1 Interne Speicher nach Funktionen gegliedert

Interne Speicher lassen sich unterscheiden in Hauptspeicher, Cache und Registerspeicher. Häufige Synonyme für Hauptspeicher sind auch Arbeitsspeicher oder RAM. Der in Abb. 1 genannte virtuelle Speicher gehört nicht direkt zu den internen Speicher, sondern simuliert ihn nur. Das heißt, er speichert Daten des Arbeitsspeichers zwischen, wenn dieser zu klein ist. Dies geht natürlich zu lasten der Performance, da der Zugriff auf die Festplatte im Gegensatz zu den internen Speicher sehr langsam ist.

1.1 Das BIOS (Basic Input Output System)

Dieser Speicher enthält alle Programmteile die für die Organisation und Inbetriebnahme des Rechners nötig sind. Es umfasst folgende Funktionen:

• Hardware Diagnose / Initialisierung

• Lesen und Schreiben von Sektoren der Festplatte

• Setzen der Systemuhr und des Systemdatums

Um den PC möglichst flexibel zu halten wird versucht, den festprogrammierten Teil des Betriebssystems so gering wie möglich zu halten. Dadurch können besonders bei Einsatz von neueren Betriebssystemen Probleme vermieden werden.

Der früher eigentlich eingesetzte ROM Speicher war fest beschrieben und konnte nicht wiederbeschrieben werden. Heute gibt es andere Festwertspeicher die sich durch verschiedene Verfahren wiederbeschreiben lassen (siehe ROM-Typen). Dafür bleibt sein Inhalt auch nach dem ausschalten des Rechners bestehen. Ältere Rechner kamen noch mit 16 KByte aus, während heutige Rechner schon mal bis zu 2Mbyte große ROM Speicher besitzen.

1.2 Der Arbeitsspeicher

Häufig wird der Arbeitsspeicher auch als Haupt- oder Zentralspeicher bezeichnet, da nur er einen relevanten Einfluss auf die Geschwindigkeit der Arbeitsabläufe im Computer hat. Der Arbeitsspeicher steht dem PC als Daten- und Programmspeicher zur Verfügung. Somit zählen zu den Aufgaben des Arbeitsspeicher:

• Speicherung des jeweils benötigten Programms und Abgabe der aktuell benötigten Befehle

• Übernahme von Daten aus einer Eingabeeinheit zur Weiterleitung an den externen Speicher oder zum Verbleib im Arbeitsspeicher

• Datenaufnahme von einem externen Speicher zur Verarbeitung

• Abgabe von Daten oder Verarbeitungsergebnissen in eine Ausgabeeinheit

Im Gegensatz zum ROM-Speicher kann RAM frei beschrieben, gelesen und gelöscht werden. Dafür bleiben die Daten nur so lange im Arbeitsspeicher, wie Spannung anliegt. Wird der PC ausgeschaltet oder kommt es zum Stromausfall, so werden alle Daten, die noch nicht auf externe Speicher übertragen wurden unwiederbringlich gelöscht.

Um so größer der Hauptspeicher ist, umso mehr Programme und Dateien kann er Zwischenspeichern. Bei Kleinstrechnern (PDAs) liegt dieser Speicher in der heutigen Zeit zwischen 2 und 16 MB. Mittlere (PCs) und große Zentraleinheiten (Mainframe) fassen Hauptspeicher zwischen 16 MB und 4 GB. Manche Großrechnerfamilien haben darüber hinaus die Möglichkeit durch den Einsatz von Erweiterungsspeicher, über die architekturbedingte 4 GB Speichergrenze hinausgehenden Adressbereich von bis zu 16 TB Zentralspeicher zu adressieren.

Dies hat den Vorteil das Programme nicht über den langsameren externen Speicher eingelesen werden müssen. Sollte der Arbeitsspeicher aber nicht groß genug sein, so muss er die Daten die er nicht mehr aufnehmen kann auf der Festplatte auslagern. Diese Auslagerungsdatei wird auch virtueller Arbeitsspeicher genannt.

Unter den Microsoft Betriebssystemen heißt diese Datei „Win386.swp“ und befindet sich bei festen Vorgaben im Hauptverzeichnis c:\.

Interne Speicher nach Funktionen

1.3 Pufferspeicher (Cache)

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Diese Speicherarten werden überall dort eingesetzt, wo Funktionseinheiten mit verschiedenen Geschwindigkeiten aufeinandertreffen. Beim internen Speicher betrachtet stellt sich heraus das der Hauptspeicher die Daten nicht so schnell preis gibt, wie die CPU sie gerne hätte. Deshalb muss der träge D-RAM ständig Wartezyklen (=Waitstates) einlegen was die Performance des gesamten Rechnersystems verschlechtert. Um gerade diese Wartezeiten zu verkürzen wird zwischen CPU und Arbeitsspeicher ein Cache Speicher aus schnelleren S-RAM Chips geschaltet. Im Cache werden jeweils die aktuellen Befehle und Daten rechtzeitig bereitgestellt.

