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Arbeitsspeicher - der Spickzettel fürs System

Computersysteme besitzen eine so genannte Speicherhierarchie, angefangen bei den Registern und dem Cache direkt im zentralen Prozessor (CPU), über den Arbeitsspeicher, der Auslagerungsdatei auf der Festplatte und den sequentiellen Speichermedien (z.B. Festplatte). Dabei wird eine Abstufung vom kleinen, extrem schnellen aber auch teuren Speicher nah an der CPU hin zum großen, deutlich langsameren und preiswerteren Massenspeicher vorgenommen. Durch ein ausgeklügeltes Speichermanagement auf dieser Hierarchie wird ein optimales Preis-/Leistungsverhältnis erreicht.

Ein Beispiel aus dem Büroalltag zur Veranschaulichung

Sie sind beim Telefonieren und wollen sich vom Gesprächspartner durchgegebene Daten kurz notieren, um sie nach dem Telefonat zu verwenden. Stellen Sie sich Ihre möglichen Vorgehensweisen vor:

Vorgehensweise 1 - die Unrealistische

Sie bitten den Gesprächspartner um Geduld und gehen zum Aktenschrank. Sie wählen den Bereich der offenen Vorgänge, suchen dort nach dem entsprechenden Ordner, schlagen in diesem den zu bearbeitenden Vorgang auf, wählen das korrekte Formular...

Vorgehensweise 2 - die Realistische

Sie wissen, Geduld ist eine zeitlich beschränkte Tugend und daher vermerken Sie die angesagten Daten auf einem Notizzettel, der Zeitaufwand während des Telefonates beschränkt sich damit auf den reinen Schreibvorgang. Vielleicht reicht die kurze Notiz für Ihre weiteren Telefonate, und Sie verändern die Daten im weiteren Arbeitsverlauf, so dass Sie auf den Griff zu den Akten zunächst verzichten können. Ist der Vorgang dann abgearbeitet und etwas Ruhe eingekehrt, können Sie ohne Zeitdruck die Akten mit den relevanten Daten vervollständigen. Ist die Sache damit abgeschlossen, können Sie den Ordner ins Archiv geben.

Auch wenn dieses Beispiel manchem etwas angestaubt erscheint, es dürfte es nachvollziehbar sein und verdeutlicht annähernd den Speicheraufbau und dessen unsichtbares Management im Computer. Was in aktenverstaubten Büros trotz aller Besserungsversuche immer seine Zeit braucht, läuft im Computer natürlich rasend schnell.

Speicherhierarchie im Computer

Während Register und Cache integrale Bestandteile des Prozessors sind, ist der Arbeitsspeicher eine separate PC-Komponente und mit dem Notizzettel im obigen Beispiel vergleichbar. Alle vom Prozessor zu bearbeitenden Daten müssen in diesen Arbeitsspeicher geladen werden, denn auf diesen Speicher kann der Prozessor direkt über den Systembus zugreifen. Da der Arbeitsspeicher aber nicht immer für alle aktuell laufenden Anwendungen ausreicht, wird schon beim Systemstart eine feste Auslagerungsdatei auf der Festplatte angelegt. Auf diesen Bereich können kurzzeitig nicht benötigte Daten des Arbeitsspeichers zügig abgelegt und später wieder von dort gelesen werden. Im Beispiel entspricht dies dem Teil des Aktenschranks für die offenen Vorgänge. Zu sichernde Daten werden auf den freien Bereichen der Festplatte oder anderen Speichermedien abgelegt. Diese Speicher sind im Beispiel durch den Aktenschrank und das Archiv repräsentiert.

Der Grund für diese hierarchische Speicherorganisation ist der Bedarf nach schnellem, großem und dazu noch preiswertem Speicher. Diese Attribute treffen jedoch bei dem real verfügbaren Speicher nicht zusammen, so dass durch die hierarchische Speicherzuordnung ein angemessener Kompromiss erzielt wird.

In Analogie zum Notizzettel aus dem Beispiel wird klar, ein möglichst großer und flinker Arbeitsspeicher ist wesentlich für ein leistungsfähiges Computersystem!

Funktionsweise des Arbeitsspeichers

Der Arbeitsspeicher ist so aufgebaut, dass durch die Aktivierung von entsprechenden Adressleitungen wahlfrei auf jeden Speicherbereich zugegriffen werden kann. Daher wird der Arbeitsspeicher als Random Access Memory (RAM) bezeichnet. Als Arbeitsspeicher kommen aus Gründen der Schnelligkeit so genannte flüchtige Speicher zum Einsatz. Diese Dynamic RAM (DRAM) benötigen eine ständige Auffrischung der Speicherinhalte, da diese sonst verloren gehen. Deshalb müssen wichtige Daten vor dem Ausschalten des Rechners auf der Festplatte oder einem anderen Datenträgern gesichert werden.

Typen von Speichern

Früher wurden die Daten asynchron auf Anforderung zwischen CPU und Arbeitsspeicher ausgetauscht. Für diese älteren Systeme sind noch entsprechende asynchrone Speichermodule (FPM-RAM, EDO-RAM) zum Austausch und zum Aufrüsten erhältlich.

In aktuellen Systemen erfolgt der Datenaustausch jedoch taktsynchron mit Synchronous DRAM (SDRAM). Jeder Taktzyklus kann dabei einmalig wie bei Single Data Rate - SDRAM (SDR-SDRAM) für den Datenaustausch genutzt werden oder mehrfach wie bei den verschiedenen Entwicklungsstufen der Double Data Rate-Speicher (DDR, DDR2, DDR3, DDR4). Letztere verdoppeln bei gleichem Systemtakt annähernd die Datenrate zur jeweils niedrigeren Type. Diese Typen sind untereinander und zu den asynchronen Speichern nicht kompatibel und können daher nicht gemischt verwendet werden.

