Der Arbeitsspeicher (RAM oder PC-Speicher)

Dezember 2016

Arbeitsspeichertypen


Man unterscheidet meist zwei große Kategorien an Arbeitsspeicher :

  • Die dynamische Speicher (DRAM, Dynamic Random Access Module), die preiswert sind. Sie werden hauptsächlich für den Zentralspeicher des Computers verwendet ;
  • Die statischen Speicher (SRAM, Static Random Access Module), die schnell und teuer sind. Die SRAM werden insbesondere für die Cachespeicher des Prozessors verwendet;

Funktionsweise des Arbeitsspeichers


Der Arbeitsspeicher besteht aus Hunderttausenden kleinen Kondensatoren die Ladungen speichern. Wenn er geladen ist, entspricht de logische Zustand des Kondensators 1, im gegenteiligen Fall ist er gleich 0, was bedeutet, dass jeder Kondensator ein Bit des Speichers darstellt.

Da die Kondensatoren sich entladen, müssen sie ständig nachgeladen werden (die genaue Bezeichnung ist auffrischen, auf englisch refresh) und dies in regelmäßigen Zeitabständen die Auffrischungszyklen genannt werden. Die DRAM -Speicher brauchen z.B. Auffrischungszyklen von ungefähr 15 Nanosekunden (NS).

Jeder Kondensator ist an einen Transistor gekuppelt (Typ MOS) mit dem der Zustand des Kondensators « wiederhergestellt » oder geändert werden kann. Diese Transistoren sind in Form von Tabellen (Matrix) angeordnet, d.h. dass das Abtasten eines Speicherkästchens (auch Speicherpunkt) genannt, über eine Zeile und eine Spalte erfolgt.




Jeder Speicherpunkt zeichnet sich also durch eine Adresse aus, die einer Zeilennummer (auf englisch row) und einer Spaltennummer (auf englisch column) entspricht. Dieser Zugriff erfolgt allerdings nicht unmittelbar, sondern in einer Frist, die
Latenzzeit genannt wird. Dementsprechend dauert das Abtasten von gespeicherten Daten eine Zeitspanne, die der Zyklusdauer plus der Latenzzeit entspricht.

Für einen Speicher des Typen DRAM, entspricht die Zugriffszeit 60 Nanosekunden (35ns Zyklusdauer und 25 NS Latenzzeit). An einem Computer entspricht die Zyklusdauer dem Gegenteil der Taktfrequenz, z.B. für einen Computer der mit 200 MHz getaktet ist, entspricht die Zyklusdauer 5 NS (1/(200*106)).

Demnach muss eine Computer der mit hoher Frequenz arbeitet und Speicher verwendet deren Zugriffszeit länger ist als die Zyklusdauer des Prozessors, Wartezyklen (auf englisch wait state) absolvieren, um Zugriff auf den Speicher zu haben. Im Falle eines Computers der mit 200 MHz getaktet ist und Speicher des Typen DRAM benutzt (deren Zugriffszeit 60ns beträgt), gibt es 11 Wartezyklen für einen Transferzyklus. Die Leistungen des Computers werden umso mehr gemindert, als es Wartezyklen gibt, es ist also ratsam schneller Speicher zu verwenden.

Steckkartenformat für Arbeitsspeicher


Es gibt zahlreiche Arbeitsspeichertypen. Alle haben die Form von Speichersteckkarten die auf das Motherboard gesteckt werden.

Die ersten Speicher hatten die Form von Chips, die DIP (Dual Inline Package) genannt wurden. Mittlerweile hat sich das Steckkartenformat verallgemeinert, d.h. längliche Karten, die auf hierfür vorgesehene Steckverbinder gesteckt werden. Man unterscheidet gewöhnlich drei Typen von RAM-Steckkarten :

  • die Steckkarten im Format SIMM (Single Inline Memory Module) :es handelt sich um Leiterplatten die auf einer Seite mit Speicherchips versehen sind. Es gibt zwei Typen von SIMM Karten, je nach Anzahl der Steckverbinder :
    • Die SIMM Karten mit 30 Steckverbindern (deren Ausmaße 89x13mm sind) sind 8 Bit-Speicher die die ersten PC-Generationen ausstatteten (286, 386).





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    • Die SIMM Karten mit 72 Steckverbindern (deren Ausmaße 108x25mm sind)sind Speicher die in der Lage sind 32 Bit Daten gleichzeitig zu verwalten. Dieser Speichertyp rüstet PCs von 386 DX bis zu den ersten Pentiums aus. Auf letzteren arbeitet der Prozessor mit einem Datenbus einer Breite von 64 Bit, daher müssen diese Computer unbedingt mit zwei SIMM Karten ausgestattet werden. Es ist nicht möglich Karten mit 30 Stiften an Befestigungsplätzen mit 72 Steckverbindern anzubringen, da eine spezielle Vorrichtung (Einkerbung in der Mitte der Steckverbinder) aus Aufstecken verhindert.


