Vorlesung. Technologische Grundlagen der Informationsverarbeitung. Speicherung von Daten. Dipl.-Ing. Gert Martin

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1 Vorlesung Technologische Grundlagen der Informationsverarbeitung Speicherung von Daten Dipl.-Ing. Gert Martin

2 Datenspeicherung Prinzipien: Magnetische Speicherung Halbleiterspeicher (Speicher mit elektronischen Schaltkreisen) Optische Speicherung EDV - Grundlagen / Dipl.-Ing. Gert Martin 2

3 Datenspeicherung Magnetische Speicherung Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 3

4 Datenspeicherung /Magnetische Speicherung Festplatten Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 4

5 Datenspeicherung/Magnetische Speicherung/Festplatten Größenvergleiche Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 5

6 Datenspeicherung/Magnetische Speicherung/Festplatten Speicherkapazitäten Jahr 5,25 3,5 2,5 1,8 1,0 0, MB MB 106 MB 2001 * 180 GB 40 GB 340 MB 2005 * 500 GB 120 GB 60 GB 8 GB 6 GB 2010 * 3 TB 1,5 TB 320 GB * * 2015 * 10 TB 4 TB * * * *: Baugröße veraltet; nicht mehr in Gebrauch Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 6

7 Datenspeicherung/Magnetische Speicherung/Festplatten Historisches Modell Alte IBM 62PC-Festplatte, ca. 1979, 6 x 8~ Scheiben mit insgesamt ca. 65 MB Speicher Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 7

8 Datenspeicherung/Magnetische Speicherung/Festplatten Aufbau Lese-/Schreibkopf Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 8

9 Datenspeicherung/Magnetische Speicherung/Festplatten Zylinder, Spuren und Sektoren Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 9

10 Datenspeicherung/Magnetische Speicherung/Festplatten Lese-/Schreiboperationen positioniere Lesekopf auf Spur warte bis Sektoranfang unter Lesekopf vorbeikommt lese / schreibe Sektor (das ist die kleinste Einheit, die gelesen / geschrieben werden kann) Typische Sektorgröße: 0.5 KB 4 KB Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 10

11 Datenspeicherung/Magnetische Speicherung/Festplatten Formatierte Festplatte MBR: Master Boot Record Boot Loader (zum Laden verschiedener Betriebssysteme) Partitionstabelle Partitionen (Filesysteme, Betriebssysteme) Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 11

12 Datenspeicherung Halbleiterspeicher Halbleiterspeicher sind Datenspeicher, die aus Halbleitern bestehen. In und auf einem Halbleiterkristall werden mikroelektronische Speicherstrukturen realisiert, sodass ein Speicherchip entsteht. Varianten: ROM - Nur-Lese-Speicher (englisch read-only memory) RAM - Speicher mit wahlfreiem Zugriff (das; englisch random[-]access memory) EDV - Grundlagen / Dipl.-Ing. Gert Martin 12

13 Datenspeicherung/Halbleiterspeicher RAM Speicher mit wahlfreiem Zugriff (das; englisch random[-]access memory) flüchtiger Speicher (Spannungsverlust = Datenverlust) EDV - Grundlagen / Dipl.-Ing. Gert Martin 13

14 Datenspeicherung/Halbleiterspeicher/RAM Aufbau DRAM- Speicherzelle Eine DRAM- Speicherzelle besteht aus einem Kondensator und einem Transistor. Ein geladener Kondensator repräsentiert eine logische Eins, ein entladener eine Null. Schaltbild einer DRAM- Speicherzelle: Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 14

15 Datenspeicherung/Halbleiterspeicher/RAM DRAM Vorteile / Nachteile Vorteil: billig und kompakt. Nachteil: Da der Kondensator durch Leckströme allmählich seine Ladung verliert, muss er regelmäßig aufgeladen werden (alle paar Millisekunden). D.h. nach Stromabschaltung verlieren DRAMS ihre Information. Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 15

16 Datenspeicherung/Halbleiterspeicher/RAM Produktgenerationen von DRAMs Art FPM DRAM / Fast Page Mode DRAM 1987 EDO RAM / Extended Data Output RAM 1995 SDRAM / Synchronous Dynamic Random Access Memory 1997 RDRAM / Rambus Dynamic Random Access Memory 1999 Jahr der Einführung DDR-SDRAM / Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory 2000 DDR2-SDRAM 2004 DDR3-SDRAM 2007 DDR4-SDRAM 2012 Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 16

17 Datenspeicherung/Halbleiterspeicher/RAM SRAM Während in DRAM- Speicherzellen die Information durch eine Kondensatorladung gespeichert wird, erfolgt beim SRAM die Speicherung durch Schaltzustände von Transistoren. Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 17

18 Datenspeicherung/Halbleiterspeicher/RAM/SRAM Aufbau Ein SRAM - Zelle ist eine FLIP- FLOP- Schaltung aus Transistoren: Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 18

