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Arbeitsspeicher

Sitzungsüberblick: Rechnertechnologie I (09.11.2011)
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Im Hauptspeicher (auch als Arbeitsspeicher oder RAM, für Random Access Memory bezeichnet) eines Computers werden Programme und Daten abgelegt. Die Daten werden von den Programmen bearbeitet. Der Inhalt des RAM's ändert sich ständig - insbesondere dient der Arbeitsspeicher nicht der permanenten Speicherung von Daten. Fast immer ist er aus Speicherzellen aufgebaut, die ihren Inhalt beim Abschalten des Computers verlieren. Der Arbeitsspeicher ist also ein flüchtiges (oder volatiles) Speichermedium. Beim nächsten Einschalten werden alle Bits des Arbeitsspeichers auf ihre Funktionsfähigkeit getestet und dann auf 0 gesetzt.

Die Bits des Arbeitsspeichers sind byteweise organisiert. Jeder Befehl kann immer nur auf ein ganzes Byte zugreifen, um es zu lesen, zu bearbeiten oder zu schreiben.

Den 8 Bits, die ein Byte ausmachen, kann noch ein Prüfbit beigegeben sein. Mit dessen Hilfe überprüft der Rechner ständig den Speicher auf Fehler, die z.B. durch eine Spannungsschwankung oder einen Defekt entstehen können.
Diese Fehlerüberprüfung funktioniert nach dem selben Prinzip wie das Prüfbit beim ASCII-Code.
die Speicherhardware setzt und liest das Prüfbit automatisch.
Meist setzt diese das Prüfbit so, dass die Anzahl aller Einsen in dem gespeicherten Byte zusammen mit dem Prüfbit geradzahlig wird (even parity), daher wird das Prüfbit auch als Parity-Bit bezeichnet.
Wird ein Bit durch einen Fehler oder Defekt verändert, erkennt das die Speicherhardware daran, daß die Anzahl der Einsen ungerade wird.
Diese sog. ECC-Fehlerkorrektur wird vorwiegend im Server-Bereich eingesetzt.
Die Verwendung von Prüfbits verliert allerdings seit einiger Zeit wegen der höheren Zuverlässigkeit der Speicherbausteine an Bedeutung.

Speichertypen

Es existieren zwei Typen von Speicherzellen:

  • Dynamisches RAM oder DRAMs und
  • Statisches RAM oder SRAMs.

DRAMs speichern die elektrische Ladung in Kondensatoren, die periodisch wieder aufgefrischt werden müssen, da sich die gespeicherte Information aufgrund von Leckströmen mit der Zeit verflüchtigt.
Aus diesem Grund sind DRAMs langsamer (aber dafür billiger) als SRAMs und werden hauptsächlich für den Hauptspeicher verwendet.

SRAMs haben die Fähigkeit, ihre Inhalte zu behalten, solange der Strom fließt: Sekunden, Minuten, Stunden oder gar Tage. SRAMs sind sehr schnell, die typischen zugriffszeiten betragen nur wenige Nanosekungen. Aus diesem Grund sind werden sie häufig als Cache-Speicher der Ebene 2 (Second Level Cache oder L2 Cache) verwendet.

Cache Speicher stellt eine Möglichkeit dar, das Problem des Von-Neumann Flaschenhalses zu mildern.
Der schnelle Cache steht dem Prozessor als Puffer zur Verfügung. In diesem Speicher wird immer ein gewisser Teil des Arbeitsspeichers vorgehalten, so daß die Datenübertragung vom und zum Prozessor beschleunigt wird, da die Lese- und Schreibzugriffe beim Cache schneller sind, als beim Hauptspeicher.

Für Arbeitsspeicher kommt heutzutage eine verbesserte Version des DRAM zum Einsatz:

  • SDRAM (Synchronous Dynamic RAM), dessen Taktrate optimal auf die CPU abgestimmt ist.
  • DDR-SDRAM (Double Data Rate) stellt eine Weiterentwicklung von SDRAM dar.
    Bei DDR-SDRAM wird im Vergleich zu SDRAM innerhalb eines Taktes die doppelte Menge an Daten übertragen.
  • Neben SDRAM und DDR-SDRAM gibt es auch noch RAMBUS-Speicher. Diese werden von der gleichnamigen Firma hergestellt, haben sich jedoch aufgrund des hohen Preises nicht richtig durchsetzen können.
    Nachdem Intel ziemlichen Schiffbruch mit einer Prozessor-Plattform erlitten hat, die ausschließlich RAMBUS-Module unterstützte, verschwanden Speichermodule dieser Art schnell wieder von der Bildfläche, so daß heute überwiegend DDR-SDRAM Speicher eingesetzt wird.

Technische Realisierung

Technisch wird der Arbeitsspeicher heutiger Computer aus speziellen Bauelementen, den Speicherchips aufgebaut.
Diese werden nicht mehr einzeln, sondern als Speichermodule angeboten.
Dabei sind jeweils mehrere Einzelchips zu sogenannten SIMM- oder DIMM-Modulen (single/dual inline memory module) zusammengefasst.
Das sind kleine Mini-Platinen mit 72 Pins auf einer Seite der Steckverbindung (SIMM) oder mit 168 Pins, d.h. je 84 Pins auf beiden Seiten (DIMM), auf denen jeweils 8 oder 9 gleichartige Speicherchips sitzen. Die neuen DDR2-SDRAM haben 240 Pins.

Gängige Taktfrequenzen für DDR-SDRAM sind:

  • DDR-266 oder PC2100 mit 133 Mhz, d.h. 266 Mhz effektivem Takt (2,1 GByte/s)
  • DDR-333 oder PC2700 mit 166 Mhz, d.h. 333 Mhz effektivem Takt (2,7 GByte/s)
  • DDR-400 oder PC3200 mit 200 Mhz, d.h. 400 Mhz effektivem Takt (3,2 GByte/s)

Gängige Taktfrequenzen für DDR2-SDRAM

Chip Speichertakt I/O-Takt Effektiver Takt Übertragungsrate
pro Modul
DDR2-400 100 MHz 200 MHz 400 MHz 3,2 GB/s
DDR2-533 133 MHz 266 MHz 533 MHz 4,2 GB/s
DDR2-667 166 MHz 333 MHz 667 MHz 5,3 GB/s
DDR2-800 200 MHz 400 MHz 800 MHz 6,4 GB/s
DDR2-1066 266 MHz 533 MHz 1066 MHz 8,5 GB/s