Autor: Marco Spiller

Interne Speicher

1.

Interne Speicher nach Funktionen gegliedert S. 1

1.1

Das

Bios

S.

1-2

1.2

Der

Arbeitsspeicher

S.

2

1.3

Der Pufferspeicher (Cache)

S. 3

1.4

Die

Registerspeicher

S.

3

1.5

Notwendigkeit der Speicherhierarchie S. 4

2.

Speicheraufbau/-zugriff

S. 5-6

2.1

Speicheraufbau (am Beispiel Hauptspeicher) S. 5

2.2

Speicherzugriff

S.

6

3.

Speicherarten

S.

7

3.1

Die ROM Speichertypen

S. 7

3.2

D-RAM

S.

8

3.3

S-RAM

S.

8

4.

Glossar

S.

9

5.

Quellenangaben

S.

10

1

---

Interne Speicher nach Funktionen

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.

Interne Speicher

Zentraleinheit

Cache

Haupt-

Register-

speicher

Speicher

Arbeits-

Festwert-

Speicher

Speicher

Platten-

"Virtueller

Speicher

Speicher"

Abb. 1 Interne Speicher nach Funktionen

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.

Interne Speicher nach Funktionen

2

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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)

3

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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.

Interne Speicher nach Funktionen

4

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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.

Re-

gister

Zu

A

n

b

e

n

L1 - Cache

h

e

m

hm

en

e

d

n

e

L2 - Cache

d

e

K

a

K

p

os

a

t

z

e

i

Hauptspeicher

t

n

ä

ende Zugrif szeit

p

t

ro Bit

Abnehm

Erweiterungsspeicher

Magnetplattenspeicher

Optischer Plattenspeicher

Abb.2 Speicherhierarchie

5

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Speicheraufbau

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

(Im Dualcode)

Inhalt

0

0

1

0

0

0

1

0

0

1

2

3

4

5

N-1

Aufbau des Arbeitsspeic hers

0 1 0 0 0 1 0 0 Zeichen im ASCI Code = D

0 0 0 0 im Dualcode

Abb. 3 Adresszuordnung im Hauptspeicher

6

---

Speicherzugriff

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

Info

Relevante Wege des

Speicherzugriff

Befehlsadressen

Befehle vom Arbeitsspeicher

An den

Daten vom oder zum

Arbeitsspeicher

Arbeitsspeicher

Befehls-

Befehls-

Prozessor-

Register

Zähler

Register

Interne

(für Operanden

Adressen

Und Ergebnisse)

Befehls-

Operationen-

Akku-

Decodierer

Steuerung

Mulator

Prozessor-

Interne

Steuersignale

Taktgeber

Status-

A

L

U

Register

Leitwerk

Rechenwerk

Steuersignale zu und von

Prozessorexternen Einheiten

Abb. 4 Speicherzugriffs-Wege im Zentralprozessor

7

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Speicherarten

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.

8

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Speicherarten

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

9

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Glossar

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"]

10

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Quellenangaben

5 Quellenangaben

Literatur

-

(Hansen, Wirtschaftsinformatik I, 7. Auflage)

-

(W. Wamper, EDV mit Programmierübungen in Turbo-Pascal 2. Auflage)

-

(PC intern 4, Data Becker)

Internet

-

www.wissen.de (Lexikon)

-

http://www.ub.fu-berlin.de/~naumann/nau_ib.html (Unterlagen zum Fernstudium,

Freie Universität Berlin)

-

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

Informationen)

2

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