Im CPU Kern selber befindet sich der L1-Cache, welcher eine Größe von 8-64 KByte besitzt und 3-9 ms schnell ist. Daneben befindet sich noch ein L2-Cache auf dem Motherboard. Dieser hat meist eine Größe zwischen 32-1024 KByte und ist 10-25 ms schnell. Bei neueren Rechnern befindet sich dieser auch direkt auf dem Prozessor.

Damit es zu einer Geschwindigkeitssteigerung kommt, muss ein Zugriff auf den Cache selbst ohne Rückgriff auf den Arbeitsspeicher erfolgen. Um dies zu erreichen werden zusammengehörige Daten in den Cache geladen. Damit wird eine Trefferwahrscheinlichkeit (Hit-Fall) von 95 % erreicht. Andernfalls kommt es zu einem Miss-Fall. Dann versucht das Leitwerk die Daten aus dem L2-Cache zu laden. Hier liegt die Wahrscheinlichkeit bei 98 %. Erst wenn es auch hierbei zu einem Miss-Fall kommt, wird auf den langsameren Hauptspeicher zurückgegriffen.

1.4 Der Registerspeicher

Diese Speicher sind Bestandteile des Prozessors oder anderer elektronischer Baueinheiten. Sie speichern kurzfristig Angaben die während der Befehlsverarbeitung sofort wieder zur Verfügung stehen müssen. Sie sind meistens nur wenige Byte groß und unterscheiden sich in Einzweck- und Mehrzweckregister.

Einzweckregister wie z.B. das Befehlszählregester sind einer bestimmten Aufgabe fest zugeordnet während Mehrzweckregister (auch allgemeine Register genannt) für verschiedene Operationen vorgesehen sind. Hierzu zählen zum Beispiel Register für Ergebnisse.

Register erlauben einen wesentlich schnelleren Zugriff als der Arbeitsspeicher und haben eine Zykluszeit von 2-15 Nanosekunden je nach Rechner.

1.5 Notwendigkeit der Speicherhierarchie

Speicherhierarchien werden in heutigen Rechner realisiert, weil die Kosten schnellerer

Speicher viel höher sind als die der langsameren (siehe Abb.2). Vom Zentralprozessor aber

aus gesehen entsteht durch diese Speicherhierarchie ein Speicher, der fast so schnell ist wie

der Cache und gleichzeitig so groß wie der Hauptspeicher.

2 Speicheraufbau/-zugriff

2.1 Speicheraufbau (am Beispiel Hauptspeicher)

Technisch besteht der Hauptspeicher aus elektronischen Bauelementen (Kondensatoren und Transistoren) die zwei Zustände, elektrischer Impuls vorhanden bzw. kein elektrischer Impuls vorhanden unterscheiden und damit ein Bit speichern. Jeweils 8 Bit bilden eine Speicherzelle.

è ein Byte ist die kleinste adressierbare Einheit

Die Speicherstellen sind im Dualcode nummeriert. Ihre Nummern bezeichnet man als physikalische Adresse mit deren Hilfe jede gewünschte Adresse (Speicherstelle) direkt vom Leitwerk angesteuert werden kann (siehe Abb. 3).

Adresse

2.2 Speicherzugriff

Praktisch gesehen gibt die CPU Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher, welche dann in das Befehlsregister geladen werden. Nach deren Decodierung steht die Ausführung der Befehle an. Nach erfolgter Befehlsinterpretation wird der Befehlszähler um die Länge der decodierten Befehle erhöht. Dadurch ergeben sich die Adressen der Folgebefehle, welche nun wieder aus dem Hauptspeicher angefordert werden. Sollte der Normalfall bei dem die Befehle eines Programms in aufeinanderfolgenden Arbeitsspeicherstellen stehen nicht gegeben sein, so muss eine Modifizierung des Befehlszählers erfolgen. Dies ist bei Schleifen der Fall, bei denen zu bereits vorher verarbeiteten Befehlen zurückgesprungen wird. Hierbei wird statt des nächsten Befehls die Zieladresse des Sprungbefehls geladen.

Natürlich handelt es sich bei diesem Beispiel nur um eine theoretische Ansicht, da in den meisten Fällen die Befehle schon im Cache vorliegen und von dort aus in das Befehlsregister geladen werden.

Aufbau des Zentralprozessors

3. Speicherarten

Zwei Arten von internen Speicher sind zu unterscheiden, der festprogrammierte und nicht veränderbare Teil ROM (= read only memory) und der frei beschreibbare RAM (= random access memory)

3.1 Die ROM Speichertypen

1. Das PROM (= programmable ROM)

Dieser Speichertyp kann nur einmal mit einem Spezialgerät beschrieben werden. Auch bei abgeschaltetem Computer gehen die Daten nicht verloren.

