RAM - Random Access Memory

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1 RAM - Random Access Memory Random Access Memory (dt. Speicher mit wahlfreiem Zugriff), abgekürzt RAM, ist ein Speicher, der besonders bei Computern als Arbeitsspeicher Verwendung findet. RAMs werden als integrierte Schaltkreise hauptsächlich in Silizium-Technologie realisiert. RAM wird in allen Arten von elektronischen Geräten eingesetzt. Wahlfrei bedeutet in diesem Zusammenhang, dass jede Speicherzelle über ihre Speicheradresse direkt angesprochen werden kann, der Speicher also nicht sequenziell oder in Blöcken ausgelesen werden muss (bei großen Speicherbausteinen erfolgt die Adressierung jedoch nicht über die einzelnen Zellen, sondern über ein Wort, dessen Breite von der Speicherarchitektur abhängt). Das unterscheidet den RAM von blockweise zu beschreibenden Speichern, den so genannten Flash-Speichern. Im Gegensatz zu einem ROM (Read Only Memory) kann RAM sowohl gelesen als auch beschrieben werden. Der üblicherweise in Computern eingesetzte RAM ist 'flüchtig' (auch: 'volatil'), das heißt, die gespeicherten Daten gehen nach Abschaltung der Stromzufuhr verloren. Es gibt allerdings auch RAM-Typen, die ihre Information auch ohne Stromzufuhr erhalten ('nichtvolatil'). Diese werden NVRAM genannt. Die flüchtigen RAMs teilen sich in: Statisches RAM oder SRAM Dynamisches RAM oder DRAM Es gibt eine Vielzahl von DRAM-Bauarten, die sich historisch entwickelt haben: EDO-RAM SDRAM DDR-SDRAM RDRAM Derzeit sind eine Reihe von nichtflüchtigen RAM-Technologien (NVRAM) in der Entwicklung, wie: FeRAM MRAM PCRAM Die Speicherkapazität wird in Bit und Byte angegeben. Als Arbeitsspeicher verwendetes RAM wird häufig in Form von Speichermodulen eingesetzt: SIMM/PS/2-SIMM DIMM/SO-DIMM RIMM/SO-RIMM

2 Übersicht Speichermoduleformen: SIMM: S0-SIMM SDR-DIMM DDR-DIMM Micro-DIMM RIMM

3 S0-RIMM RAM - Random Access Memory Übersetzt bedeutet die Abkürzung RAM "Speicher mit wahlfreiem Zugriff". In Form von Chips bzw. aus Chips bestehenden Modulen wird dieser Speicher häufig als Arbeitspeicher in Personal Computern verwendet. Der Arbeitspeicher eines Computers ist der Arbeitsraum für den Hauptprozessor. Er stellt einen temporären Speicherbereich für Programme und Daten, die vom Prozessor gerade bearbeitet werden, dar. Warum temporär? Der RAM benötigt im Gegensatz zum ROM einen ständigen Stromimpuls zur Speicherung von Daten. Wird dieser unterbrochen, verlieren die RAM-Speicherzellen die gespeicherten Informationen. Das Prinzip des Arbeitsspeichers anhand einer geöffneten Datei: Wenn Dateien in den Arbeitsspeicher geladen werden, wird lediglich eine Kopie geladen. Das Original bleibt unverändert auf der Festplatte. Ändert man an dieser Datei etwas, muss sie erst gespeichert werden um die Änderung dauerhaft zu behalten. DRAM - Dynamischer RAM Die Speicherzellen eines DRAM-Chips bestehen aus winzigen Kondensatoren, die eine Ladung speichern um ein Bit darzustellen. Die Speichereinheiten sind sehr dicht in den Chip gepackt, für jedes Bit existiert ein Transistor-Kondensator Paar. Da die Speicherzellen dynamisch sind, müssen sie ständig aufgefrischt werden. Sonst baut die Ladung der Speicherkondensatoren kontinuierlich ab und die Daten gehen verloren. Der Speicherkontroller, der sich im Chipsatz eines PC-Mainboards befindet, liest nach einer eingestellten Refreshzeit alle Reihen im Speicher um die Daten aufzufrischen. DRAM-Chips haben circa 256 Millionen Transistoren (bei 256 MB) was weitaus mehr ist, als ein Prozessor hat. Diese Dichte der Transistoren liegt an der einheitlichen Gitteranordnung in den DRAM-Speicherzellen, während bei einer CPU weitaus verstricktere Strukturen zu finden sind. DRAM ist relativ günstig in der Herstellung aber auch vergleichsweise langsam auf Grund des benötigten Refreshs. SRAM - Statischer RAM Der SRAM wird deshalb als statisch bezeichnet, weil diese Speicherzellen neben der anliegenden Spannung keinen Refresh-Zyklen benötigt um Daten zu speichern. Seit 1987 gibt es SRAM-Speicher in Personal Computern. (Damals noch für den 386er) Anders als beim DRAM bilden hier 6 Transistoren 1 Bit. Kondensatoren werden nicht benötigt, deshalb ist auch kein Refresh nötig. Die Herstellung ist um einiges teurer als DRAM dafür sind die SRAM-Speicherzellen annähernd so schnell wie Prozessoren. Sie werden

