Arbeitsspeicher / Hauptspeicher
640 KBytes (Arbeitsspeicher) ist alles, was irgendeine Applikation jemals benötigen sollte.
(Bild Gates, 1981)
Der Arbeitsspeicher ist ein wichtiger Teil eines Computers und ein wesentlicher Faktor für die Leistungsfähigkeit eines Computersystems, wenn es um die Verarbeitung von großen Datenmengen geht. Hier spielt die Lese- und Schreibgeschwindigkeit und auch die Speicherkapazität ein große Rolle.
Da der interne Speicher eines Prozessors in der Regel zu klein und der Zugriff auf die Festplatte zu langsam ist, ist der Arbeitsspeicher ein wichtiger Teil des Prozessors. Im Arbeitsspeicher legt der Prozessor Daten ab, die er verarbeiten muss oder die er schon verarbeitet hat. Die Daten kommen von der Festplatte oder von einer Eingabeeinheit. Nach der Verarbeitung werden die Daten wieder auf die Festplatte geschrieben oder von einer Ausgabeneinheit ausgegeben.
Der Arbeitsspeicher wird auch als Hauptspeicher bezeichnet. Manchmal verwendet man auch RAM, die Abkürzung für Random Access Memory. Obwohl RAM einen Halbleiterspeicher bezeichnet, ist diese Benennung nicht falsch. In praktisch jedem Computer, sowohl in der Vergangenheit, heute und auch in der Zukunft, wird eine Art von RAM als Arbeitsspeicher verwendet. RAM zeichnet sich durch den wahlfreien Zugriff, sowohl lesend, als auch schreibend, aus. Das ist das, was ein Arbeitsspeicher im wesentlichen können muss.
Die Bedeutung und Funktionsweise des Arbeitsspeichers versteht man am schnellsten, wenn man sich die Speicher-Architektur eines PCs ansieht.
Speicher-Architektur
In einem Computer befinden sich drei Arten von Speicher.
- Cache
- Arbeitsspeicher
- Festplatte
Die Festplatte stellt viel Speicherplatz bereit. Sie sind auf hohe Speicherkapazitäten optimiert. Es geht darum, möglichst viele Daten dauerhaft zu einem möglichst günstigen Preis speichern zu können. Die Schreib- und Lesegeschwindigkeit spielt nur eine untergeordnete Rolle. Die Zugriffszeit ist durch die Schnittstelle und die Mechanik begrenzt und lässt keine, für den Hauptprozessor übliche, Arbeitsgeschwindigkeit zu.
Um diese Problematik zu umgehen musste ein Speicher her, in den Daten geladen werden können, die kurz davor stehen vom Hauptprozessor verarbeitet zu werden oder die schon verarbeitet wurden. Die Größe des Arbeitsspeichers bestimmt die Menge der Daten, die für den Prozessor vorgehalten werden können. Wobei im Arbeitsspeicher nicht nur Daten, sondern auch Teile des Betriebssystems und Programme abgelegt sind, die vom Anwender ausgeführt oder geladen wurden. Durch das Ausführen von Programmen und Verarbeiten von Daten aus dem Arbeitsspeicher ergibt sich ein Geschwindigkeitsvorteil, der beim Lesen und Speichern von Programmen und Daten von der Festplatte nicht möglich wäre. Der Arbeitsspeicher ist also schneller als eine Festplatte.
Die Besonderheit des Arbeitsspeichers liegt in der schnellen Änderbarkeit der Speicherinhalte. Dagegen steht, dass er den Speicherinhalt beim Verlust der Betriebsspannung verliert. Zum Beispiel beim Ausschalten des Computers. Sollen die Daten im Arbeitsspeicher dauerhaft gespeichert werden, dann müssen sie durch den Hauptprozessor vom Arbeitsspeicher in einen Flash-Speicher, auf eine Festplatte oder in einen batteriegepufferten Speicher geschrieben werden. Der Arbeitsspeicher ist also ein Zwischenschritt zwischen Prozessor und Festplatte bzw. Festwertspeicher.
Neben Festplatte und Arbeitsspeicher gibt es den Cache, der im Prozessor eingebaut ist. Weil der Arbeitsspeicher nicht schnell genug ist, dient der Cache als Zwischenspeicher, der im Optimalfall mit Prozessorgeschwindigkeit arbeitet und dafür sorgt, dass der Prozessor immer mit Daten und Programm-Code aus dem Arbeitsspeicher gefüttert wird. Hierdurch wird der Leerlauf des Prozessors verhindert.
Zusammenhang zwischen FSB und RAM
Der Prozessor ist der Teil im Computersystem, der den Arbeitsspeicher hauptsächlich nutzt. Deshalb sollte diese Verbindung aufeinander abgestimmt sein. Bei der Frage, welcher Speicher zum Einsatz kommen soll, orientiert man sich am FSB des Prozessors. Im Optimalfall ist der Prozessor über den FSB und der Speicher über den Speicherbus mit der gleichen Bandbreite an den Chipsatz angebunden. Denn für eine optimale Rechenleistung sollte der Hauptspeicher und der Front-Side-Bus (FSB) dieselbe Transferleistung haben. Dann ist das System optimal aufeinander abgestimmt.