2. Das EPROM (= eraseable programmable ROM)

Dieser Baustein kann mehrmals neu beschrieben werden. Mit Hilfe von UV-Licht oder elektrische Signale kann der alte Inhalt gelöscht werden.

3. Das EEPROM (= electrically eraseable programmable ROM) Lässt sich durch ein spezielles Programm elektrisch löschen und wiederholt beschreiben

Flash Memorys

Sind Speicherchips die wie ein ROM programmiert sind aber zusätzlich elektronisch gelöscht werden können. Vergleichen kann man sie am ehesten mit EEPROMs. Die Speicherdichte ist höher als bei normalen DRAM-Chips und benötigen auch keine Batterie, da sie nicht flüchtig sind. Eingesetzt werden diese Speicher häufig als Bios in PC-Systemen, aber auch als Massenspeicher in Form einer Steckkarte.

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3.2 D-RAM (dynamic RAM)

Diese Speicherart ist kostengünstig herzustellen, da sie pro Speichezelle nur jeweils einen Transistor mit einem Kondensator benötigt. Die Kondensatoren entladen sich beim Auslesen sowie durch kleine Leckströme, weshalb sie nach relativ kurzer Zeit aufgefrischt werden müssen. Durch ihren geringen Preis werden sie hauptsächlich als Arbeitsspeicher verwendet.

Der Haupttyp der in heutigen Rechnern verwendet wird ist der SD-RAM, welcher eine Zugriffszeit von 7-9 ns aufweist und auf 100 MHz Bustakt ausgelegt ist. Er hat den Vorteil dass er gegenüber von älteren Speicherarten synchron mit dem Prozessor arbeitet. Das heißt er muss nicht so viele geschwindigkeitsbremsende Waitstates einlegen. Der in 486er verwendete EDO bzw. PS/2 RAM spielt heute keine Rolle mehr. Bereits auf dem Markt sind schon S-DRAM Module welche einen Bustakt von 133 MHz vertragen. Brandneue RAMBUS Module für Pentium 4 Prozessoren werden sogar mit 800 MHz angesprochen. Diese sind aber im Gegensatz zu normalen SD-RAM´s noch bis zu vier mal so teuer.

3.3 S-RAM (static RAM)

S-RAM Speicherchips müssen nicht aufgefrischt werden weshalb sie um ein vielfaches schneller sind als D-RAMs. Dafür benötigt er aber auch 4-6 Transistoren pro Speicherzelle, womit diese auch entsprechend größer und teurer sind als D-RAM Chips. Deshalb werden sie auch nur für Caches verwendet.

3.4 Beispiele Speichermodule

Siemens 128 MB SD-RAM DIMM (Dual Inline Memory Module)

Siemens 16 MB PS/2 - Baustein

Siemens 1 MB SIM - Baustein

4 Glossar

§ Dualcode - Im Gegensatz zum Dezimalsystem (zehn Stellen 0-9) besitzt das Dualsystem nur 2 Ziffern (Nullen und Einsen). Dennoch kann jede beliebige Zahl dargestellt werden, wobei jedoch mehr Stellen benötigt werden.

§ Kondensator - ein Bauteil, das eine Kapazität hat und zum Speichern elektrischer Ladungen dient. Es besteht aus zwei elektrisch leitenden Belägen, zwischen denen sich ein Dielektrikum (Nichtleiter) befindet. Beim Anlegen einer Spannung an die Beläge sammelt sich auf dem einen Belag eine elektrische Ladung

§ Mainframe - Oberbegriff für Computer mit großer Rechenleistung und großer Speicherkapazität. Während der Begriff heute den gesamten Rechner bezeichnet, verstand man in der Anfangszeit darunter zunächst nur das Hauptgestell und die Zentraleinheit (CPU) des Computers.

§ PDA - kleines elektronisches Adress-, Termin- und Notizbuch, neuerdings auch in Kombination mit Handys, Anbindung an PC, z. T. mit Internetanschluss [engl. „persönlicher digitaler Assistent”]

§ Programmschleife - bei der Programmierung eine Anweisungsfolge, die gebunden an eine innerhalb der Anweisung manipulierte Bedingung wiederholt wird [englisch loop]

§ Transistor - aus drei verschiedenen Halbleiterschichten bestehendes Bauelement der Elektronik zum Verstärken von Spannungen u. Strömen [engl. transfer „umwandeln” + resistor „elektr. Widerstand”]

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5 Quellenangaben

Literatur

(Hansen, Wirtschaftsinformatik I, 7. Auflage) - (W.Wamper, EDV mit Programmierübungen in Turbo-Pascal 2. Auflage) - (PCintern 4, Data Becker) - Internet

www.wissen.de (Lexikon) - http://www.ub.fu-berlin.de/~naumann/nau_ib.html (Unterlagenzum Fernstudium, - FreieUniversität Berlin)

http://sites.dorf.wh.uni-dortmund.de/vanphuc/hardware/ram.htm (Hardware- - Informationen)

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