Arbeitsspeicher

Balthasar-Neumann-Technikum
Paulinstr. 105
54292 Trier
Technische Facharbeit
Arbeitsspeicher
Torsten Thees und Christian Groß
Datum: 22.02.2010 Fachlehrer: Herr Befort

Erklärung
Wir versichern, dass wir diese Facharbeit ohne fremde Hilfe selbstständig verfasst und nur die
angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt haben. Wörtlich oder dem Sinn nach aus anderen
Werken entnommene Stellen sind unter Angabe der Quellen kenntlich gemacht.
22.02.2010
..................................................................................................................................................................
Datum Torsten Thees Christian Groß
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 2

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .................................................................................................................................. 4
2 Arbeitsspeicher früher und heute ........................................................................................... 5
3 Arten von Speicherriegeln ....................................................................................................... 7
3.1 SIMM-Module ........................................................................................................................... 7
3.2 DIMM-Module........................................................................................................................... 8
3.3 RIMM-Module ........................................................................................................................... 8
4 Speicherarten ............................................................................................................................ 9
4.1 D-RAM ...................................................................................................................................... 9
4.2 S-RAM ..................................................................................................................................... 10
5 Arbeitsspeichervarianten ...................................................................................................... 11
5.1 FPM-, EDO- Speichervarianten ............................................................................................... 11
5.2 SD-RAM und DDR-RAM ....................................................................................................... 12
5.3 DRD-RAM ............................................................................................................................... 12
6 Aufgaben und Funktion des Arbeitsspeichers .................................................................... 13
7 Virtueller und physischer Arbeitsspeicher .......................................................................... 15
8 Fazit ......................................................................................................................................... 16
Literaturverzeichnis........................................................................................................................... 17
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 3

1 Einleitung
Im Rahmen des Moduls 07, Konfigurieren von Rechnern und Anwendungsprogrammen, sollen
verschiedene Gruppen, eigenständig, einzelne Bauteile von Computern, in Form einer Facharbeit und
einer Präsentation erklären.
Wir haben uns für das Thema Arbeitsspeicher entschieden, da wir der Meinung sind, dass man an
Hand dieses Themas, die Entwicklung der Rechner, in den letzten Jahrzenten mit am besten
veranschaulichen kann. Außerdem interessieren uns der Aufbau und die genaue Funktion eines
Arbeitsspeichers besonders.
In dieser Facharbeit gehen wir auf die Geschichte, die einzelnen Arbeitsspeicherarten, die Aufgaben
des Arbeitsspeichers und im Besonderen auf Bildung und die Unterschiede von physischem und
virtuellem Arbeitsspeicher ein.
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 4

2 Arbeitsspeicher früher und heute
Die ersten Computer hatten keinen Arbeitsspeicher. Programme wurden auf externen Medien, wie
zum Beispiel Lochkarten gespeichert.
Später wurden Magnetkernspeicher eingeführt, die die Information in Form kleiner Ferritkerne
speicherten. Sie waren nicht flüchtig, das heißt, dass sie ihre Daten nicht verlieren, wenn die
Betriebsspannung abgeschaltet wird. Die Information ging jedoch beim lesen verloren, wurde aber
von der Ansteuerungslogik sofort wieder zurückgeschrieben. Mitte der 70er Jahre hatten
Großcomputer einen Kernspeicher mit 192.000 Worten a 52 Bit, also über ein Megabyte.
Der Kernspeicher hatte ausreichen Platz, um das aktuell auszuführende Programm zunächst von
einem externen Medium in den Arbeitsspeicher zu Laden und alle Daten zu halten.
Abbildung 1 Detaillierten Aufbau von Magnetkernspeichern
Abbildung 2 DDR Arbeitsspeicher Baustein 1024 MB
Mit Einführung der Mikroelektronik wurde der Arbeitsspeicher zunehmend durch integrierte
Schaltungen ersetzt. Diese ICs 1 , zunächst als Flipflop generierte Schaltungen, verbrauchten relativ
viel Chipfläche. Außerdem benötigten sie immer Strom.
1 Integrated Circuit = Integrierter Schaltkreis
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 5

Ende der 70er wurden dynamische Arbeitsspeicher entwickelt, die die Information in einem
Kondensator speicherten und nur noch einen zusätzlichen Feldeffekttransistor pro Speicherbit
benötigten. Der Kondensator verlor die Information jedoch langsam, sie musste daher in Abständen
von wenigen Millisekunden neu geschrieben werden. Dies wurde mit Hilfe einer externen Logik
realisiert. Diese Logik liest den Speicher periodisch aus und schreibt ihn wieder zurück, dieses
Verfahren nennt man Refresh. Durch höhere Verkaufszahlen, Ende der 80er, war es möglich diese
Refresherlogik preiswert zu produzieren. Die Größen der ICs waren zu dieser Zeit durchschnittlich
64 Kilobit, wobei jeweils acht ICs gemeinsam adressiert wurden, das heißt sie hatten eine Größe von
512 Kilobit.
Heute, also ca. 20 Jahre nach dieser Bahnbrechenden Erfindung der dynamischen Arbeitsspeicher
denken wir in Größen von einigen Gigabyte. Dies war zu dieser Zeit undenkbar.
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 6