  • die Karten im Format DIMM (Dual Inline Memory Module) sind 64 Bit Speicher, was verständlich macht, dass man sie nicht paaren muss. Die DIMM Karten besitzen Speicherchips auf jeder Seite der Leiterplatte und haben auch 84 Steckverbinder auf jeder Seite, womit sie insgesamt mit 168 Stiften ausgestattet sind. Außer ihren größeren Ausmaßen als die der SIMM Karten (130x25mm), besitzen diese Karten auch eine zweite Vorrichtung zur Fehlervermeidung.


barrette de mémoire SIMM 72 connecteurs

Es ist auch interessant festzustellen, dass die DIMM-Steckverbinder über eine verbesserte Einsteckvorrichtung verfügen: zwei Hebel auf jeder Seite des Steckverbinders die das Einfügen erleichtern.

Außerdem gibt es kleiner Module, die SO DIMM (Small Outline DIMM) genannt werden, und für Laptops bestimmt sind. Die SO DIMM-Karten verfügen nur über 144 Stifte für 64 Bit Speicher und über 77 für 32 Bit Speicher.

  • die Karten im Format RIMM (Rambus Inline Memory Module, auch RD-RAM oder DRD-RAM) genannt, sind 64 Bit Speicher, die von der Firma Rambus entwickelt worden sind. Sie besitzen 184 Stifte. Diese Karten besitzen zwei Einkerbungen, um jede Verwechselungsgefahr mit den vorhergehenden Modulen zu vermeiden.


In Anbetracht der hohen Transfergeschwindigkeit, besitzen die RIMM-Karten einen Thermofilm der für eine verbesserte Wärmeabfuhr sorgen soll.

Wie für die DIMM-Karten, gibt es auch hier kleinere Module, die SO RIMM (Small Outline RIMM) genannt werden, und für Laptops bestimmt sind. Die SO RIMM-Karten besitzen nur 160 Stifte.

DRAM PM


Der DRAM (Dynamic RAM, RAM dynamique) ist der Speichertyp, der am Anfang des Jahrtausends am meisten verbreitet ist. Es handelt sich um einen Speicher, dessen Transistoren in einer Matrix nach Reihen und Spalten angeordnet sind. Ein Transistor der an einen Kondensator gekoppelt ist, gibt die Information eines Bits. 1 Oktett enthält 8 Bit, so dass eine DRAM-Speicherkarte von 256 Mo demnach 256 * 2^10 * 2^10 = 256 * 1024 * 1024 = 268 435 456 Oktetts = 268 435 456 * 8 = 2 147 483 648 Bits = 2 147 483 648 Transistoren enthält. Eine Karte von 256 Mo besitzt so tatsächlich eine Kapazität von 268 435 456 Oktett, oder+ 268 Mo! Es handelt sich um Speicher deren Zugriffszeit 60 Ns beträgt.

Andererseits erfolgt der Speicherzugriff meist auf Daten die nacheinander im Speicher angeordnet worden sind. So ist der Zugriffsmodus serienmäßig (burst mode) und erlaubt auf drei hintereinander folgende Daten über die erste zuzugreifen, ohne zusätzliche Latenzzeit. In diesem Burstmodus entspricht die Zugriffszeit auf die erste Information der Zyklusdauer, zuzüglich der Latenzzeit, und die Zugriffszeit auf die drei anderen Daten entspricht nur der Zyklusdauer, die vier Zugriffszeiten werden demnach in folgender Form notiert: X-Y-Y-Y. Folgende Schreibform z.B. 5-3-3-3 weist auf einen Speicher hin, der 5 Taktzyklen braucht, um auf die erste Information und die drei folgenden zuzugreifen.

DRAM FPM


Um den Zugriff auf den DRAM-Speicher zu beschleunigen, gibt es eine Technik, die Paginierung genannt wird, und darin besteht, auf die Daten zuzugreifen, die in einer gleichen Spalte stehen, und nur die Zeilenadresse zu ändern, wodurch die Wiederholung der Spaltennummer zwischen dem Abtasten der einzelnen Zeilen gespart wird. Man spricht dann von DRAM FPM (Fast Page Mode). Der FPM ermöglicht es Zugriffszeiten von etwa 70 bis 80 Nanosekunden zu erreichen, für eine Arbeitsfrequenz die von 25 bis 33 Mhz gehen kann.

