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Speicherarten: Nutzen und Funktion

RAM, SDRAM, SRAM, DRAM, ROM, PROM, EPROM, EEPROM,... - ohne Speicher funktioniert in unseren Elektronik-Geräten quasi nichts mehr. Quasi überall gibt es verschiedene Systeme, Hersteller und Einsatzgebiete. Hier ein Überblick über gängige Speichersorten bei PCs, deren Funktion und Entwicklung.


Autor: Martin Puaschitz (onestone)
Datum: 29-09-2002, 21:22:15
Referenzen: Smart Computing - How Computer's Work I
Schwierigkeit: Anfänger
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Rating: 5.5 (2x bewertet)

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Einleitung

In heutigen Computern gibt es viele Möglichkeiten unsere Daten zu speichern: Festplatten, Disketten, Compact Disc's, Speicherkarten und noch vieles mehr. Allerdings haben alle gerade aufgezählten Medien eines gemeinsam: sie sind nur für das langfristige Speichern von Daten zuständig. Doch um Anwenderprogramme ausführen zu können, brauchen unsere Geräte quasi ein schnelles Kurzzeitgedächtnis. Diese hohen Geschwindigkeiten können allerdings nur durch Halbleiterchips erreicht werden. Wie bereits erwähnt würden unsere Computer ohne derartigen Speicher kaum einen Dienst verrichten können - und (logischerweise) je mehr es davon gibt, desto besser.

Typen von Speicher

In fast allen Fällen ist es so, dass die folgenden Speichertypen nicht separat, sondern gemeinsam in den Geräten zu finden sind. Die Zusammenarbeit der verschiedenen Typen macht sich vor allem in der Endgeschwindigkeit bemerkbar.

RAM
Die bekannteste Speichertype ist wohl RAM (random access memory). Jeder Computer hat einen solchen Speicher (eben mehr oder weniger). RAM wird oft auch Hauptspeicher genannt und ist für sehr viele Käufer ein wichtiges Leistungskriterium des Gerätes (aus gutem Grund). Hier werden jene Daten abgelegt, welche von einem Programm oder dem Betriebssystem selbst gerade verwendet werden (z.B. derzeit ist Ihr Internet-Explorer geladen und zeigt diesen Text an und verwendet dafür RAM-Speicher). ROM (read only memory) kann, wie der englische Name schon sagt, nicht beschrieben werden und behält seine Daten permanent.

Jeder Computer stellt mindestens zwei verschiedene Arten von Speicher zur Verfügung: DRAM (dynamic Ram) und SRAM (static RAM). Neben diesen beiden wird zeitweise auch peripheral RAM verwendet. Ein bekanntes Beispiel für peripheral RAM bieten die Grafikkarten oder Drucker welche diesen Typ unter anderem einsetzen.

Dynamic RAM
Wenn wir über RAM sprechen, meinen wir im großen und ganzen DRAM. DRAM ist die aktivste Komponente eines gesamten PC. Quasi alle Abläufe und Vorgänge werden im temporär im DRAM-Speicher abgelegt. Der heutige Standard bei neuen Geräten liegt ab 256MB Ram - bald üblich werden eher 512MB.

Beim Typ DRAM werden die Daten in einem Array (eine Art Raster, wo Tausende Datenbits nebeneinander existieren) abgelegt. Dieses Array muss pro Sekunde mehrere hundert Male erneuert werden um weitere Daten zu speichern und abzurufen. Wenn das Array den Strom verliert - auch nur eine Sekunde lang - bricht das Array zusammen und sämtliche Daten gehen verloren. Das ist auch jener Grund, warum man als Anwender möglichst häufig speichern sollte (auf Medien wie Festplatte, etc.),

Seit DRAM auf dem Markt gekommen ist, wurden viele Veränderungen durchgeführt. Bei jedem Technologieschritt ergaben sich noch höhere Geschwindigkeiten und mehr Speicherkapazitäten. Doch auch das Aussehen hat sich enorm verändert: In den Anfängen wurden die Chips direkt auf die Motherboards (die Hauptplatine eines PCs) integriert. Die Speicherkapazität lag bei 8 bis 16KB (nicht MB!) wobei die Chips einen großen Platz benötigten. Schnell sah man ein, dass es eine effizientere Art geben müsse, die Speicherchips mit dem Motherboard zu verbinden. So wurden dann SIMMS (single in-line memory modules) entwickelt. Diese Chips besaßen 20 & 72 Kontakte (Pins) und konnten in entsprechende Slots gesteckt werden. Später wurden dann DIMMS (dual in-line memory modules) mit 72 & 168 Pins entwickelt welche mit höhere Datendurchsatzraten und effizienterem Speichermanagement punkten konnten.