19 Datenspeicherung/Halbleiterspeicher/RAM/SRAM Vorteile / Nachteile Vorteil: SRAM's benötigen kein Refresh solange die Spannung +U anliegt, bleibt der Schaltzustand der Transistoren erhalten keine Wartezeiten beim Zugriff auf das RAM an, der Zugriff auf SRAM ist schneller als beim DRAM. Einsatz in Cache- Speichern Nachteil: Aufwändige Schaltung, daher weniger SRAM- Zellen als DRAM- Zellen pro Fläche realisierbar. dadurch ist SRAM teuer. Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 19

20 Datenspeicherung/Halbleiterspeicher Flashspeicher Flash-Speicher sind digitale Speicherbausteine die genaue Bezeichnung lautet Flash-EEPROM Sie gewährleisten eine nichtflüchtige Speicherung bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch Flash-Speicher sind portabel und miniaturisiert Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 20

21 Datenspeicherung/Halbleiterspeicher/Flashspeicher Aufbau Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 21

22 Datenspeicherung/Halbleiterspeicher/Flashspeicher Funktionsweise Die Speicherung eines Bits innerhalb eines solchen Speicherelements erfolgt über ein Floating Gate, dem eigentlichen Speicherelement des Flash-FETs. Es liegt zwischen dem Steuer-Gate und der Source-Drain-Strecke und ist von dieser wie auch vom Steuer-Gate jeweils mittels einer Oxid-Schicht isoliert. Im ungeladenen Zustand des Floating Gate kann bei am Gate aufgesteuertem Transistor in der Source-Drain-Strecke (sog. Kanal) ein Strom fließen. Werden über das Steuer- Gate durch Anlegen einer hohen positiven ( V) Spannung Elektronen auf das Floating-Gate gebracht, so kann in der Source- Drain-Strecke auch bei aufgesteuertem Transistor kein Strom mehr fließen: das negative Potential der Elektronen auf dem Floating Gate wirkt der Spannung am Steuer-Gate entgegen und hält den Flash-Transistor geschlossen. Der ungeladene Zustand wird wieder erreicht, indem die Elektronen durch Anlegen einer hohen negativen Spannung über die Steuergate-Kanal-Strecke wieder aus dem Floating Gate ausgetrieben werden. Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 22

23 Datenspeicherung/Halbleiterspeicher/Flashspeicher Vorteile Datenerhalt bei fehlender Versorgungsspannung (nichtflüchtiger Speicher/nonvolatile Memory) geringer Energieverbrauch im Betrieb günstiger Massenspeicher Auslesen funktioniert bei NOR-Typen genau so wie bei herkömmlichen statischen RAM-Bausteinen resistent gegen Erschütterungen kleine Bauform. Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 23

24 Datenspeicherung/Halbleiterspeicher/Flashspeicher Nachteile langsamer als RAMs, vor allem beim Schreiben es können (oft) nur ganze Sektoren auf einmal gelöscht werden relativ komplexe Ansteuerung beim Schreiben/Löschen (Memory Controller erforderlich, z. T. werden Flash- Speicher sogar mit eigenen intelligenten Interfaces ausgestattet) begrenzte Anzahl von Schreibzyklen, schon beim Annähern an diese Grenze steigende Unzuverlässigkeit. Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 24

25 Datenspeicherung Optische Speicher Als optischer Datenspeicher (auch optische Platten genannt) werden auswechselbare Massenspeicher bezeichnet, die durch optische Abtastung (meist mittels Laser) gelesen oder beschrieben werden. EDV - Grundlagen / Dipl.-Ing. Gert Martin 25

26 Datenspeicherung/Optische Speicher Compact Discs (CD) Die Compact Disc (kurz CD) ist ein optischer Speicher, der Anfang der 1980er Jahre zur digitalen Speicherung von Musik von Philips/PolyGram und Sony eingeführt wurde und die Schallplatte ablösen sollte. Kapazität: ca. 700 MByte. Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 26

27 Datenspeicherung/Optische Speicher/Compact Discs CD-Querschnitt Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 27

28 Datenspeicherung/Optische Speicher/Compact Discs Lesen einer CD Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 28

29 Datenspeicherung/Optische Speicher Digital Video Disc (DVD) Die DVD ist ein digitales Speichermedium, das im Aussehen einer CD ähnelt, aber über eine deutlich höhere Speicherkapazität verfügt. DVD geht ursprünglich auf die Abkürzung von digital video disc zurück, später wurde die Abkürzung als Digital Versatile Disc (engl. für digitale vielseitige Scheibe) interpretiert. Kapazität: 4,7 GB Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 29

30 Datenspeicherung/Optische Speicher Blu-Ray Die Blu-ray Disc (abgekürzt) ist ein digitales optisches Speichermedium. Sie wurde als High-Definition- Nachfolgerin der DVD entwickelt und bietet ihrem Vorläufer gegenüber eine erheblich gesteigerte Datenrate und Speicherkapazität. Kapazität: 25 GB 200 GB. Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 30

31 Datenspeicherung/Optische Speicher Vergleich Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 31

32 Quellen Prof. Dr. Hans Jürgen Ohlbach Vorlesung Speicherung / Übertragung von Daten Speicherung / Übertragung von Daten / Dipl.-Ing. Gert Martin 32