DRAM EDO


La DRAM EDO (Extended Data Out, oder Erweiterter Datenausgang manchmal auch "Hyper-Page") genannt, ist 1995 erschienen. Die bei diesem Speichertyp verwendete Technik, besteht darin die folgende Spalte während des Lesevorgangs der Daten einer Spalte zu adressieren. Dies führt zu einer Überlappung der Zugriffe, durch die in jedem Zyklus Zeit gespart wird. Die Zugriffszeit auf den EDO-Speicher entspricht etwa 50 bis 60 Nanosekunden bei einer Arbeitsfrequenz zwischen 33 und 66 Mhz.

So ermöglicht der RAM EDO, wenn er im Burstmodus verwendet wird, Zyklen in der Form von 5-2-2-2 zu erhalten, d.h. eine Einsparung von 4 Zyklen bei Zugriff auf 4 Daten. Da der EDO-Speicher keine Frequenzen über 66 MHz akzeptiert, ist er zu Gunsten des SDRAM verschwunden.

SDRAM


Der SDRAM (Synchronous DRAM, zu übersetzen mit synchroner RAM), 1997 erschienen, erlaubt eine synchronisierte Abtastung der Daten mit dem Bus des Motherboards, im Gegensatz zu den Speichern EDO und FPM (die als asynchron bezeichnet werden) die ihre eigene Uhr besitzen. Der SDRAM ermöglicht es also, sich von den Wartezeiten zu befreien, die durch die Synchronisation mit dem Motherboard entstanden. Es kann so ein Zyklus im Burst-Modus von folgender Form erreicht werden 5-1-1-1, d.h. die Einsparung von 3 Zyklen im Vergleich zum RAM EDO. Auf diese Weise ist der SDRAM in der Lage, mit einer Taktrate von bis zu 150 Mhz zu arbeiten, wodurch er Zugriffszeiten von etwa 10 Ns erreicht.

DR-SDRAM (Rambus DRAM)


Der DR-SDRAM (Direct Rambus DRAM oder auch RDRAM) ist ein Speichertyp mit dem der Datentransfer auf einen Bus von 16 Bit Breite und einer Kadenz von 800Mhz ermöglicht wird, wodurch eine Bandbreite von 1,6 Go/S erreicht wird. So wie der SDRAM, ist auch dieser Speichertyp mit der Uhr des Busses synchronisiert, um den Datenaustausch zu verbessern. Allerdings ist der RAMBUS-Speicher eine Eigentumstechnologie, was bedeutet, das jedes Unternehmen, welches RAM-Speicherkarten mit dieser Technologie herstellen will, den Firmen RAMBUS und Intel Lizenzgebühren (Royalties) zahlen muss.

DDR-SDRAM


Der DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM) ist ein Speicher, der auf der SDRAM-Technologie basiert, aber die Transferrate des SDRAM bei gleicher Frequenz verdoppeln kann.

Die Ausführung der Lese-und Schreiboperationen im Speicher basiert auf einer Uhr. Die Standard DRAM-Speicher verwenden eine Methode die SDR (Single Data Rate) genannt wird, und darin besteht eine Information bei jeder steigenden Flanke zu lesen, bzw. zu schreiben.

SDR - Single Data Rate



Der DDR erlaubt es die Frequenz der Lese-und Schreiboperationen zu verdoppeln, mit einer Uhr die in der gleichen Frequenz getaktet ist, indem die Daten bei jeder steigenden, sowie jeder fallenden Flanke gesendet werden.

DDR - Double Data Rate



Die DDR-Speicher besitzen meist eine Handelsnamen des Typen PC XXXX wo «XXXX» die Transferrate in Mo/s darstellt.

DDR2-SDRAM


Der Speicher DDR2 (oder DDR-II) ermöglicht es zwei mal höhere Übertragungsraten zu erreichen als der DDR bei gleichbleibenden externer Frequenz.

Man spricht von QDR (Quadruple Data Rate oder quad-pumped)um die verwendete Lese-und Schreibmethode zu bezeichnen. Der DDR2-Speicher benutzt zwei getrennte Kanäle für die Lese- und die Schreiboperationen, so dass er in der Lage ist doppelt so viel Daten wie der DDR zu senden oder zu empfangen.

