lässt sich „das Speicherfach nach dem gerade gelesenen“ nicht direkt ansprechen. Mit LDA 17, ADD 18, ADD 19 und so weiter lässt sich diese Liste aufsummieren, aber keine längere. Soll eine einzige Schleife für jede angegebene Listenlänge funktionieren, lädt das Programm seinen eigenen ersten Befehl als Zahl, addiert 1 und speichert ihn wieder an derselben Stelle. Aus 517 wird 518, also LDA 18. In 5 Durchläufen wird Speicherfach 00 insgesamt 5-mal beschrieben. Die letzte Fassung, LDA 22, wird nie ausgeführt, weil der Zähler vorher 0 erreicht. Genau dafür können reale Prozessoren eine Adresse aus einem Register beziehen. So lässt sich eine Liste durchlaufen, ohne das Programm selbst zu verändern.

Bevor ein Befehl etwas bewirken kann, muss die Maschine ihn aus einem Speicherfach holen. LDA, ADD und SUB lesen danach ein weiteres Fach, STA beschreibt eines. Sprungbefehle, INP und OUT brauchen keinen weiteren Speicherzugriff. Im Beispiel Durch Addition malnehmen erfordert 6 × 7 daher 65 Befehlsabrufe, 30 Lesezugriffe auf Operanden und 16 Schreibzugriffe. Bei 58,6 % aller Zugriffe zwischen Prozessor und Speicher holt die Maschine also ihre Befehle. Für alle Eingabepaare mit einem Produkt von höchstens 999 liegt dieser Anteil zwischen 57,2 % und 69,2 %. Programm und Daten gelangen nacheinander über denselben Weg zum selben Speicher. John Backus bezeichnete diesen Weg in seinem Vortrag zum Turing Award 1977 als Von-Neumann-Flaschenhals.