3 Arten von Speicherriegeln
DIMM, SIMM und RIMM sind normale Steckplatinen, die auch RAM-Module genannt werden, auf
ihnen werden die eigentlichen Speicherbausteine aufgelötet. In den 80er Jahren wurden die
Speicherbausteine noch direkt auf das Motherboard gelötet, so dass ein späteres Aufrüsten nur noch
bedingt möglich war. Erst mit der Einführung der Windows Betriebssysteme wurde nach mehr
Arbeitsspeicher verlangt. Um sich nicht bei jeder Erweiterung des Betriebssystems, die natürlich
auch mehr Ressourcen benötigte, einen neuen Rechner zu kaufen, wurden die Speicherbausteine auf
Steckplatinen, die so genannten DIMM, SIMM und RIMMs aufgelötet. So könnte man einfach und
bequem den Arbeitsspeicher beliebig erweitern.
3.1 SIMM-Module
SIMM 2 ist eine Bauform von Speichermodulen, die als Arbeitsspeicher in Computern entwickelt
wurde. Heute kommen SIMMs nur noch in Druckern, oder Cisco – Routern zum Einsatz. SIMM –
Bausteine sind ein – oder zweireihig und werden stehend oder liegend montiert, sie werden immer
paarweise in die Speicherbank des Motherboards eingesetzt. Die Zugriffszeiten für SIMM – Module
liegen zwischen 60 ns und 70 ns. Als Speichergrößen stehen 4, 8, 16, 32, 64 und 128 Megabyte zur
Verfügung.
Abbildung 3 4 MB SIMM – Modul
2 Single Inline Memory Module
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 7

3.2 DIMM-Module
DIMM 3 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, besitzen diese Karten auch eine zweite Vorrichtung zur Fehlervermeidung.
Es ist auch interessant festzustellen, dass die DIMM-Steckverbinder über eine verbesserte
Einsteckvorrichtung verfügen. Es handelt sich hierbei um zwei Hebel auf jeder Seite des
Steckverbinders die das Einfügen erleichtern.
Außerdem gibt es kleinere Module, die SO DIMM 4 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.
Abbildung 3 DIMM-Modul
3.3 RIMM-Module
RIMM 5 sind 64 Bit Speicher, die von der Firma Rambus entwickelt wurden. Sie besitzen 184 Stifte.
Diese Karten weisen zwei Einkerbungen auf, 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 genannt werden und
für Laptops bestimmt sind. Diese besitzen, aufgrund ihrer kleineren Bauart nur 160 Stifte.
3
Dual Inline Memory Module
4
Small Outline DIMM
5
Rambus Inline Memory Module
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 8

4 Speicherarten
4.1 D-RAM
Der D-RAM 6 ist ein flüchtiger, nicht permanenter, Speicher. In einer D-RAM-Speicherzelle werden
die Daten durch Ladung in einem Kondensator dargestellt. Ein Kondensator verliert die darin
gespeicherten Daten, sobald keine Spannung mehr anliegt, sie müssen daher fortwährend wieder
aufgeladen werden. Je nach Typ des D-RAM ist ein solcher Refresh 7 zwischen einmal in jeder
Millisekunde und einmal in 16 Millisekunden erforderlich. Während des Wiederaufladens der
Kondensatoren hat der Prozessor keinen Zugriff auf die Daten im D-RAM.
In dynamischen Arbeitsspeichern werden die Daten in einer Art Tabelle verwaltet, sie werden mit
Hilfe einer aus Spalten und Zeilen bestehenden Matrix adressiert. Beim Zugriff auf den
Arbeitsspeicher wird normalerweise zuerst die Zeilen- und dann die Spaltenadresse der benötigten
Daten übertragen. Die aufeinander folgenden, zusammengehörigen Daten in der gleichen Zeile
bilden eine so genannte Page.
Abbildung 4 Schaltung einer D-RAM-Speicherzelle
6 Dynamic Random Access Memory
7 Auffrischung
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 9