QDR - Quad Data Rate



Der DDR2 besitzt ebenfalls eine größere Anzahl an Steckverbindern als der klassische DDR (240 für den DDR2 gegen 184 für den DDR).

zusammenfassende Tabelle


Die folgende Tabelle gibt die Frequenz des Motherboard (FSB), die des Speichers (RAM) und die entsprechende Transferrate an :


SpeicherBezeichnung Frequenz (RAM) Frequenz (FSB)</th>Transferrate
DDR200 PC1600200 MHz 100 MHz1,6 GB/s
DDR266 PC2100266 MHz 133 MHz2,1 GB/s
DDR333 PC2700333 MHz 166 MHz2,7 GB/s
DDR400 PC3200400 MHz 200 MHz3,2 GB/s
DDR433 PC3500433 MHz 217 MHz3,5 GB/s
DDR466 PC3700466 MHz 233 MHz3,7 GB/s
DDR500 PC4000500 MHz 250 MHz4 GB/s
DDR533 PC4200533 MHz 266 MHz4,2 GB/s
DDR538 PC4300538 MHz 269 MHz4,3 GB/s
DDR550 PC4400550 MHz 275 MHz4,4 GB/s
DDR2-400 PC2-3200400 MHz 100 MHz3,2 GB/s
DDR2-533 PC2-4300533 MHz 133 MHz4,3 GB/s
DDR2-667 PC2-5300667 MHz 167 MHz5,3 GB/s
DDR2-675 PC2-5400675 MHz 172,5 MHz5,4 GB/s
DDR2-800 PC2-6400800 MHz 200 MHz6,4 GB/s

Synchronisierung (timings)


Nicht selten trifft man auf Schreibweisen des Typen 3-2-2-2 oder 2-3-3-2 um die Parametrisierung des Arbeitsspeichers zu beschreiben. Diese Reihe von 4 Zahlen beschreibt die Synchronisierung des Speichers (auf englisch timing), d.h. die Folge der nötigen Taktzyklen um auf eine Information zuzugreifen, die sich im Arbeitsspeicher befindet. Diese vier Zahlen entsprechen meist, in ihrer Reihenfolge, den folgenden Werten :

  • CAS delay oder CAS latency (CAS bedeutet Column Address Strobe) : es handelt sich um die Anzahl der Taktzyklen die zwischen dem Senden des Lesebefehls und tatsächlicher Ankunft der Information liegen. Anders ausgedrückt, es handelt sich um die Zugriffszeit auf eine Spalte.
  • RAS Precharge Time ( geschrieben tRP, RAS bedeutet Row Address Strobe) : es handelt sich um die Anzahl der Taktzyklen zwischen zwei RAS-Befehlen, d.h. zwischen zwei Zugriffen auf eine Zeile.
  • RAS to CAS delay (manchmal tRCD geschrieben) : es handelt sich um die Anzahl der Taktzyklen die der Zugriffszeit von einer Zeile auf ein Spalte entsprechen.
  • RAS active time (manchmal tRAS geschrieben): es handelt sich um die Anzahl der Taktzyklen die der Zugriffszeit auf eine Zeile entsprechen.



Die Speicherkarten sind mit einer Vorrichtung ausgestattet, SPD (Serial Presence Detect) genannt, die es dem BIOS ermöglicht, die vom Hersteller definierten nominalen Einstellungswerte zu kennen. Es handelt sich um ein EEPROM dessen Daten vom BIOS geladen werden, wenn der Benutzer die Einstellung « Auto » wählt.

Die Fehlerbeseitigung


Manche Speicher besitzen Mechanismen, mit denen Fehler ausgebessert werden, um so die Vollständigkeit der enthaltenen Daten zu garantieren. Dieser Speichertyp wir gewöhnlich in Systemen verwendet, die mit sensiblen Daten arbeiten, daher findet man diesen Speichertyp auf Servern.

Paritätsbit


Die Karten mit Paritätsbit ermöglichen es, sich zu versichern, dass die im Speicher enthaltenen Daten auch die gewünschten sind. Dafür dient einer der Bit von jedem gespeichertem Oktett dazu, die Summe der Datenbits festzuhalten.
Der Paritätsbit ist gleich 1 wenn die Summe der Datenbits eine ungerade Zahl ist, und 0 im gegenteiligen Fall.

Auf die Weise kann mit Speicherkarten die ein Paritätsbit besitzen, die Vollständigkeit der Daten überprüft werden, Fehler aber nicht berichtigt werden. Außerdem die ihnen von 9 MB Speicher, nur acht Speichern von Daten, da der letzte Mega Oktett die Paritätsbits beinhaltet.

ECC-Karten


Die ECC-Speicherkarten (Error Correction Coding) sind Speicher die mehrere Bit der Fehlerkorrektur zugeordnet haben (man nennt sie demnach Kontrollbits). Diese Karten werden hauptsächlich auf Servern verwendet und ermöglichen das Aufdecken und Korrigieren von Fehlern.

Dual Channel


Manche Speichersteuereinheiten bieten einen doppelten Kanal (auf englisch Dual Channel) für den Speicher. Die Speichermodule werden paarweise benutzt, um die Bandbreite zu addieren und so die Systemkapazitäten maximal auszunutzen. Bei Benutzung des Dual Channels ist es wesentlich, identische Karten paarweise zu verwenden (Frequenz, Kapazität und empfehlenswerter Weise auch von gleicher Marke).


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