Datenrettung Lexikon - A - Arbeitspeicher
Arbeitsspeicher
Der Arbeitsspeicher wird auch als Hauptspeicher bezeichnet. Es ist der Speicher des Computers, in dem Programm während ihrer Ausführung Nutzdaten zwischenlagern, die zu einem späteren Zeitpunkt wieder angewendet werden können. Arbeitsspeicher sind anhand von Adressen gegliedert. Dadurch können Binärwörter von definierten Einheiten gespeichert werden. Der Arbeitsspeicher nutzt im Gegensatz zu den magnetischen Speichern das so genannte RAM zur Speicherung, mit dem die Daten zwar zeitsparender verarbeitet werden können, das jedoch auch kostenintensiver im Einsatz ist. Die aktuellen Computermodelle nutzen flüchtige Arbeitsspeicher. Damit ist gemeint, dass die vorhandenen Daten bei einer Unterbrechung der Stromzufuhr automatisch gelöscht werden. Die gängigste Einsatzart im Computer ist die des Speichermoduls.
Wegen der rasanten Entwicklung kann man heutzutage aus unterschiedlichen RAM Varianten auswählen. Es gibt z.B. SDR, DDR, DDR2 und DDR3, welche jeweils für differierende Systeme konstruiert wurden. Darüber hinaus existieren Hintergrundspeicher, die eine Geld sparende und längerfristige Aufnahme größerer Datensätze versprechen. Das beste Beispiel hierfür sind Festplatten. Eine andere Variante der Datensicherung ist die Anwendung des ROM. Dies sind “Nur Lese Speicher“, bei denen Daten in einem dauerhaften Speicher gesichert werden.
Der Arbeitsspeicher wird häufig mit dem Festplattenspeicher verwechselt.
Zu den 4 bedeutendsten Unterscheidungsmerkmalen zählen:
1. Arbeitsspeicher sind in der Regel flüchtig, bei Unterbrechung der
Stromzufuhr gehen die Daten verloren.
2. Zur Ausführung von Arbeitsspeichern werden Transistoren und oder
Kondensatoren genutzt. Massenspeicher hingegen nutzen magnetische
(Festplatten, Disketten, Bandspeicher) oder optische (CD-ROM, DVD)
Technologien aus. Die Grenzen werden derzeit durch Speicherkarten
verwischt. Diese bestehen aus nicht flüchtigen RAM Speichern.
3. Die Anwendung des Arbeitsspeichers erfolgt (je nach CPU) zumeist in
kleinen Dimensionen, d.h. in einem oder einigen Bytes. Dagegen Arbeiten
Massenspeicher mit Dateien, die weitaus größere Dimensionen an
Datenmengen darstellen.
4. Die Latenz des Arbeitsspeichers ist minimal, hierdurch ist es möglich ohne
besondere Zeiteinbuße auf Daten an willkürlichen Orten des Speichers
einzuwirken (die ist ebenfalls der Ursprung des Namens RAM = Random
Access Memory). Massenspeicher brauchen verhältnismäßig lang um Daten
zu laden, ihr Vorteil liegt in der Abfrage großer zusammenhängender
Datenmengen.
Die Speicherkapazität des Arbeitsspeichers wird in Byte angegeben. In den am häufigsten angewendeten Systemen ist der Arbeitsspeicher zunächst ein absolut virtueller Speicher mit der Kapazität von einigen GByte. Die Größe des physikalischen und virtuellen Speichers hat sich im Laufe der Zeit immer weiter erhöht. Es ist möglich Untergliederungen, eine oder mehrere Speicherseiten, des virtuellen Speichers entweder auf den verfügbaren RAM oder dem Swapspace abzubilden. Der Anwendungsgrad der unterschiedlichen Seiten verfügt darüber welche Speicherseite auf die Festplatte umgelagert wird und welche auf dem raschen RAM bestehen bleibt. Diese Entscheidungen werden vom Betriebssystem vorgenommen und der CPU Arbeitsweise gefördert. Deshalb gelten Swapspeicher als Zusatz für physikalische Arbeitsspeicher, die zwar günstig jedoch mit sehr schlechten Leistungen kombiniert sind. Dies zeigt sich durch das unvermeidbare „swappen“.
Die Bemächtigung des CPUs auf den physikalischen RAM wird anhand von Cache-RAMs (auch nur Cache genannt) abgewandt. Dies ist deshalb von Nutzen, da hierdurch die Leistungsfähigkeit bei Zugriffen auf oftmals genutzte Speicherstellen maximiert wird. Der Umfang der Cache ist oft sehr minimal, ausschließlich bei wenigen Serverprozessen kann er mehrere Megabyte betragen. Der Vorteil der Nutzung von Cache RAMs ist, dass bei geringem Speicherbedarf alles über den Cache und ohne die Aktivierung des RAM abgewickelt werden kann.