4 häufig als Cache mit direkter CPU-Anbindung benutzt. Die Daten werden kurz bevor sie benötigt werden in den schnellen SRAM-Cache eingelesen und wenn die CPU die entsprechenden Speicheradressen abruft, sofort aus dem Cache gelesen. Da aktuelle Prozessoren immer schneller werden, wird der Cache immer wichtiger. Deshalb gibt es inzwischen ein zweistufiges, und zum teil schon dreistufiges Cache-Sytem (L1, L2, L3). Die Entwicklung der DRAM-Technologie FPM-DRAM (Fast Page Mode) Moderne DRAMs nutzen das sogenannte Paging, dabei kann auf sämmtliche Speicheradressen in einer Zeile schneller zugegriffen werden. Die Adresse der Zeile wird beibehalten und nur die Adresse der Spalte geändert. Dies ist eine einfache aber effektive Methode die Leistung des Speichers zu verbessern. Er wird dabei in Spalten von 512 Byte bis zu einen Kilobyte aufgeteilt. Seit dem 486er gibt es noch eine weitere Verbesserung: Burst-Modus. Bei dieser Methode wird die Tatsache genutzt, dass die meisten Speicherzugriffe nacheinander erfolgen. Es reicht nun aus, die Zeilen- und Spaltenadresse für einen Zugriffe festzulegen, um auf die folgenden drei Adressen ohne zusätzliche Latenzzeit bzw. Waitstats zugreifen zu können. Der Burst-Zugriff ist auf vier Zugriffe beschränkt, Schreibweise: x-y-y-y die Buchstaben geben die benötigten Zyklen an (Bsp: ) DRAM Speicher, der Paging und den Burst-Mode unterstützt wird als FPM-Speicher bezeichnet, er kam 1987 auf den Markt. EDO-RAM Die Abkürzung EDO steht für Extended Data Out. Diese Art von Speicher erschien 1995 auf dem Markt und fand sich kurze Zeit später in allen handelsüblichen Personalcomputern wieder. Er ist schneller als seine Vorgänger, da sich die Taktzyklen überschneiden können. Der Speicherkontroller kann mit einer neuen Spaltenandresse beginnen, während er noch bei der aktuellen Adresse Daten liest. Im Burst Modus erreicht EDO-RAM ein Timing von Er wurde auf Single-Inline- Memory Modulen, den sogenannten SIMMs verbaut. Später wurden PS/2-Module verwendet. Burst-EDO Wurde kürzer auch BEDO-RAM genannt. Dies war ein EDO-Speicher mit speziellen Burst- Funktionen, die aber nur von dem Intel Chipsatz 440FX Natoma unterstützt wurde. Er wurde aber schnell vom neueren SDRAM abgelöst. SDRAM Diese sehr erfolgreiche RAM-Technologie wurde 1997 eingeführt. Das Besonder bei diesen Speicherbausteinen ist die Synchronität zum Systemtakt. Im Gegensatz zum asynchronen DRAM gibt es nun kaum noch Latenzzeiten. Es gibt eine deutliche Leistungssteigerung

5 gegenüber dem EDO und FPM Speicher, das Timing beträgt nur noch (daher vier Leseoperationen in nur acht Zyklen). Verbaut wurden die Speicherchips auf den Dual-Inline- Memory-Modulen, den sogenannten DIMMs. Das JEDEC-Gremium ist zuständig für die standartisierung der Speichertechnologien. Es hat folgende SDRAM Typen spezifiziert: PC-66, PC-100 und PC-133. Die Zahl der jeweiligen Norm stellt die ideale Betriebsgeshwindigkeit in Megahertz (MHz) dar. Übertaktungen könnne zu Hardwaredefekten führen. DDR-SDRAM Die Weiterentwicklung des SDRAMs wird als DDR-SDRAM bezeichnet. Das Taktsignal wird nun auf der steigenden und fallenden Flanke zur Datenübertragung genutzt. So konnte eine verdopplung der Geschwindigkeit erziehlt werden. Bei 133Mhz wird das RAM-Modul daher als PC266 bezeichnet. Verbaut werden die DDR-SDRAM Bausteine auf leicht veränderten DIMMs. (Erkennbar daran, dass das Speichermodul nur eine Kerbe besitzt.) RDRAM Seit Ende 1999 gibt es als SDRAM Konkurenz die Rambus DRAM-Speicher. Diese Technologie wurde ursprünglich für Spielekonsolen entwickelt und mit dem Nintendo 64 bekannt. Die Speichermodule werden mit 800 Mhz getaktet. In RIMMs mit 184 Kontakten auf beiden Seiten werden sie verbaut, jedoch sind keine Speicherchips mehr zu sehen, da diese von einem Kühlkörpermetalldeckel bedeckt werden. So wird mehr Wärme abgeleitet, was den Chips zu einer längeren Lebensdauer verhilft. Die Zukunft der Speichertechnologie Die Entwicklung schreitet täglich voran. Die aktuelle DDR2 Technik soll schon 2006 von noch kleineren und schnelleren DDR3-Modulen abgelöst werden. Geforscht wird zur zeit noch an Technologien, mit denen magnetische RAM-Speicher möglich sind. MRAM funktioniert magnetisch und soll einmal den Arbeitsspeicher und die Festplatte komplett ersetzen, da er schnell genug ist um den Arbeitsspeicher überflüssig zu machen.