Die nächste Variante von DRAM war dann RDRAM oder auch Rambus DRAM. Dieser Speichertyp kann anstatt zwischen 66 - 133Mhz (SDRAM) mit 800Mhz betrieben werden. Eine enorme Geschwindigkeitsverbesserung. Der Name Rambus ist übrigens derselbe Name der Entwicklerfirma. Die weitere Folge von RDRAM ist/war DDRAM (Direct Ram) welcher momentan bei Neusystemen stark im Kommen ist (man beachte den feinen Unterschied von SDRAM und DDRAM beim Kauf!). DDRAM werden in RIMM's Module eingebaut. Diese sind den DIMM's recht ähnlich, allerdings besitzen RIMM's 184 Kontakte (Pins). Da RIMM's schon bei extrem hohen Geschwindigkeiten laufen, wurde ein Schutz vor Überhitzung eingebaut um dem Anwender mehr Sicherheit vor Defekten zu bieten.


Static Ram
Im Gegensatz zu DRAM muss das Array bei SRAM nicht ständig aktualisiert werden. Dadurch werden die Chips deutlich schneller und auch stabiler. Doch diese Qualitätsunterschiede müssen auch bezahlt werden. Aus diesem Grund wird SRAM eher in L1 (Level 1) oder L2 (Level 2) Caches eingesetzt. L1- und L2-Caches werden zwischen Hauptspeicher und Prozessor eingesetzt. Diese Zwischenspeicher bieten die Möglichkeit auf extrem häufige Daten schneller zugreifen zu können als wenn diese im DRAM abgelegt werden. In modernen Systemen ist der L1-Cache häufig im Prozessor integriert und der L2-Cache als Chip auf dem Motherboard. Der typische Wert für diese Zwischenspeicher liegt zwischen 256KB und 1024KB (1024KB=1MB).

Peripheral RAM
Der Hauptspeicher in einem Computer ist natürlich nicht der einzige Speicher - Grafikkarten oder Drucker verwenden meist ihren eigenen, eingebauten Speicher. Peripheral RAM wird dazu verwendet kurzzeitig Daten abzulegen der Peripherie und dem restlichen System übertragen werden.

Video RAM
VRAM ist die bekannteste Art von peripheral RAM. VRAM ist üblicherweise direkt auf den Grafikkarten implementiert, könnte aber auch direkt auf dem Motherboard sitzen (wenn keine externe Karte eingebaut ist, sondern ein Grafikchip auf dem Motherboard eingebaut wurde). VRAM unterscheidet sich vom herkömmlichen peripheral RAM dadurch, dass zwei Geräte gleichzeitig darauf zugreifen können. Dies bietet die Möglichkeit Daten vom Prozessor oder vom Grafikbeschleuniger (ein auf der Grafikkarte integrierter Chip) zu empfangen und gleichzeitig Daten an den Monitor zu senden. Zu beachten ist allerdings, dass nicht jede Grafikkarte unbedingt VRAM verwendet, sondern teilweise auch "normaler" DRAM verwendet wird. Die übliche Ausstattung einer aktuellen Grafikkarte liegt zwischen 32 und 128MB.

Printer Memory
Dies ist der Zwischenspeicher innerhalb eines Druckers. Wenn der Drucker den Druckbefehl erhält, speichert er die entsprechenden Daten kurz ab um diese nach und nach abzubauen (=ausdrucken). Dies ermöglicht es dem Prozessor weitere Aufgaben abzuarbeiten ohne darauf warten zu müssen, dass der Drucker alles gedruckt hat.