Eine Sonderstellung nehmen Rambus-DRAM (RDRAM) ein, die sich im Massenmarkt gegen den DDR-RAM nicht durchsetzen konnten. Dieser leistungsfähige Speichertyp wird aber in einigen wenigen Produkten im Bereich Server, Workstations und Spielekonsolen verwendet. Der Einsatz von RDRAM ist nur auf speziell dafür ausgestatteten Mainboards möglich.

Speichergröße

Eine wesentliche Kenngröße ist die Kapazität des Speichermoduls. Die Speichergröße wird in Megabyte (MB) oder in Gigabyte (GB) angegeben. 1 Gigabyte entspricht dabei 1024 MB. Da nur wenige Steckplätze auf der PC-Hauptplatine vorhanden sind, sollte die gewünschte Kapazität mit möglichst wenigen Modulen erreicht werden. So genannte RAM-Kits bestehen aus mehreren, gleichartigen Modulen. Damit werden Inkompatibilitäten und Synchronisationsfehler zwischen den Modulen ausgeschlossen, die bei Verwendung unterschiedlicher Module auftreten können.

Taktrate

Die Speichermodule sind vom Hersteller für den jeweils angegebenen Systemtakt zugelassen, wobei Module für höheren Takt abwärtskompatibel innerhalb des gleichen Speichertyps sind. Der Systemtakt wird vom Typ des Mainboards vorgegeben und ist in der Regel nicht veränderbar. Bei den Taktangaben für Module vom Typ DDR, DDR2, DDR3 und DDR4 wird in der Produktkennzeichnung statt dem zugrunde liegenden Systemtakt oft die maximal erzielbare Nutztaktrate auf dem Datenbus angeben, die ein Mehrfaches des Systemtaktes beträgt. Wird ein solches Modul mit einem niedrigeren Systemtakt betrieben, erreicht es auch nur eine deutlich niedrigere Nutztaktrate als angegeben.

Bauformen

Arbeitsspeicher werden als schmale, längliche Steckplatinen für das Mainboard im PC gefertigt, worauf der Begriff Speicherriegel zurückzuführen ist. Für ältere Systeme ist noch die Bauart SIMM (Single Inline Memory Modul) erhältlich. Aktuelle Speichermodule entsprechen der Bauart DIMM (Double Inline Memory Module) in verschiedenen Ausprägungen. Bei dieser Bauart sind deutlich mehr Anschlusspins verfügbar. Die Anzahl der Anschlusspins und die mechanische Bauform variiert bei den verschiedenen Speichertypen und Einsatzformen. Damit wird unter anderem sichergestellt, dass nur gleichartige und kompatible Module zum Einsatz kommen.
Die Rambus-DRAM (RDRAM) werden auf der speziellen Bauform RIMM (Rambus Inline Memory Modul) mit 184 Kontakten eingesetzt, die nur in dafür geeignete Mainboards passen.

Für den Einsatz in mobilen Geräten sind von den Standard-Bauformen besonders kompakte Module abgeleitet worden. So gibt es mit Small Outline (SO) bezeichnete Kompaktvarianten als SO-DIMM und SO-RIMM für Notebooks und noch kleinere Micro-DIMM für Subnotebooks.

Spezielle Funktionen

Für besondere Anforderungen werden Speichermodule mit integrierter Fehlerkorrektur (ECC), zusätzlichen Busregistern (registered RAM) oder Speicherpuffer (buffered RAM) ausgestattet. Diese Zusatzfunktionen werden hauptsächlich im Serverbereich benötigt. Daher werden RDRAM überwiegend mit diesen Zusatzfunktionen angeboten, ein Großteil der SDRAM-Module dagegen ohne Fehlerkorrektur (NON ECC) und Pufferfunktion (unbuffered RAM). Mainboard und Speichermodule müssen bezüglich der Zusatzfunktionen kompatibel sein, ein Mischbetrieb von Modulen mit und ohne Zusatzfunktion ist nicht möglich.

Hinweise zur Auswahl

Die Vielfalt der angebotenen Bauformen und die vielen Bezeichnungen und Abkürzungen machen die Wahl von geeigneten Speichermodulen nicht gerade einfach. Aber mit wenigen, gezielten Schritten können Sie den Angebots- und Bezeichnungsdschungel für Ihren Bedarf lichten. Wenn Sie Speicher aufrüsten wollen, bringen Sie am besten in Erfahrung, welche Art von Modulen auf dem Mainboard verbaut wurde. Ist noch ein Steckplatz frei und eine Erweiterung sinnvoll, ist ein gleichartiges Modul die beste Wahl. Ist kein Platz mehr vorhanden und somit ein Austausch des vorhandenen Speichers notwendig, schauen Sie in der Mainboard-Beschreibung nach, welche Speichertypen Sie einsetzen können oder Sie holen sich die Informationen vom Hersteller des Mainboards aus dem Internet. Beschränkungen gibt es bezüglich der Modultypen, der maximalen Speicherkapazität und der Spezialfunktionen wie zum Beispiel der Fehlerkorrektur (ECC). Vorteilhaft ist die Verwendung von möglichst wenigen, gleichartigen Modulen mit großer Kapazität, da dies vor Synchronisationsfehlern zwischen Modulen schützt und eine spätere Speichererweiterung ermöglicht. Bei der Wahlmöglichkeit zwischen unterschiedlich schnellen Modulen beachten Sie die Abhängigkeit des realen Durchsatzes vom Systemtakt.

Wichtig: ein langsames Modul im schnelleren System führt zu Leistungseinbußen und Speicherfehlern und sollte vermieden werden.

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