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Arbeitsspeicher

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Der Arbeitsspeicher ist ein Bauteil, welches zu verarbeitende Nutzdaten zwischenspeichert. Im Gegensatz zu einer Festplatte, die im Übrigen die gleiche Aufgabe erfüllen könnte, werden die Daten wesentlich schneller verarbeitet. Dafür bleiben allerdings die Daten bei einer Festplatte erhalten, wenn die Spannungsversorgung entfernt wird, was bei dem Arbeitsspeicher nicht der Fall ist. Man spricht hier von einem flüchtigen Speicher. Verantwortlich hierfür ist die Technologie der Chips oder auch RAM-Bausteine, die auf einem Arbeitsspeicher verbaut werden.

In früheren Jahren wurden vorwiegend SIMM- oder EDO-RAM-Bausteine eingesetzt. Heute werden in erster Linie DIMMs mit z. B. SD-, DDR-, DDR2- oder DDR3-SDRAMs verwendet.

Die maximal einzusetzende Arbeitsspeichergröße und der Arbeitsspeichertyp sind abhängig vom Motherboard. Auf dem Motherboard befindet sich ein Cache, der als Zwischenspeicher eingesetzt wird und den Prozessor ständig mit Daten versorgt. Er arbeitet in der Regel mit der gleichen Prozessorgeschwindigkeit und verhindert dadurch einen Leerlauf. Heutzutage befindet sich der Cache nicht mehr als Chip auf dem Motherboard, sondern ist in dem Prozessor integriert. Je größer der Cache, desto größer kann der zu adressierende Speicher sein. Die heutigen Motherboards sind so ausgelegt, dass bis zu 32GB RAM angesprochen werden können. Dieser Einsatz ist aber nur sinnvoll, wenn ein 64-Bit Betriebssystem verwendet wird, da das 32-Bit Betriebssystem nur 3GB RAM direkt ansprechen kann.


Arbeitsspeicher für PC und Notebook

Speicherbausteinarten

Hier die bekanntesten Speicherbausteinarten in der Übersicht:


SIMM/SIPP

Das SIMM (Single-Inline-Memory-Modul) ist ein 8-Bit-Speicher, der in den veralteten Computersystemen mit 8086er und 80286er Prozessoren eingesetzt wurde. Diese Module mussten damals paarweise, zu jeweils 2 Modulen (2 x 8Bit = 16Bit Bus-Breite) und in Computersystemen mit verbauten 386er und 486er Prozessoren sogar zu jeweils 4 Modulen (4 x 8Bit = 32Bit Busbreite) verbaut werden. Als Abwandlung des SIMM-Speichermoduls gab es noch SIPP-Module (Single-Inline-Pin-Package). An den Kontaktflächen wurden Kontaktstifte gelötet und anschließend auf das Motherboard gesteckt. Sie sahen aus wie einreihige IC-Bausteine.


RAM

Der RAM (Random Access Memory) ist ein wahlfreier Zugriffsspeicher, der aus einzelnen Speicherzellen besteht. Diese Speicherzellen lassen sich durch eine Speicheradresse direkt ansprechen und können dadurch Informationen aufnehmen. Große Speicherzellen werden nicht mehr durch eine Speicheradresse, sondern durch ein Speicherword angesprochen. Man unterscheidet zwei Arten von RAM-Bausteinen, den SRAM und den DRAM.


DRAM

Der DRAM (Dynamic Random Access Memory) ist ein dynamischer, wahlfreier Zugriffsspeicher. Hierbei werden die Daten über Kondensatoren, die aus speichernden Elementen bestehen, abgelegt. Der einzelne Kondensator wird dabei entweder geladen (Daten im Speicher) oder entladen (Speicher gelöscht). Über einen Schalttransistor wird dieser Kondensator ausgewählt, ausgelesen oder mit neuem Inhalt beschrieben. Die Speicherinhalte sind, wie bei Kondensatoren üblich, flüchtig und verlieren dadurch bei fehlender Betriebsspannung ihre Informationen.


PS2 FPM/EDO RAM

PS/2-EDO

Hinter der Bezeichnung Extended Data Output steckt eine Technik, mit der die Spannung in den Kondensatoren, die den Speicherzustand einer Speicherzelle beinhalten, länger aufrechterhalten wird. Das führt zur Verlängerung der Zeitspanne, in der die Daten am Ausgang bestehen bleiben und verringert gleichzeitig auch die Häufigkeit des notwendigen Speicher-Refreshs. Während die Daten noch gelesen werden, wird bereits die nächste Adresse an den Speicherbaustein angelegt. Wenn die Lesezugriffe aufeinander folgen, lässt sich eine schnellere Lesezugriffsgeschwindigkeit erreichen. Ältere Systeme mit 66 MHz Bustakt wurden häufig damit bestückt. Es gab sie in einseitiger und zweiseitiger Bestückung.