Allgemein kann man sagen, dass die Leistungsfähigkeit von Speichern mit steigender Größe sinkt. Somit ist die Ausführungsgeschwindigkeit einer Anwendung sehr stark vom Speicherbedarf abhängig, häufig sogar mehr als von der Prozessorleistung. Der Kontakt des physikalischen Speichers wird über den Adressbus gewährt, seine „Breite“ wird in Bits gemessen:
1. 16 Bit: Maximal 64 KiB. Generation der s.g. 8-Bit-Computer
2. 20 Bit: Maximal 1 MiB. Generation des PC/XT-Standards und der
DOS-Ära.
3. 24 Bit: Maximal 16 MiB. Bei PCs der Adressraum des 80286, bei Apple
der Adressraum der ersten Macintosh-Computer (Motorola 68000)
4. 32 Bit: Maximal 4 GiB. Bei PCs der Adressraum von 80386 bis
Pentium4/Athlon. Bei Apple Adressraum bis Macintosh G4.
5. 64 Bit: Maximal 16 ExaBinaryByte (EiB). Bei PCs der Adressraum von
AMD64 und Intel Itanium, bei Apple der Adressraum des Macintosh G5.
Dies zeigt, dass einer der bedeutendsten Differenzierungen zwischen der „32-Bit“ und der „64-Bit“ Prozessorvariante der größtmögliche anzustrebende Arbeitsspeicher ist. Hierbei muss man allerdings beachten, dass anhand der Bits die Breite des Datenbusses beschrieben wird. Dies muss nichts mit der Breite des Adressbusses gemein haben, da der Umfang des Adressraumes nämlich ausschließlich vom Adressbus bestimmt wird, nicht vom Datenbus.
Der Rang der Arbeitsspeicher inmitten der Speicherhierarchie:
Aktuelle PCs bearbeiten Datenmengen im Zeitraum von Nanosekunden. Dabei entsteht das Problem, die Recheneinheit des Prozessors mit ausreichend Daten zu „füttern“.
Der ideale Speicher ist
- sehr groß
- sehr schnell
- nichtflüchtig
- preiswert
Da dieses Ziel sehr unrealistisch ist, hat man eine Speicherhierarchie entworfen, die große, nicht flüchtige, billige und langsame Speicher mit schnellen aber kleinen koppelt.
Ein gängiges Computersystem hat heute (2004):
- Recheneinheit (1-2 Prozessoren, flüchtig, Nanosekunden)
- Register (ca. 4 bis 128, 32-64 Bit, flüchtig, Nanosekunden)
(32 Kilobyte bis wenige Megabyte, flüchtig, ca. 10 Nanosekunden)
- Arbeitsspeicher (512 Megabyte bis 4 Gigabyte, flüchtig, ca. 100
Nanosekunden)
- Festplattenspeicher (80 Gigabyte bis 1 Terabyte, nichtflüchtig, wenige
Millisekunden)
- Bandlaufwerke (Bänder mit bis zu mehreren Terabyte, nichtflüchtig, Minuten)
Bei PCs wird häufig auf Bandlaufwerke verzichtet.
Geschichte
Die ersten Computer waren nicht mit Arbeitsspeicher versehen und konnten ausschließlich ein paar Register aufweisen. Diese waren mit der gleichen Technik wie das Rechenwerk ausgestattet, also Röhren oder Relais. Programme wurden anhand völlig anderer Mittel gesichert.
Zu einem späteren Zeitpunkt hat man Magnetkernspeicher entwickelt, die Information mittels winziger Ferritkernen sicherten. Sie waren in einer X-förmigen Matrix angeordnet, so dass sich je eine Adressleitung und eine Wortleitung im Zentrum eines Ferritkerns schnitten. Der Speicher war nichtflüchtig, man büßte die Information jedoch beim Lesen ein. Sie wurde daraufhin von der Ansteuerungslogik sogleich wieder zurück geschrieben. Darüber hinaus entstand kein Stromverbrauch, wenn im Speicher keine Schreib- oder Lesetätigkeit vollzogen wurde. Verglichen mit aktuellen Maßstäben ist er zu unkompakt und in der Produktion zu teuer. Ein gängiger Großcomputer wie die Telefunken TR440, konnte Ende der 1970er Jahre Kernspeicher mit 192.000 Worten à 48 Bit, also über 1 MByte besitzen.
Der Kernspeicher hatte ausreichend Speicherkapazitäten zur Verfügung um die gewünschten Programme von einem angeschlossenen Speicher zuerst in den Arbeitsspeicher zu übertragen und diese Daten dort zu lagern.
