Haben Sie sich jemals gefragt, was wirklich in Ihrem Computer vor sich geht, während Sie arbeiten, spielen oder einfach nur im Internet surfen? Tauchen Sie ein in die faszinierende Welt der internen Speicher und entdecken Sie die Geheimnisse, die Ihre digitale Erfahrung antreiben. Dieses Buch entführt Sie auf eine Reise durch das Herzstück Ihres Rechners, beginnend mit dem grundlegenden BIOS, das Ihren Computer zum Leben erweckt, bis hin zum blitzschnellen Registerspeicher, der für die unmittelbare Befehlsverarbeitung unerlässlich ist. Erfahren Sie alles über den Arbeitsspeicher (RAM), den zentralen Speicher, der Programme und Daten zwischenspeichert und somit die Geschwindigkeit Ihrer Arbeitsabläufe maßgeblich beeinflusst. Entdecken Sie die Bedeutung des Pufferspeichers (Cache), der die Kluft zwischen der CPU und dem Arbeitsspeicher überbrückt, um Wartezeiten zu minimieren und die Systemleistung zu optimieren. Ein detaillierter Blick auf verschiedene Speicherarten wie ROM, D-RAM und S-RAM offenbart die technologischen Unterschiede und Anwendungsbereiche. Abschließend wird die Notwendigkeit einer Speicherhierarchie erläutert, die es ermöglicht, die Vorteile von schnellen und großen Speichern zu kombinieren, ohne das Budget zu sprengen. Mit einem Glossar der wichtigsten Begriffe und umfassenden Quellenangaben ist dieses Buch ein unverzichtbarer Leitfaden für alle, die ein tieferes Verständnis für die Funktionsweise ihres Computers erlangen möchten. Perfekt für Technikinteressierte, Studenten und alle, die hinter die Kulissen der digitalen Welt blicken wollen. Erschließen Sie das volle Potenzial Ihres Wissens und verstehen Sie die Architektur, die unsere moderne Technologie ermöglicht: Interne Speicher, Arbeitsspeicher, BIOS, Cache, Registerspeicher, ROM, D-RAM, S-RAM, Speicherhierarchie, Computertechnik, Hardware.
Inhalt
1. Interne Speicher nach Funktionen gegliedert
1.1 Das Bios
1.2 Der Arbeitsspeicher
1.3 Der Pufferspeicher (Cache)
1.4 Die Registerspeicher
1.5 Notwendigkeit der Speicherhierarchie
2. Speicheraufbau/-zugriff
2.1 Speicheraufbau (am Beispiel Hauptspeicher)
2.2 Speicherzugriff
3. Speicherarten
3.1 Die ROM Speichertypen
3.2 D-RAM
3.3 S-RAM
4. Glossar
5. Quellenangaben
1 Interne Speicher nach Funktionen gegliedert
Interne Speicher nach Funktionen
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 Sp eic her
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
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.
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:\.
1.3 Pufferspeicher (Cache)
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.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Häufig gestellte Fragen
Was sind die verschiedenen Arten von internen Speichern, die in diesem Dokument behandelt werden?
Das Dokument behandelt interne Speicher, die nach Funktionen gegliedert sind, einschließlich des BIOS, des Arbeitsspeichers (RAM), des Pufferspeichers (Cache) und der Registerspeicher.
Was ist das BIOS und welche Funktionen hat es?
Das BIOS (Basic Input Output System) enthält Programmteile, die für die Organisation und Inbetriebnahme des Rechners nötig sind. Es umfasst Funktionen wie Hardware Diagnose/Initialisierung, Lesen und Schreiben von Sektoren der Festplatte sowie das Setzen der Systemuhr und des Systemdatums.
Was ist der Arbeitsspeicher und welche Rolle spielt er?
Der Arbeitsspeicher, oft auch Haupt- oder Zentralspeicher genannt, speichert Programme und Daten, die der PC gerade benötigt. Er übernimmt Daten aus Eingabeeinheiten, nimmt Daten von externen Speichern zur Verarbeitung auf und gibt Daten an Ausgabeeinheiten ab. Im Gegensatz zum ROM-Speicher kann RAM frei beschrieben, gelesen und gelöscht werden, verliert aber seinen Inhalt ohne Stromversorgung.
Was ist ein Pufferspeicher (Cache) und warum wird er eingesetzt?
Ein Pufferspeicher oder Cache wird eingesetzt, um Geschwindigkeitsunterschiede zwischen verschiedenen Funktionseinheiten, insbesondere zwischen CPU und Arbeitsspeicher, auszugleichen. Er besteht aus schnelleren S-RAM Chips und speichert aktuelle Befehle und Daten, um Wartezeiten zu verkürzen und die Performance des Rechners zu verbessern. Es gibt verschiedene Cache-Ebenen, wie den L1-Cache (im CPU-Kern) und den L2-Cache (auf dem Motherboard oder im Prozessor).
Was sind Registerspeicher und wo werden sie verwendet?
Registerspeicher sind Bestandteile des Prozessors oder anderer elektronischer Baueinheiten. Sie speichern kurzfristig Angaben, die während der Befehlsverarbeitung sofort wieder zur Verfügung stehen müssen. Es gibt Einzweck- und Mehrzweckregister, die einen sehr schnellen Zugriff ermöglichen.
Warum gibt es eine Speicherhierarchie?
Speicherhierarchien werden eingesetzt, weil schnellere Speicher teurer sind als langsamere. Die Hierarchie ermöglicht es, einen Speicher zu realisieren, der vom Zentralprozessor aus gesehen fast so schnell ist wie der Cache und gleichzeitig so groß wie der Hauptspeicher.
Was ist virtueller Speicher und wann wird er verwendet?
Virtueller Speicher ist eine Simulation von Arbeitsspeicher auf der Festplatte. Er wird verwendet, wenn der physische Arbeitsspeicher nicht ausreicht. Daten, die nicht mehr in den Arbeitsspeicher passen, werden ausgelagert, was jedoch zu einer Verlangsamung der Performance führt.
Was ist der Unterschied zwischen ROM und RAM?
ROM (Read-Only Memory) ist ein Festwertspeicher, dessen Inhalt auch nach dem Ausschalten des Rechners erhalten bleibt. RAM (Random Access Memory) kann frei beschrieben, gelesen und gelöscht werden, verliert aber seinen Inhalt ohne Stromversorgung.
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- Marco Spiller (Author), 2001, Interne Speicher, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/103844