SDRAM

SD-Ram

Der SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) ist der direkte Nachfolger des EDO-RAM. Der neu entwickelte Speicherbaustein hat den großen Vorteil, dass es seine Aktionen am Systemtakt orientiert. Dadurch lässt sich die Ansteuerung des Speichers deutlich vereinfachen und beschleunigen. Intern besteht das SDRAM aus zwei Speicherbänken. Der Zugriff erfolgt abwechselnd, sodass die benötigte Erholungszeit zwischen den Zugriffen entfällt. Zusätzlichen Geschwindigkeitsvorteil bringt das Pipeline-Verfahren. Während der SDRAM-Chip noch Daten einliest, gibt er Daten aus. SDRAM kann mit bis zu 133 MHz betrieben werden. Ferner kann ein SDRAM programmiert werden, um somit die Art des Zugriffs zu steuern. Auf diese Weise lässt sich SDRAM an jede beliebige Anwendung anpassen.


DDR-SDRAM

Der DDR-SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory) ist der direkte Nachfolger vom SDRAM. Die neue Technik zeichnet sich durch eine doppelte Taktrate und eine neue Schreib-/Leseroutine aus. Bei dem DDR-SDRAM wird bei ansteigender und abfallender Flanke des Taktes gelesen bzw. geschrieben. Man erreicht dadurch eine Verdopplung der Taktrate. Zu erkennen sind solche Module an einer anderen, größeren Bauform. Die Anzahl der Pins hat sich für Desktop-Computer von 168 auf 184 Kontakte vergrößert. Damit die DDR-Technik in der Anwendung zu einer Beschleunigung führt, sollte die Anzahl der angeforderten zusammenhängenden Daten immer gleich oder größer, als die doppelte Busbreite sein. Für die Nutzung in Notebooks und Netbooks werden die Speicher in einer kleineren Bauform, der so genannten Small Outlet Bauform (Kürzel SO) hergestellt. Die Anzahl der Kontakte ist hierbei auf 200 festgelegt.

DDR2-SDRAM

Der DDR2-SDRAM ist eine Weiterentwicklung des DDR-SDRAM. Diese Speichermodule haben für Desktop-Computer 240 Kontakte und sind mechanisch und elektrisch nicht kompatibel zu DDR-SDRAM Modulen. Bei den DDR2-SDRAM wird der I/O-Puffer mit der doppelten Frequenz der Speicherchips getaktet. Ebenso wie beim DDR-Standard, werden jeweils bei steigender und fallender Flanke des Taktsignals, Daten in den Speicher übernommen bzw. ausgelesen. Beim DDR-SDRAM werden beim Lese-Kommando zwei direkt nacheinander gelesene Adressdaten eingelesen, bei DDR2-SDRAM sind es dagegen vier. Werden bei einem 128-Bit breiten DDR-Modul pro Lesezugriff 256-Bit gelesen, sind es bei einem vergleichbaren DDR2-Modul schon 512-Bit. Die absolute Datenmenge ist bei DDR2- und DDR- Modulen, wenn man vom gleichen Takt von z.B. 200MHz ausgeht, identisch, da das DDR2-Modul zwei Takte benötigt, um die Daten zu übertragen. Die Signal- und Versorgungsspannung von DDR2-SDRAM wurde auf 1,8 Volt verringert, was nicht nur die Leistungsaufnahme verringert, sondern zu einer geringeren Wärmeentwicklung führt. Für die Nutzung in Notebooks und Netbooks werden die Speicher in einer kleineren Bauform, der so genannten Small Outlet Bauform (Kürzel SO) hergestellt.


DDR3-SDRAM

DDR3-SDRAM ist die Weiterentwicklung von DDR2-SDRAM. Beim DDR3-SDRAM werden pro Lesezugriff acht aufeinander folgende Adressen ausgelesen. Die DDR3-Speichermodule besitzen 240 Kontakte und sind trotz gleicher Pinanzahl nicht zu DDR2-SDRAM kompatibel, da die DDR3-Module eine anders platzierte Einkerbung besitzen. Wie beim DDR2-SDRAM wurde auch die Betriebsspannung des DDR3-Speichers angepasst und beträgt nur noch 1,5 Volt, was auch wieder zur Verringerung der Wärmeentwicklung führt. Für die Nutzung in Notebooks bzw. Netbooks werden die Speicher in der kleineren Bauform, der so genannten Small Outlet Bauform (Kürzel SO) mit 204 Kontakten hergestellt.