4.2 S-RAM
Im Gegensatz zum D-RAM behalten statische Speicher, ihren Inhalt auch wenn keine
Betriebsspannung anliegt bei. Da bei statischem RAM kein Refresh erforderlich ist, kann der
Hauptprozessor ohne Verzögerungen darauf zugreifen. Der S-RAM 8 arbeitet daher schneller als der
D-RAM. Obwohl die Zugriffszeit bei D-RAM, wegen der "Refresh"-Vorgänge und damit
verbundenen Wartezeiten des Prozessors etwas höher liegt als beim S-RAM, wird D-RAM häufiger
verwendet, weil er kostengünstiger herzustellen ist. Zudem ermöglicht D-RAM, dank seiner
einfacheren Struktur, eine höhere Integrationsdichte, braucht also bei gleicher Speicherkapazität
weniger Platz als S-RAM. Außerdem ist die Erwärmung bei D-RAM geringer.
Abbildung 5 Schaltung einer S-RAM-Speicherzelle
8 S-RAM = Static Random Access Memory
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 10

5 Arbeitsspeichervarianten
5.1 FPM-, EDO- Speichervarianten
Der EDO-RAM 9 ist eine geringfügige Weiterentwicklung des FPM-RAM 10 . Er ist ein
Halbleiterspeicher und gehört zur Gruppe der D-RAMs. Der EDO-RAM begann etwa 1996 den
FPM-RAM abzulösen, weil er eine erhöhte Datentransferrate hatte. Der Unterschied dieser beiden
Halbleiterspeicher macht sich nur beim sogenannten Pagemode – Betrieb bemerkbar. Bei dieser
Betriebsart werden mehrere Datenbits aus der gleichen Speicherseite, auch Page genannt,
ausgelesen.
Abbildung 6 EDO Speicherbaustein
9 Extended Data Output RAM
10 Fast Page Mode RAM
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 11

5.2 SD-RAM und DDR-RAM
Der Unterschied zwischen SD-RAM 11 und DDR-RAM 12 besteht darin, dass SD-RAM – Module bei
einem Takt von 133 MHz eine Datenübertragungsrate von 1,06 GB / s bieten, wohingegen DDR–
SD-RAM – Module nahezu mit der doppelten Datenübertragungsrate arbeiten. Das wird durch einen
simplen Trick realisiert, sowohl bei der auf- als auch bei der absteigenden Flanke des Taktsignals
wird ein Datenbit übertragen, anstatt wie bei dem SD-RAM – Modul nur bei der aufsteigenden
Flanke.
Abbildung 7 DDR - SDRAM
5.3 DRD-RAM
Der Rambus – Speicherbaustein mit dynamischem Direktzugriff, auch DRD-RAM 13 genannt,
zeichnet sich durch extrem hohe Taktraten und Datentransferraten aus. Mit einer Taktrate von
800 MHz und einem 16 – Bit – Bus werden maximale Datentransferraten von 1,6 GB / s erzielt. Der
DRD-RAM, der durch eine neue RAM – Architektur gekennzeichnet ist, hat 184 Kontakte und
arbeitet mit 2,5 V. DRD-RAMs werden auch als PC 800 bezeichnet, basierend auf der Verdopplung
des Bustaktes vom Pentium 4 mit 400 MHz. Da der Speicher durch die Lizenzpolitik sehr teuer ist,
hat sich dieser nie richtig durchsetzen können. Die Mehrleistung hat den deutlich höheren Preis nicht
gerechtfertigt. Aus diesem Grund wurden Mainboard mit SD-RAM-Unterstützung veröffentlicht.
Abbildung 8 DRD-RAM der Firma Compaq und Samsung
11 Synchronous Dynamic Random Access Memory
12 Double Data Rate Synchronous Dynamic Random
13 Direct Rambus Dynamic Random Access Memory
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 12

6 Aufgaben und Funktion des Arbeitsspeichers
Jedes Programm, das auf dem Computer geöffnet wird, füllt den Arbeitsspeicher mit Daten. Diese
werden in den RAM Bausteinen, als Binärwort, gelagert und von der CPU 14 verarbeitet. Der RAM
ist sozusagen das Kurzzeitgedächtnis des Computers, während die Festplatte das Langzeitgedächtnis
ist.
Der Arbeitsspeicher besteht aus Hunderttausenden kleinen Kondensatoren die Ladungen speichern.
Wenn dieser geladen ist, entspricht der 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 und dies in regelmäßigen
Zeitabständen, die Auffrischungszyklen genannt werden. Die D-RAM -Speicher brauchen zum
Beispiel Auffrischungszyklen von ungefähr 15 Nanosekunden.
Jeder Kondensator ist an einen Transistor gekoppelt mit dem der Zustand des Kondensators
wiederhergestellt, oder geändert werden kann. Diese Transistoren sind in Form von Tabellen
angeordnet, d.h. dass das Abtasten eines Speicherkästchens, auch Speicherpunkt genannt, über eine
Zeile und eine Spalte erfolgt.
Abbildung 9 Prinzipieller Aufbau eines Speichers
14 Central Prozessing Unit
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 13