Die FSB-Bezeichnung (z. B. FSB400) bezieht sich auf die Anzahl der 8 Byte großen Datentransfers pro Sekunde. Die 8 Byte ergeben sich aus den 64 Datenleitungen, die zwischen Prozessor und Chipsatz verlaufen. Da ein Byte acht Bit sind, ergeben sich aus 64 Bit acht Byte. Bezogen auf den Front-Side-Bus FSB400 (400 MHz) ergibt sich eine Datentransferrate von maximal 3,2 Milliarden Byte pro Sekunde. Als Gegenstück auf der Speicherseite verwendet man ein PC3200- oder PC2-3200-Speichermodul (abhängig vom Chipsatz und Motherboard). Auch wenn der Chipsatz bzw. das Motherboard einen schnelleren Speicher (z. B. PC2-4200) unterstützt, orientiert man sich an der Geschwindigkeit des FSB. Natürlich kann man auch einen schnelleren Speicher verwenden. Doch dann hat man auf der Seite des Speichers Leistung verschenkt. Es lohnt sich kaum, den Speicher schneller zu takten, als den FSB. Ist der Speicher langsamer als der FSB, dann bleibt der Prozessor hinter seiner eigentlichen Leistung zurück.
Speicher-Controller
Der Speicher-Controller ist das Bindeglied zwischen Prozessor und Arbeitsspeicher oder zwischen Chipsatz und Arbeitsspeicher.
Um Computer flexibel mit Arbeitsspeicher auszustatten, werden die Speicherchips auf kleine Platinen gelötet. Man bezeichnet diese Bauform als Speichermodul. Diese Speichermodule werden dann in die dafür vorgesehenen Steckplätze auf dem Motherboard besteckt. Da nicht alle Speichermodule identisch sind, sondern für verschiedene Anwendungen optimiert und von verschiedenen Hersteller gefertigt werden, muss der Speichercontroller mit unterschiedlich vielen Bausteinen zurechtkommen. Die Steckverbindung zwischen den Speichermodulen und Steckplätzen, sowie die Leiterbahnen vom Steckplatz zum Speicher-Controller vermindern die Signalqualität.
Mit zunehmender Taktfrequenz werden Prozessoren bei der Datenverarbeitung immer schneller. Wenn der Prozessor die Daten aus dem Arbeitsspeicher nicht schnell genug lesen kann, dann sinkt die effektive Rechenleistung des Prozessors. Deshalb sind die Prozessor-Hersteller diejenigen, die an der Beschleunigung des Arbeitsspeichers am meisten interessiert sind.
Doch nicht nur an der Beschleunigung des Arbeitsspeichers, sondern auch an der Beschleunigung der Verbindung zwischen Prozessor und Arbeitsspeicher sind die Prozessor-Hersteller interessiert. Deshalb bauen die Prozessor-Hersteller den Speichercontroller gleich in den Prozessor mit ein, um den Arbeitsspeicher auf möglichst kurzem und schnellem Wege an den Prozessor anzubinden.
32-Bit-(4-GByte-)Beschränkung
Viele Fragen sich: Warum kann ich in meinem Computer nicht 4 GByte Arbeitsspeicher ansprechen? Das Betriebssystem zeigt mir nur etwas über 3,5 GByte an. Bei einem 32-Bit-Betriebssystem wie Windows XP müssten die Adressen doch für 4 GByte ausreichen?
Die Antwort ist relativ einfach. Zwar reichen die 32-Bit für 4 GByte Arbeitsspeicher aus, doch es will nicht nur der Arbeitsspeicher, sondern auch die anderen Hardware-Komponenten adressiert werden. Die I/O-Adressen von Erweiterungskarten belegen Adressen unterhalb der 4-GByte-Grenze. Deshalb kann man unter Windows in der Regel nur auf etwas über 3 GByte Arbeitsspeicher zugreifen.
Die Grenze für 32-Bit-Anwendungen unter Windows liegt übrigens nicht bei 4, sondern bei 2 GByte. Die meisten 32-Bit-Anwendungen können unter Windows nicht mehr als 2 GByte virtuellen Speicher nutzen. Der virtuelle Speicher bezieht neben dem physikalischen Arbeitsspeicher auch die Auslagerungsdatei mit ein. Windows legt eine Auslagerungsdatei an, um wenig genutzte Teile des Arbeitsspeichers in eine Datei auf der Festplatte auszulagern, um so den physikalischen Arbeitsspeicher möglichst groß zu halten.
Die 32-Bit-Versionen von Windows 2000, XP und Vista teilen einem Programm höchstens einen Adressraum von 231 Byte Größe zu. Das sind 2 GByte. Spezielle Programme bekommen auch mehr als 2 GByte. Dazu muss das Programm entsprechend compiliert sein und Windows mit bestimmten Bootoptionen ausgeführt werden. Weil letzteres zu Problemen führen kann, werden diese Maßnahmen hier nicht mehr weiter erläutert. Wer daran etwas dreht, sollte wissen, was er tut, oder gleich eine 64-Bit-Version von Windows einsetzen.
Es lohnt sich also kaum in einem Computer mit Windows mehr als 3 GByte Arbeitsspeicher einzubauen. Der Ausbau des Arbeitsspeichers auf mehr als 2 GByte ist nur in wenigen Fällen sinnvoll. Nämlich dann, wenn mehrere speicherintensive Programme gleichzeitig laufen. 2 GByte gelten als vernünftige und praktische Grenze.
Übersicht: Halbleiterspeicher
- ROM - Read Only Memory
- RAM - Random Access Memory
- DRAM - Dynamic RAM
- SDRAM - Synchronous DRAM
- DDR-SDRAM (DDR1 / DDR2 / DDR3)
- Rambus-DRAM
- Flash-Speicher
- FRAM - Ferroelectric RAM
- MRAM - Magnetoresistive RAM
- OUM - Ovonic-Unified-Memory
Weitere verwandte Themen:
- Motherboard
- Chipsatz
- Halbleiterspeicher
- Cache (L1 / L2 / L3)
- Speichermodule
- PCxxxx-Spezifikation
- Speicherangaben und Speicherkapazität
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