Hauptspeicher H.1.1 Einordnung Organisation und Verhalten von Hauptspeichermodulen. Caches und assoziative Speicherung. Höhere Informatik :

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1 H. Hauptspeicher H.. Einordnung Organisation und Verhalten von Hauptspeichermodulen. Caches und assoziative Speicherung. Höhere Informatik : Hierarchische Datenspeicherung. - Programmierung, Datenbanken, Verteilte Systeme, Theorie... Virtueller Speicher. Systemprogrammierung: - Betriebssystemkonzepte, E/A-Geräte, Treiber... Rechnerarchitektur: F - Bussysteme, Rechenwerke, Caches, Pipelining Instruktionssatz: - Adressenbildung, Registersemantik, Assembler Mikro-Architektur: - Instruktionszyklen, µ-programme, RISC/CISC E G Architektur D B C Digitaltechnik: - Rechnerarithmetik, Schaltwerke, Gatter, Logik... Elektronik: - Strom & Spannung, Transistoren, ICs

2 H.2. Speichermedien und Hierarchie H.2. Technologien zum Speichern von Daten Zum Teil Wiederholung aus Technische Informatik I. Physikalische Grundlage: Magnetismus: Magnetkernspeicher, Magnetband, Diskette, Festplatte Modifikation von Strukturen: Lochkarte, Schallplatte elektrische Ladungen: Kondensator, DRAM Optik: Bar-Codes, CD-ROM, DVD Rückkopplung: Flip-Flops, SRAM Charakteristiken/Kennnwerte: Geschwindigkeit Speicherdichte Energiebedarf Robustheit Kapazität Kosten => 2

3 H.2.2 Speicherhierarchie ms ms s 3 Cache-Buffer Hauptspeicher/RAM Festplattenspeicher CD-ROM/DVD/BlueRay Magnetband-Archive KByte 4 MByte Kapazität ns Zugriffszeit/Latenz ns Register Sequentieller Zugriff ps wahlfreier Zugriff Ungefähr sechs Ebenen in modernen Systemen unterscheidbar: 4 GByte 5 GByte 5 GByte 5 TByte

4 H.2.3 Maßeinheiten für die Kapazität von Speichern: Zweierpotenzen: kbyte = KByte = KByte = 24 Byte = 2 Byte MByte = MB = 24 KByte = 2 2 Byte = Byte GByte = 24 MB = 24 x 24 x 24 Byte = 2 3 Byte = Byte TByte = 24 GB = 2 4 Byte = Byte oft auch Zehnerpotenzen: kbyte = kb = Byte, oder Binärpräfixe: KibiByte = 24 Byte, 2 Byte. Kilo Mega Giga Tera Peta Exa Zetta Yotta ~,3E+3 ~,5E+6 ~,7E+9 ~,E+2 ~,3E+5 ~,5E+8 ~,8E+2 ~,2E+24 elektrisch magnetisch im Netz

5 H.3. Einfaches Beispiel eines Speicherchips H.3. Stiftbelegung für Speicherchip 32 KByte SRAM: 3 Steuerleitungen ( Chip-Select, Write-Enable, Output-Enable), 5 Adressleitungen (A.. A4), 8 Datenleitungen (I/O.. I/O8), Copyright NEC Electronics Corporation 99, 992,

6 H.3.2 Zugriffssteuerung Steuersignale sind invertiert, aber: not Chip-Select deaktiviert den Schaltkreis (ISB ~ 5 µa), Write-Enable aktiviert die Speicherung eines neuen Wertes, Output-Enable aktiviert die Treiber für den Datenbus (Tri-State). Copyright NEC Electronics Corporation 99, 992, 994: 6

7 H.3.3 Blockschaltbild des SRAM-Speicherbausteins Copyright NEC Electronics Corporation 99, 992, 994 7

8 H.3.4 Ablauf eines Speicherzugriffes: Zeitlicher Ablauf beim Lesen: In Wirklichkeit jedoch wesentlich komplexere Abläufe, CS - Chip Select, Output-Enable, Write-Enable... z.b. 5 Adressleitungen, z.b. 8 Datenbits. OE CS Adressen Daten t tac tcycle tac - access time / Zugriffszeit: Zeit vom Anlegen einer Speicheradresse bis zum Vorliegen der Daten (Lesezugriff). tcycle - cycle time / Zykluszeit : Zeit vom Anlegen einer Adresse bis zum möglichen Anlegen der nächsten Adresse. 8

9 H.4. ROM (Read Only Memory, Festwertspeicher) Nichtflüchtige Speicher - Information bleibt auch ohne Versorgungsspannung über einige Jahre erhalten! Anwendungen: hauptsächlich für lesenden Zugriff, Boot-ROM, BIOS-ROM, VGA-BIOS, Programmspeicher für PDA, Handy etc. Konfigurationsspeicher, µ Programme. ROM (Read Only Memory) bezeichnet im Prinzip alle Festwertspeicher, wird deshalb als Oberbegriff verwendet, im engeren Sinne zum Zeitpunkt der Chip-Herstellung programmiertes ROM, etwa durch Aufbringen der letzten Metallisierungsschicht auf den Chip, ROM im engeren Sinne auch als Mask-ROM bezeichnet.. PROM (Programmable Read Only Memory): einmalig programmierbarer ROM-Speicher (im engeren Sinne), mit speziellem Programmiergerät wird die Information eingebrannt, elektrisch programmierbar (durch zusätzliche Steuerleitungen, bzw. Pegel). 9