Durch die Introduktion der Mikroelektronik wurden Arbeitsspeicher immer mehr anhand von integrierten Schaltungen (Chips) abgelöst. Die ersten Varianten waren Flipflops, die zwischen 2 und 6, mit einer Ansteuerlogistik versehenen, Transistoren besaßen und deshalb einen verhältnismäßig hohen Flächenverbrauch verbuchten. Diese Speicher benötigten einen kontinuierlichen Stromfluss. Gängige Größen stellten integrierte Schaltungen (IC) mit 1 Kibibit dar, bei der jeweils acht ICs gemeinsam adressiert wurden. Die Arbeitszeiten befanden sich im 100 Nanosekundenbereich, womit sie schneller als Prozessoren im Megahertz bereich waren. So kam es zur Einführung von Prozessoren mit einer geringen Anzahl an Registern, wie z.B. MOS Technologies 6502 oder dem Texas Instruments TMS 9000. Diese vollzogen ihre Arbeitsschritte zu einem großen Teil im Arbeitsspeicher. Andererseits wurden dadurch Heimcomputer umsetzbar, bei denen Bereiche des Arbeitsspeichers für die Videologik des Bildschirmspeichers genutzt wurden. Die Videologik konnte ihn dabei synchron mit dem Prozessor nutzen.
Am Ende der 1970er hat man an der Entwicklung dynamischer Arbeitsspeicher gearbeitet, die nur einen Kondensator und einen weiteren Feldeffekttransistor pro Speicherbit zur Datenspeicherung brauchten. Ihre Aufbaugröße konnte sehr klein gehalten werden, außerdem brauchten sie wenig Leistung. Der Nachteil dabei war, dass der Kondensator die Informationen relativ schnell „vergaß“, weshalb sie in periodischen Abschnitten von einigen Millisekunden neu gespeichert werden mussten. Dafür war der „Refresh“ Vorgang nötig, wobei anhand einer externen Logik die Informationen regelmäßig gelesen und zurück geschrieben wurden. Wegen der besseren Eingliederungsmöglichkeiten konnte die Refreshlogik in den 80er günstig integriert werden. Die gängigen Größen während der 80er waren 64 Kibibit pro IC, hierbei wurden acht Chips gleichzeitig benannt.
Bei den preislich günstigen dynamischen RAM befinden sich die Zugriffszeiten bei etwa 100 Nanosekunden, hier stockt die Entwicklung weitestgehend, jedoch ist ihre Speicherkapazität auf einige Mebibit pro Chip angestiegen. Bei der Prozessoren-Taktung wurde der Megahertzbereich vom Gigahertzbereich abgelöst, hierdurch sind Maßnahmen zur Zugriffszeitreduzierung pro Bit nötig.
Man installiert zuerst ein Cache, der winzig und leistungsfähig aber auch sehr kostspielig ist, zwischen Prozessor und Arbeitsspeicher. Dieser beinhaltet einen geringen Bereich des Arbeitsspeichers, somit ist man dazu befähigt binnen einiger Nanosekunden darauf zuzugreifen. Es gibt Varianten bei denen unterschiedlich leistungsstarke Cachespeicher in einer bestimmten Reihenfolge genutzt werden.
Man nutzte den Cache als Assoziativspeicher, da dieser dem Anwender die Entscheidungsfreiheit bietet ob die Daten einer Adresse bereits im Cache gesichert sind oder vom Arbeitsspeicher zu beschaffen sind. Danach wird ein anderer Teil des Cache aufgegeben. Hierbei „füttert“ man den Cache regelmäßig mit einer Reihe von Worten, z.B. mit wenigstens 256 Bits (der so genannte Burst Modus), da es sehr gut möglich ist, dass kurz darauf ebenfalls Daten genutzt werden sollen, die den gerade gebrauchten folgen oder vorauseilen.
Es gibt kaum Verzögerungen bei der Kommunikation zwischen dem Cache-Bus und dem Arbeitsspeicher. Dies bedeutet eine hohe Taktung und einen Datentransfer mit erhöhter und erniedrigter Taktflanke (DDR: Double Data Rate). Er ist simultan und mit großer Wortbreite, z. B. 64 Bit pro Adresse. Die Nutzung einer Vielzahl von Steckplätzen auf der Hauptplatine führt zur Verteilung von aufeinander folgende Adressen auf unterschiedliche Steckplätze. Somit werden überkreuzte Zugriffe (Interleaved) bei Burst Zugriffen machbar.
Im Inneren der Speicherchips sichert man komplette Adresszeilen in Schieberegistern. Ein Chip, der mit 1 Megabit ausgestattet ist, ermöglicht es z.B. 1024 Zeilen mit 1024 Bits zu speichern. Beim primären Zugriff wird ein schnelles integriertes 1024 Bit Register mit den Daten einer Zeile komplettiert. Burst Zugriffe machen minimale Zugriffszeigen möglich, da die Daten folgender Adressen schon im Schieberegister vorhanden sind und somit schnell von ihm gelesen werden können (EDO: Extended Data Out). Diese Eigenschaft realisiert Zugriffszeiten pro Bit, die geringer als eine Nanosekunde sind. Jedoch bleibt die Zugriffszeit für ausgewählte Bits im Speicher beständig bei etwa 100 Nanosekunden.
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Arbeitsspeicher aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren zum Begriff Arbeitsspeicher verfügbar.
wichtige weitere Stichwörter zu dieser Detailerläuterung im Lexikon zur Datenrettung: RAM, ROM, Computer, Speichemedien, Speicher, Random Access Memory, Data Alignment
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