Speicherarchitektur

Speicher dienen in der Computertechnik zur Aufbewahrung von Informationen in binärer Form. In der Regel sind das Folgen von Nullen und Einsen. Gespeichert werden Programme, Daten und Zustände. Je nach Verarbeitungszustand befinden sich diese Daten an unterschiedlichen Stellen innerhalb der Speicherarchitektur eines Computersystems.

Ein optimaler Datenspeicher würde aus einem Datenträger bestehen, der große Datenmengen dauerhaft aufnehmen kann und gleichzeitig sehr schnell ist. An allen zwei Eigenschaften hat man bei der Entwicklung von Datenspeichern immer wieder gearbeitet. Leider waren alle Anforderungen zusammen nie erfüllbar. Entweder war der Speicher zu klein, zu langsam oder hat bei abgeschalteter Energieversorgung seinen Speicherinhalt verloren. Aus diesem Grund hat man eine zweistufige Speicherarchitektur entwickelt, die zwischen Primärspeicher und Sekundärspeicher unterscheidet.

Übersicht

1. Primärspeicher

• Pufferspeicher (Cache im Prozessor)
• Arbeitsspeicher (RAM)

2. Sekundärspeicher

• Festwertspeicher
• Massenspeicher
• Wechselspeicher

Primärspeicher (Cache, Arbeitsspeicher)

Primärspeicher sind für Daten und Instruktionen gedacht, die kurz davor stehen vom Hauptprozessor verarbeitet zu werden oder die schon verarbeitet wurden. Hierzu zählen der Cache und der Arbeitsspeicher. Der Cache ist im Prozessor integriert und dient als Zwischenspeicher, der im Optimalfall mit Prozessorgeschwindigkeit arbeitet und dafür sorgt, dass der Prozessor immer mit Daten und Programmcode gefüttert wird. Hierdurch wird der Leerlauf des Prozessors vermieden.

Bevor Programmcode und Daten zur Verarbeitung in den Prozessor gelangen, dient der Arbeitsspeicher als Datenablage. Die Größe des Arbeitsspeichers bestimmt die Menge der Daten, die für den Prozessor vorgehalten werden können. 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 sekundären Datenspeichern nicht geleistet werden kann. Der Arbeitsspeicher ist also schneller als ein Sekundärspeicher.

Die Besonderheit des Arbeitsspeichers liegt im wahlfreien Zugriff und 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 Sekundärspeicher geschrieben werden.

In einem Computer war und ist die Anbindung des Datenspeichers an den Prozessor schon immer ein Flaschenhals. Doch in der Praxis hat das kaum Auswirkungen auf die Gesamtleistung des Systems. Die Kombination aus Sprungvorhersagen des Prozessors im Programmcode und gleichzeitig großen, gestaffelten Caches fangen einen Großteil der Anfragen auf den Arbeitsspeicher und die Massenspeicher ab. So liegen die Daten aus dem Arbeitsspeicher meist schon vor dem Abruf im Cache des Prozessors. Muss ein Programm dann doch mal auf Daten warten, dann erledigt das Rechenwerk des Prozessors in der Zwischenzeit etwas anderes. Auf diese Weise wird die mangelnde Speicheranbindung kaschiert.

• Cache
• Arbeitsspeicher
• Halbleiterspeicher

Sekundärspeicher (Festspeicher, Massenspeicher)

Sekundärspeicher ist der Datenspeicher in oder auch außerhalb eines Computers, auf den der Hauptprozessor nicht direkt zugreift, sondern über Ein- und Ausgabe-Schnittstellen Daten anfordert. Sekundärspeicher sind Festspeicher und gleichzeitig auch Massenspeicher. Ein Sekundärspeicher wird verwendet, um Daten dauerhaft zu speichern, die gerade nicht verarbeitet werden. Im Vergleich zum Primärspeicher (Arbeitsspeicher) hat er eine höhere Speicherkapazität, kann die Daten dauerhaft auch ohne Energieversorgung speichern und arbeitet dafür viel langsamer.

Ein Sekundärspeicher, wie zum Beispiel eine SSD, stellt viel Speicherplatz bereit. Speziell die SSD ist 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 begrenzt und lässt keine, für den Prozessor übliche, Arbeitsgeschwindigkeit zu.

Daten auf Sekundärspeichern werden in der Regel mit einem Dateisystem in Dateien und Verzeichnissen organisiert.

Sekundärspeicher unterschiedet man anhand ihrer technischen Verfahren:

• Mechanische Sekundärspeicher
  • Lochstreifen
  • Lochkarten
• Optische Sekundärspeicher
  • CD-ROM / CD-R / CD-RW
  • DVD-ROM / DVD-R/-RW / DVD+R/+RW / DVD-RAM
  • Blu-ray Disc / BD-R / BD-RE
  • Holografischer Speicher
• Magnetische Sekundärspeicher
  • Disketten
  • ZIP
  • Festplatten
  • Tape/Magnetband
• Halbleiter-Sekundärspeicher
  • Flash-Memory
  • SSD

Früher waren viele Sekundärspeicher entweder magnetisch oder optisch. Mechanische Sekundärspeicher haben nur noch Museumswert. Zukunftsweisend sind Halbleiterspeicher, wie Flash-Memory, die Daten dauerhaft ohne Energieversorgung speichern können.

Weitere verwandte Themen:

• Computer-Architektur
• Grundlagen Computertechnik
• Schichtenmodell in der Computertechnik
• Systembus
• Datenspeicher
• Halbleiterspeicher
• CSD - Computational Storage Devices
• SCM - Storage Class Memory

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