Jeder Speicherpunkt zeichnet sich also durch eine Adresse aus, die einer Zeilennummer, der row
number und einer Spaltennummer, der so genannten column number 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. Sie addiert sich aus der Zyklusdauer, die in diesem Fall 35 ns lang ist und der
Latenzzeit von 25 ns. An einem Computer entspricht die Zyklusdauer dem Gegenteil der
Taktfrequenz.
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 14

7 Virtueller und physischer Arbeitsspeicher
Um den physikalischen Arbeitsspeicher, also den Arbeitsspeicher den man im Computer eingebaut
hat, zu erweitern, können moderne Betriebssysteme zusätzlichen virtuellen Arbeitsspeicher auf
Massenspeichern, d .h. Festplatten und ähnlichem, platzieren. Diese Speicher werden Swapspeicher 15
genannt. Virtueller Arbeitsspeicher wird dazu im vorhanden physischen Speicher oder in den
Swapspace 16 abgebildet. Die Nutzungsrate der einzelnen Daten bestimmt, welche im Massenspeicher
und welche im schnellen RAM abgelegt werden.
Der Swapspace stellt eine sehr preiswerte, aber auch leistungsschwache Erweiterung zum physischen
Arbeitsspeicher dar. Ein unpassendes Verhältnis zwischen virtuellem– und physischem
Arbeitsspeicher macht sich durch häufiges Swappen, also dem ständigen Verschieben zwischen den
beiden Speicherarten, bemerkbar.
Im Gegensatz zum Arbeitsspeicher, der mit einer Zugriffzeit von circa 25 Nanosekunden, hat eine
Festplatte eine Zugriffzeit von etwa 20 Millisekunden. Würde also eine Festplatte ein Jahr lang
ununterbrochen Daten liefern, dann würde der Arbeitsspeicher die gleichen Informationen in nur 5,3
Minuten liefern.
Am Beispiel in Abbildung 5 erkennt man sehr schön, wie sich der virtuelle Arbeitsspeicher
zusammensetzt. Aus dem physischen Arbeitsspeicher und der Auslagerungdatei, die sich auf der
Festplatte befindet und Speicherplatz für den Arbeitsspeicher bereit stellt, errechnet sich der gesamte
virtuelle Arbeitsspeicher.
Abbildung 10 Auszug aus einem laufenden System
15 Dt.: Tausch - Speicher
16 Auslagerungsspeicher
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 15

8 Fazit
Arbeitsspeicher haben sich in den letzten Jahrzehnten sehr schnell entwickelt und es ist noch kein
Ende in Sicht. Es wird nach immer Leistungsstärkeren PCs und damit auch nach leistungsstärkeren
Arbeitsspeichern Verlangt. Heute haben Computer im Durchschnitt einen Arbeitsspeicher von
4 Gigabyte, High-End-Rechner sogar bis zu 32 Gigabyte. Diese werden aber auch benötigt, da
Betriebssysteme und Anwendungen immer aufwendiger gestaltet werden und somit auch immer
mehr Arbeitsspeicher verbrauchen.
1981 soll Bill Gates gesagt haben, dass es sehr unwahrscheinlich sei, dass je ein Mensch oder User
mehr als 640 Kilobit Hauptspeicher benötigen würde. Dieser Arbeitsspeicher würde Heute nicht
einmal zum Starten des beliebten Windowsspiel Solitär ausreichen.
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 16

Literaturverzeichnis
PC Welt Panagiotis, Kolokythas: Die besten Sprüche von Bill Gates, 2009,
URL: http://www.pcwelt.de/start/dsl_voip/online/news/167713/die_bes
ten_sprueche_von_bill_gates/ (08.02.2010)
PC Erfahrung Schmidt, Maik: Technik, Aufbau, Funktionsweise und Bilder, 2006,
URL: http://www.pc-erfahrung.de/hardware/hardware-ram.html
(02.02.2010)
CompuRAM CompuRAM GmbH: Arbeitsspeicher, München, 1997 – 2010,
URL: http://www.compuram.de/arbeitsspeicher.phtml (08.02.2010)
Elektronik Kompendium Schnabel, Patrik: Cache, 1997 - 2009, URL: http://www.elektronikkompendium.de/sites/com/0309291.htm
(08.02.2010)
Lexitron Meyer, Jens: D-RAM, Berlin, 2004,
URL: http://www.lexitron.de/main.php?detail=true&eintrag=846
(09.02.2010)
Kioskea Kioskea.net: Der Arbeitsspeicher, 2009,
URL: http://de.kioskea.net/contents/pc/ram.php3 (10.02.2010)
Rainer Luxen Persönliches Gespräch, Fachinformatiker beim Gerolsteiner Brunnen
Der Arbeitsspeicher von Torsten Thees und Christian Groß Seite 17