Speicherarten im Computer: RAM, ROM und Cache erklärt

Was sind Speicher im Computer?

Ein Speichersystem ist eine Komponente eines Computers, die Informationen speichert, verarbeitet und bearbeitet, damit diese bei Bedarf leicht wiedergefunden werden können. Die ersten Speicher basierten auf Magnetkernspeichern. Moderne Speicherschaltungen bestehen aus Halbleitern.

Zweck und Grundlagen des Speichers

Das Konzept des Speichers entstand aus der Notwendigkeit, Daten vorübergehend zu halten, während sie von der CPU bearbeitet werden. Speicher unterscheiden sich in ihrer Zugriffszeit und in ihrer Kapazität. Die Kapazität bezeichnet dabei die Menge an Befehlen oder Adressen, die gespeichert werden können (zwischen 8 und 64 Bit pro Einheit). Speicher sind häufig flüchtig, teuer und besitzen unterschiedliche Zugriffsgeschwindigkeiten.

Cache-Speicher

• L1-Cache: ein interner Cache-Speicher, der direkt im Prozessor sitzt. Er ist sehr schnell, flüchtig und teuer, mit einer Kapazität von etwa 16 KB.
• L2-Cache: ein externer, sekundärer Cache mit einer Kapazität zwischen 64 KB und 2 MB oder mehr.

Hauptspeicher (MP)

Der Hauptspeicher ist der Bereich, in dem Programme und Daten für die Bearbeitung durch die CPU abgelegt werden. Er ist flüchtig, kostengünstig und so organisiert, dass der Computer Informationen speichern und abrufen kann. Beim Schreiben (Speicherung) und Lesen (Abruf) der Informationen wird jeweils eine Speicherzelle angesprochen.

Speicherzellen und Adressierung

Die Zelle ist die kleinste Speichereinheit eines Computers. Der Hauptspeicher ist in Zellen organisiert, die von 0 bis (N-1) nummeriert sind. Diese Nummer nennt man die Adresse der Zelle. Mit der Adresse kann eine Zelle eindeutig identifiziert werden. Es gilt: N = 2^x (E), T = N x M.

Hilfsspeicher (Auxiliary Memories)

Hilfsspeicher dienen der Speicherung großer Datenmengen. Sie sind günstiger als der Hauptspeicher und haben den Vorteil, dass sie nicht flüchtig sind, das heißt, ihr Inhalt bleibt auch ohne Stromversorgung erhalten. Die wichtigsten Hilfsspeicher sind:

• Festplatten (HDD)
• Disketten-Laufwerke
• Band-Laufwerke
• CD-ROM und DVD
• Magnetische Einheiten

Ein-/Ausgabe: Verbindung zwischen Hauptspeicher und CPU

Die Verbindung zwischen Hauptspeicher und CPU erfolgt über die Register MAR (Memory Address Register) und MDR (Memory Data Register). Es erfolgt jeweils nur ein Zugriff zu einem Zeitpunkt. Beim Schreiben sendet die Steuereinheit (CU) die Speicheradresse über den Bus an den Speicher und platziert ein Steuersignal, woraufhin der Speicher die Daten entgegennimmt. Beim Lesen gibt der Speicher die Daten an die CPU zurück.

RAM-Speicher

RAM (Random Access Memory) ist ein wesentlicher Speichertyp eines Computers, in dem Daten und Programmbefehle abgelegt werden. Er ist relativ flüchtig, das heißt, sein Inhalt geht verloren, sobald der Computer ausgeschaltet wird.

• Dynamischer RAM (DRAM): basiert auf Kondensatortechnik und muss regelmäßig aufgefrischt werden. Er ist kostengünstig, verbraucht aber Energie und ist langsamer.
• Statischer RAM (SRAM): basiert auf Transistortechnologie und benötigt keine Auffrischung. Er ist deutlich schneller, verbraucht jedoch mehr Energie und erzeugt mehr Wärme.

ROM-Speicher

ROM (Read Only Memory) enthält unveränderliche Befehle, beispielsweise die Startroutine, mit der der Computer initialisiert wird. ROM ist nicht flüchtig, das heißt, die Daten bleiben auch ohne Energiezufuhr erhalten.

• PROM: ein besonderer ROM-Typ, der vom Benutzer einmalig programmiert werden kann.
• EPROM: ein löschbares ROM, das mit UV-Licht gelöscht und neu programmiert werden kann.
• EEPROM: ein elektrisch löschbares ROM, ähnlich wie EPROM. Der Unterschied besteht darin, dass sein Inhalt elektrisch und selektiv, also Byte für Byte, gelöscht werden kann.