10 H.4. REPROM - Reprogrammable Memory EPROM - Eraseable PROM: mit UV-Licht löschbarer PROM-Speicher: EEPROM - Electrically Eraseable PROM: typische Verwendung für BIOS/Boot-ROM im Rechner, erlaubt Einspielen neuer BIOS-Versionen ("flashen"), elektrisch löschbarer Speicher. CMOS-RAM: z.b. für die Konfiguration eines Rechners (BIOS-Passwort, Festplatten, Taktrate...), CMOS-RAM evtl. löschen durch Abklemmen der Batterie, RAM-Speicher mit interner oder externer Pufferbatterie, auch NV-RAM - Non Volatile RAM genannt, nicht verwechseln mit BIOS-ROM: Flash-Speicher: ursprünglich Markenname, heute viele Handelsformen (SD, MS, SM...), ähnlich EEPROM, jedoch höhere Packungsdichte, blockweises Neuschreiben. zum CMOS-RAM

11 H.5. RAM (Random Access Memory) Ausführungsform: DIMM-Module mit mehreren Chips, 2 Reihen in-line Kontakte ( ~5), Taktraten MHz bis GHz, Halbleitertechnologie. Verwendung: Arbeitsspeicher für Variablen & Code, lesende und schreibende Zugriffe möglich, wahlfreier Zugriff auf beliebige Speicheradresse (Random!), alle Zugriffe dauern etwa gleich lang, (im Unterschied zu Platten- & Bandzugriffen). Informationen gehen nach Ausschalten der Versorgungsspannung verloren! SRAM (Static RAM) - statischer RAM-Speicher DRAM (Dynamic RAM) - dynamischer RAM-Speicher SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) - taktsynchrones DRAM, Dynamische RAM-Bausteine benötigen regelmässige Refresh-Zyklen. NB: Auch Read-Only Speicher erlauben wahlfreien Zugriff.

12 H.5. SRAM - Static Random Access Memory Speicherung so lange, wie Stromversorgung anliegt (kein Refresh nötig). Speichermatrix aus SRAM-Zellen: Horizontale Auswahlleitungen und vertikalen Schreib-/Leseleitungen, Auswahl einer einzelnen Zelle als Kreuzungspunkt, Gelesen wird meistens eine ganze Zeile. 2

13 SRAM-Zelle mit Flip-Flop aus zwei Invertern. Schreiben in die Speicherzelle: Schreibleitungen werden komplementär beschaltet (,) oder (,), die Select-Leitung (Auswahl-L.) wird auf gesetzt (Impuls), die beiden Inverter kippen in einen von zwei stabilen Zuständen, Rücknahme der Select-Leitung nach dem Einschwingen der Inverter. Flip-Flop Select Leitung Bit lesen oder schreiben 3 Invertiertes Bit lesen oder schreiben

14 H.5.2 Einsatzfelder für SRAM SRAM-Eigenschaften: schneller Zugriff, z.b. 4 ns auf externem Baustein, Zugriff ns falls im Prozessor integriert, großer Platzbedarf auf dem Chip, geringer Stromverbrauch, dauerhafte Speicherung, teuer bez. Chipfläche. Einsatzfelder: Mission-Critical-Applications (z.b. Weltraumanwendung*), schneller Hauptspeicher (z.b. Hochleistungsrechner), Cachespeicher (Level und 2 Caches), Mobile Geräte... * Unempfindlich gegen Strahlung und Einstreuungen. 4

15 H.5.3 DRAM - Dynamic Random Access Speicher Dynamisches RAM muss periodisch aufgefrischt werden: ein Bit wird als Ladung in einem Kondensator gespeichert, durch den Kondensator fliesst ein kleiner Leckstrom, die Ladung hält sich nur wenige Millisekunden. Einzelne DRAM-Zelle: Wesentlich kleiner als eine SRAM-Zelle (vierfache Dichte), Kondensator zur Speicherung der Information, eine Schreib-/Leseleitung pro Spalte, eine Auswahlleitung pro Zeile, diese schaltet Transistor: 5

16 H.5.4 Matrixaufbau eines DRAM-Speichers Byteadresse üblich, trotz Zugriff auf z.b. 64 Bit Wörter. Gewünschtes Speichermodul/-bank, Byteadresse im Wort (3 Bit), Spaltenadresse, Zeilenadresse. Adresse Zeilen-Adressdecoder Speicheradresse wird aufgespalten: Zeilen-Halteregister Decoder für Spaltenadresse Read / Write Logik Datenbit 6

17 H.5.5 Betrieb einer DRAM-Matrix Intern wird immer eine ganze Zeile gelesen, geschrieben oder aufgefrischt. Auffrischung: periodisches Lesen und Zurückschreiben der DRAM-Zellen gleicht Ladungsverlust aus, im Chip drin wird immer eine ganze Zeile ausgelesen und zurückgeschrieben, eine Chip-interne Logik sorgt dafür, dass alle Zeilen an die Reihe kommen, früher externe Refresh-Logik erforderlich, heute auf dem Chip. Lesen einer DRAM-Zelle: Auswählen der DRAM-Zeile, zugehörige Auswahl-Leitung ansteuern, Ladung des Kondensators über Bit-Leitung abgreifen & verstärken, die in der aktuellen Zeile gespeicherte Ladung ist jetzt verbraucht, gelesene Zeile im On-Chip Zeilenregister zwischenspeichern, gewünschtes Bit aus Zeile auswählen und auf Bus legen, ganze Zeile zurückschreiben. Schreiben einer DRAM-Zelle: ganze Zeile lesen, genau wie beim Lesevorgang, zu schreibendes Bit vom Datenbus holen, einzelnes Bit im Zeilenregister setzen, zurückschreiben wie Lesevorgang. 7

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