ROM
RAM und ROM sind grundliegend verschiedene Arten von Speicher. Auch das BIOS (Basic Input/Output system) verwendet ROM. Die Aufgabe des BIOS ist es, beim Starten des Computers (wenn Netzstrom zugeführt wird) systeminterne Funktionen zu starten (erkennen der Festplatten, zählen des verfügbaren RAM-Speichers), damit Betriebssysteme wie Windows, Linux und andere überhaupt gestartet werden können. Die entsprechenden Daten hierfür werden immer vom Hersteller in den CHIP geschrieben und bei jedem Start abgerufen. Allerdings gibt es bereits eine Alternative: PROM (programmable rom). PROM Chips werden vom Hersteller quasi leer ausgeliefert und erst später mit einem PROM-Programmer beschrieben. Wie so oft gibt es verschiedene Arten von PROM-Chips: EPROM (erasable PROM; löschbares PROM), EEPROM (electricaly erasable PROM; elektronisch löschbares PROM) und flash memory (eine Weiterentwicklung von EEPROM). Die Daten dieser Chips können entweder durch entsprechende Hard- oder Software abgeändert werden. Dies ist für viele User wichtig, die alte Computer mit neuen Komponenten bestücken. So wurden früher viele BIOS-Systeme nicht dafür ausgelegt, Festplatten jenseits der 100GB zu unterstützen - diese Komponenten sind heute aber Standard. Durch ein Updaten der BIOS-Software ist es möglich eine neue (und kompatible) Version einzuspielen.

Einsatz in der Praxis

Stellen Sie sich Ihren Computer als gigantisches Gehirn da. Die primäre Funktion des Hirns ist es zu denken. In einem Computer wird das Denken - das verarbeiten und leiten von Daten - vom Prozessor durchgeführt. Der Prozessor führt Rechnungen durch, versteht Beziehungen verschiedener Prozesse und trifft Entscheidungen.

Bevor er dies überhaupt kann, muss es etwas geben worüber er nachdenken kann. Ein Computer benötigt also Daten um etwas arbeiten zu können - somit sind die Speichertypen ROM, RAM und weitere persistente Speichermedien (Diskette, Festplatte, CD, DVD, etc.) unerlässlich.

ROM bietet die sicherste und permanente Möglichkeit Daten zu speichern - es ist jener Teil im menschlichen Gehirn welcher fundamentales wie Gehen oder Sprechen speichert. Der RAM-Speicher ist quasi das Kurzzeitgedächtnis eines Computers. SRAM ist jener Typ des Kurzzeitgedächtniss womit Sie sich an den ersten Teil eines Satzes erinnern können damit Sie den Zusammenhang zum zweiten Teil herstellen können. DRAM auf der anderen Seite, ist jener Typ der Ihnen hilft ihr geparktes Auto wiederzufinden oder welche Telefonnummer Ihre Eltern haben. Die persistenen Speichermedien sind quasi das Kurzzeitgedächtniss wo Informationen wie das Datum Ihres Geburtstages oder der Name ihrer Verwandten gespeichert werden. Sie können Daten jederzeit in das Langzeitgedächtnis verschieben.

Dies sind natürlich vereinfachte Analogien, aber ich glaube, das Prinzip der Speichermedian eines Computers lässt sich daran schön erkennen. Nun zu weiteren Details: Daten in jedem Speichermedium werden in elektronischen Signalen und Impulsen gespeichert. Jedes Signal repräsentiert ein einzelnes Bit (8Bit=1Byte) an Daten. In herkömmlichem ROM werden permanente Signale bei der Herstellung integriert. In RAM und neueren Versionen von ROM werden die Signale durch elektronische Aufladung erzeugt. ROM kann diese Daten auch nach Stromverlust wieder zur Verfügung stellen - RAM jedoch nicht.

Das erste Mal kommt Speicher zum Einsatz wenn Sie den Power-Knopf ihres PCs drücken. PCs sind automatisch so eingestellt, im BIOS ROM nachzusehen wenn das System gestartet wird. Das BIOS aktiviert verschiedene Komponenten des Computers wie z.B. Tastatur, Festplatten und initialisiert dann das Betriebssystem. Danach übernimmt dieses den weiteren Boot-Vorgang. Das Betriebssystem kontrolliert wie viel DRAM-Speicher jeder Applikation und dem System selbst zugewiesen wird. Wichtige Kernkomponenten werden vom Massenspeicher (z.B. Festplatte) in den RAM verlagert um schnellen Zugriff zu erhalten. Jegliche Applikation die automatisch gestartet werden soll wird ebenfalls in den RAM-Speicher transferiert. Wenn Sie sich fragen, was passiert wenn zuwenig Speicher vorhanden ist hier die Antwort: Wenn z.B. der RAM-Speicher 128MB beträgt, das System aber 200MB laden muss, werden die ersten 128MB in den Speicher geladen und die restlichen 72MB in eine Auslagerungsdatei auf einem Massenspeicher (üblicherweise die Festplatte) gelegt.