RIMM / RDRAM

RAMBUS

RDRAM Rambus Dynamic Random Access Memory ein synchroner DRAM, der von der US-Firma Rambus Corporation entwickelt wurde. Rambus In-Line Memory Module gibt seit 1995 und ist ein Speicher der für die Rambus-Architektur entwickelt wurde. Die Firma Silicon Graphics setzte das RDRAM in ihren Workstations ein. Auch in den Nintendo-Spiele-Konsolen und auf einigen Grafikkarten fand dieser Speicher Anwendung. Ende 1996 haben die Firmen Intel und Rambus ein Lizenzabkommen geschlossen. Um ein Monopol bei Chipsätzen für die Pentium-Prozessoren durch zusetzten, hat Intel entschieden, nur diesen Speicher in seinen Chipsätzen zu unterstützen. Da der Speicher durch die Lizenzpolitik sehr teuer war, hat sich die Strategie nie richtig durchgesetzt. Intel hat dann irgendwann auch Chipsätze für SDRAM entwickelt. Wie der Name schon sagt, ist das RDRAM ein Bus, der 16-Bit breit ist. Hier ist auch schon der Haken. Denn trotz 400MHz Taktfrequenz und DDR-Verfahren, ist das Ende der Fahnenstange bei der Übertragungsrate schnell erreicht. SDRAM überträgt pro Takt mit 64-Bit viermal so viele Daten. Weiterhin müssen die RDRAM-Speichermodule (RIMM) immer im Doppelpack auf dem Motherboard installiert werden. Unbelegte RIMM-Slots müssen mit Dummy-Modulen (C-RIMM) bestückt werden. Sie überbrücken ungenutzte Slots, die sonst zu einem offenen Ende des Rambus-Busses führen würden. Die Rambus-Speichermodule sind hintereinander angeordnet. Der Zugriff auf den Speicher erfolgt wie bei einem Bus. Ein funktionierendes Rambus-Speichersystem setzt einen abgeschlossenen Bus und gleichlange Leiterbahnen vom Speicher zum Memory-Controller (Chipsatz) voraus. Bei Taktfrequenzen von 400 MHz sind synchrone Signallaufzeiten auf allen Leiterbahnen notwendig. Da die Leiterbahnen gleichlang sind, führt das zu ungewöhnlichen Leiterbahngebilden im Zickzack-Kurs auf dem Motherboard.


Tabelle Speicherarten

RAM Speicher im Vergleich

RAM-Typ
Modul-Bezeichnungen
Bus-Takt/Zeit
effektiver Takt
Kontakte
max. Kapazität
Busbreite
SIMM/SIPP
100 - 70ns
30
256KB – 4MB
8-Bit
PS2 FPM/EDO RAM
60 - 50ns
72
1MB – 64MB
32-Bit
SDRAM
(Synchr. DRAM)
PC66, PC100, PC133 66, 100, 133MHz 66, 100, 133MHz
168
bis 512MB
64-Bit
DDR-SDRAM PC1600, PC2100, PC2700, PC3200 100, 133, 166, 200MHz 200, 266, 333, 400MHz
184
bis 2GB
64-Bit
DDR2-SDRAM PC2-3200, PC2-4200, PC2-5300, PC2-6400, PC2-8500 100, 133, 166, 200, 266MHz 400, 533, 667, 800, 1066MHz
240
bis 4GB
64-Bit
DDR3-SDRAM PC3-6400, PC3-8500, PC3-10666, PC3-12800 100, 133, 166, 200MHz 800, 1066, 1333, 1600MHz
240
bis 4GB
64-Bit
RIMM / RDRAM 400, 600, 800MHz 400, 600, 800MHz
184
256/512MB
16-Bit


Latenzzeiten

Folgenden Informationen zu Latenzzeiten sind hier aufgeführt:


Erklärungen zur Latenzzeit

  • CAS - Der Parameter Column Address Select wird bei der Adressierung der Speicherzelle für die Spalte übertragen. Die angegebene Kennziffer gibt dabei die Anzahl der Taktzyklen (Verzögerungszeit) an, die vom Absenden bis zur Umsetzung des Befehls benötigt werden.
  • TRCD - Der Parameter Time Row-to-Column Delay beschreibt bei einem DRAM die Zeit, die nach der Aktivierung der Wortleitung verstrichen sein muss, bevor ein Lesekommando gesendet werden darf.
  • TRP - Der Parameter Time Row Precharge beschreibt die Zeit, die nach dem Kommando Vorladen (PreCharge) als Minimum verstrichen sein muss, bevor ein erneutes Kommando zur Aktivierung einer Zeile in der gleichen Bank gesendet werden darf.
  • tRAS - Das time Row Access Strobe Signal adressiert dabei die Zeile der Speicherzelle und die Kennziffer gibt dabei an, wie viele Taktzyklen dafür verstrichen sein müssen, bevor das Kommando zum Deaktivieren der Zeile gesendet werden darf.