Wenn Sie eine Applikation öffnen, kopiert der Prozessor die Daten vom Massenspeicher (üblicherweise die Festplatte) in den DRAM-Speicher um die Daten verarbeiten zu können. Die Applikation bleibt solange im DRAM-Speicher bis sie nicht mehr gebraucht wird und beendet wird. Die Daten werden in einer gewissen Ordnung im Speicher abgelegt. Der system bus (dass ist das Netzwerk jener Kabel, welche die Daten zwischen dem Prozessor und Speicher transferieren) überträgt die Daten zwischen DRAM, den L1- und L2-Cached sowie dem Prozessor. Während dies alles passiert, überträgt der Prozessor weiterhin Daten an die Grafikkarte um Ihnen als User weiterhin ein Bild am Monitor anzeigen zu können. Wenn die Grafikkarte einen Grafikbeschleuniger besitzt, verwaltet dieser die Video-Prozesse und Daten. Ein kleiner Teil des Video Memory ist dem Beschleuniger zugeteilt; der Rest des Speichers wird als frame buffer verwendet wo die anzuzeigende Daten in individuelle Bilder konvertiert werden um danach am Monitor nacheinander ausgegeben zu werden. Dieser Prozess ist ähnlich dem Druck-Prozess: Der Prozessor transferiert die Daten an den Printer buffer (dem integriertem Speicher im Drucker) - dieser hält die Daten und erstellt eine auszudruckende Seite für den Drucker. Wenn Sie in einer Applikation speichern, werden die Daten vom RAM-Speicher auf den Massenspeicher (z.B. Festplatte) kopiert. Nachdem Sie die Applikation schließen, sollte der entsprechende Teil des RAM vollständig gelöscht werden. Doch leider passiert dass nicht immer - dafür gibt es dann entsprechende Tools, die dann wirklich im Speicher "aufräumen" und verschwendeten RAM-Speicher freigeben.

Geschichte der Speicherarten

1981 sage Bill Gates (Microsoft) noch, dass kein Mensch auf der Welt jemals mehr als 640KB (=0,64MB) Hauptspeicher brauchen werde. Nun, angesichts von Speicherchips bis hin zu 512 oder 1024MB hat er sich eindeutig geirrt. In der heutigen Zeit würden 640KB nicht einmal reichen, dass Spiel Solitär (liegt Microsoft Windows bei) zu starten. Die Speichermedien haben bisher einen langen Weg hinter sich. Immer wieder wurden neue Typen entwickelt die schneller und mehr Kapazität mit sich brachten, hier einige Erklärungen dafür.

Der wichtigste Punkt warum die Speicherchips immer schneller werden mussten war, dass sie in Einklang mit der Geschwindigkeit des Prozessor sein sollten. Früher war das angesichts 5Mhz schneller Prozessoren kein Problem, heutzutage peilen wir 3000Mhz an - da müssen auch entsprechend schnelle Speicherchips herhalten, denn ansonsten könnte der Prozessor zwar schnell rechnen, müsste aber immer auf die Speicherchips warten.

Aber warum brauchen wir stets mehr Speicherkapazität? Nun, dafür kann man wohl die Softwareindustrie aber auch die Anwender verantwortlich machen. Wem Dos, Linux oder ein Unix mit einfachsten Editoren und wenigen Usern reicht, braucht auch nur wenig Ram. Wir wollen aber heutzutage ein grafisches Betriebssystem, ein schnelles Textverarbeitungsprogramm, ein E-Mailprogramm, einen Webbrowser, einen Instant-Messager, einen Audioplayer und vieles mehr - aber alles gleichzeitig. Da liegt es auf der Hand, dass wenig Speicher einfach nicht ausreicht, alle Wünsche der User zu befriedigen.

Zukunft

Es gibt wohl zwei absehbare Erneuerungen die auf uns zukommen werden. Auf der einen Seite könnte der Speicher künftig in großen Mengen direkt in den Prozessor integriert werden. Dadurch könnte die Zugriffsgeschwindigkeit des Prozessor auf den Speicher von 10 bis 30ns (eine Millionstel Sekunde) auf fast 0ns reduziert werden.

Die zweite interessante Entwicklung ist derzeit schon erprobt, muss aber noch den Weg in die Massenfertigung finden. Es geht darum jene Art von RAM-Speicher zu entwickeln, der auch nach Stromverlust die bis dahin gespeicherte Daten wiederherstellen kann. Dadurch wäre es möglich, sämtliche Bootvorgänge entfallen zu lassen. Ein Druck auf den Power-Knopf und ihr gewähltes Betriebssystem inkl. aller Programme und Dateien vom letzten Betrieb sind sofort auf dem Bildschirm zu sehen.


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