Latenzzeiten im Vergleich

Beispiel: Latenzzeiten

Speichertyp
Timingwert
CAS / ns
TRCD / ns
TRP / ns
tRAS / ns
DDR400
CL 2-2-2-6
10
10
10
30
DDR2-800
CL 4-4-4-12
10
10
10
30
DDR3-1600
CL 8-8-8-24
10
10
10
30


Timingwerte im Vergleich

Beispiel: Timingwerte

Speichertyp
Timingwert
CAS / ns
TRCD / ns
TRP / ns
tRAS / ns
DDR2-667
CL 4-4-4-12
12
12
12
36
DDR2-1066
CL 4-4-4-12
7,5
7,5
7,5
22,5
DDR2-667
CL 5-5-5-15
15
15
15
45
DDR2-1066
CL 5-5-5-15
9,38
9,38
9,38
28,13


Latenzzeiten berechnen

Latenzzeiten lassen sich wie folgt berechnen:

Berechnung

Für DDR-RAM Latenz = ( 2 * Timing ) / effektive Takt = Latenz = ( 2 * 2 ) / 400MHz = 10ns


Datenintegrität

Zum Thema Datenintegrität folgende Informationen:


Paritätsprüfung

Die Paritätsprüfung wird eingesetzt um den genutzten Speicher auf Sicherheit zu überprüfen. Dabei wird neben dem Datenbyte (8Bit) zusätzlich ein Paritätsbit abgespeichert. Für die Paritätsprüfung stehen zwei Paritätsprotokolle (ungerade Parität und gerade Parität) zur Verfügung und erfolgt bevor die Daten an die CPU gesendet werden. Die Prozesse der Datenprüfung sind identisch, ermitteln aber gegensätzliche Attribute.


ungerade Parität

Auch Parity-Odd genannt. Enthält das geprüfte Datenbyte eine gerade Anzahl von Einsen wird das Paritätsbit wird auf logisch "1" gesetzt. Bei einer ungeraden Anzahl von Einsen ist das Paritätsbit logisch "0" und es wird eine Paritätsfehler generiert.


gerade Parität

Auch Parity-Even genannt. Enthält dazu geprüfte Datenbyte eine ungerade Anzahl von Einsen wird Das Paritätsbit wird auf logisch "1" gesetzt. Bei einer geraden Anzahl von Einsen ist das Paritätsbit logisch "0" und es wird eine Paritätsfehler generiert.


Grenzen der Paritätsprüfung

Da die Paritätsprüfung zwar Fehler erkennen aber nicht korrigieren kann, ist dieser Prüfungsmethode Grenzen gesetzt. Denn wenn innerhalb des Datenbytes (8 Datenbits) mehrere Fehler auftreten, fallen diese ggf. nur durch die Wahl der Paritätsprüfung (gerade / ungerade Parität) auf.


ECC

Um bei einem Speicher eine Datenintegrität zu gewährleisten, kann mit Hilfe des ECC Error Correction Code (Fehlerkorrekturcode) ein Fehler ermittelt und anschließend korrigiert werden. Sollte ECC einen Fehler mit mehr als 1 Bit identifiziert haben, wird ein Paritätsfehler gemeldet. ECC-Speicher sind bedingt durch die Herstellung recht teuer und werden daher überwiegend nur in Servern und High-End-PCs eingesetzt. Damit der ECC-Speicher verwenden kann, muss der Computer über eine Unterstützung (BIOS-Einstellung und/oder Controllerbaustein) verfügen.


non-ECC

Die überwiegende Anzahl der RAM-Speicherbausteine werden ohne (non-)ECC hergestellt.


Einbau / Ausbau

Arbeitsspeicher sind sehr empfindlich gegen elektrostatische Endladungen. Für den sicheren Umgang mit Arbeitsspeichern sollten daher Hilfsmittel wie z.B. ein ESD-Erdungsarmband eingesetzt werden.


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