Rechnerarchitektur

Von-Neumann-Rechner – Speicherwerk I

Dein PC enthält all deine Daten und lädt all deine Spiele. Aber wie macht er das? Das und so einiges mehr zum Thema Speicher erklären wir dir in diesem Beitrag.

Inhaltsübersicht

Bestandteile und Funktionsweise eines Speicherwerks

Wenn wir einen PC aufmachen, sehen wir als erstes die offensichtlichen Speichereinheiten, also die RAM-Sticks und die Festplatten. Um zu verstehen, wie dein PC Dinge speichert bzw. liest und was überhaupt alles zum Speicherwerk gehört, müssen wir erst mal mit der Theorie anfangen.

Speicher, Bits und Bytes

Was ist Speicher? Du hast dich bestimmt schon oft geärgert, wenn dein Browser oder sogar dein ganzer Computer langsamer wird, weil du zu viele Tabs auf einmal offen hast. Wenn du das googelst, dann erfährst du, dass das an zu wenig RAM liegen kann. Du hast also zu wenig Arbeitsspeicher.

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Wenn du zu wenig RAM verfügbar hast, wird dein PC langsamer

Mit Festplatten ist es jedoch etwas anders. Diese können heute bis zu 60TB an Speicher fassen. Aber wovon genau haben sie mehr und worin unterscheiden sie sich von RAM?

Du kannst dir Speicher vorstellen, wie ein großes Regal mit vielen kleinen Fächern. Diese Fächer nennt man Bits. Das heißt ausgesprochen binary digits und ist in der Informatik die kleinstmögliche Informationsmenge, die übertragen bzw. gespeichert werden kann. Eines davon bildet den Unterschied zwischen ein und aus.

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Der Speicher ist wie ein großes Regal mit vielen Fächern

Nun will aber niemand ein Regal mit nur einem Fach kaufen. Deswegen fügen wir mehrere dieser Fächer zu einem größeren Regal zusammen. Die Standardgröße für ein kleines Regal sind acht Bits und das fertige Modell nennen wir Byte. Mit Bytes kann man Zeichen darstellen, aber noch nicht viel mehr. Also brauchen wir ein größeres Regal.

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Die Standardgröße mit 8 Bits nennt man Byte

Fügen wir also 1024 Ein-Byte-Regale zu einem neuen zusammen, erhalten wir ein Regal des Typs Kilobyte. Das kann man theoretisch bis ins Unendliche steigern aber in der Praxis ist das eine ganz andere Sache, da die Möglichkeit so großen Speicher herzustellen und vor allem zu verwalten von vielen Faktoren abhängt.

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1024 Bytes ergeben ein Kilobyte

Genauso wie unsere Regale ihre Form nicht verändern, wenn man etwas hineinstellt, so behält unser Speicher unabhängig vom gerade ausgeführten Programm seine Struktur. Dabei können wir Anwendungen und Daten getrost in dasselbe Regal legen.

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Der Speicher behält unabhängig vom ausgeführten Programm seine Struktur

Speicherzellen und Speicherhierarchie

Früher oder später wirst du in der Vorlesung allerdings auch auf Speicherzellen zu sprechen kommen. Dabei handelt es sich um gleich große Einheiten. Sie werden oft mit SZ abgekürzt. Sie funktionieren im Prinzip wie Briefkästen. Sie haben eine feste und vor allem eindeutige Adresse und der Zugriff auf sie erfolgt über den RAM. Ihre Größe ist dabei abhängig von der Art des Prozessors und des Betriebssystems und kann entsprechend 8, 16, 32 oder 64 Bit betragen. In ihnen liegen Buchstaben, Zahlen oder Befehle binär codiert vor.

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Speicherzelllen funktionieren wie Briefkästen

Unternehmen, die unsere Regale bestellen, wollen, dass diese schnellen Zugriff auf alle abgelegten Sachen ermöglichen, gleichzeitig aber sehr groß sind und wenig kosten. Das ist natürlich völlig utopisch und wir können deswegen nicht alle Anforderungen gleichzeitig erfüllen. Entweder bauen wir ein großes Regal zu geringen Kosten und büßen dabei an Zugriffsgeschwindigkeit ein oder wir bauen unser Regal optimal für schnellen Zugriff zu hohen Kosten. Dafür wird es nachher um einiges weniger fassen als das große, billige Regal. Aber dieses Problem ist nicht unlösbar. Um unsere Kunden trotzdem zufrieden zu stellen, können wir ihnen einfach mehrere Regale verkaufen, die jeweils für einen anderen Zweck optimiert wurden. Im Rechner nennt man das die Speicherhierarchie.

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Die Speicherhierarchie umfasst Register, Cache und Arbeitsspeicher

Es gibt also nun Regale vom Typ Register, die teuer sind, aber qualitativ hochwertig und einfach zu nutzen, aber auch Regale vom Typ Arbeitsspeicher, die im Vergleich langsam sind und mehr Stauraum bieten. Sie kosten aber um einiges weniger in der Herstellung. Auch das Mittelsegment bedienen wir, indem wir Regale des Typs Cache anbieten. Diese liegen nicht nur im mittleren Preissegment, sondern weisen auch eine mittelmäßige Zugriffszeit und Kapazität auf.

In deinem Rechner werden Aufgaben jeweils den Typen zugeteilt, die am besten für diese geeignet sind. So sind die superschnellen Register direkt dem Steuerwerk zugeordnet und sorgen dafür, dass dieses schneller arbeiten kann. Der Cache ist das Bindeglied zwischen Steuerwerk und Arbeitsspeicher und speichert häufig genutzte Daten, damit nicht jedes Mal auf den Arbeitsspeicher zugegriffen werden muss, um diese zu lesen.  Letzterer ist nicht so einfach zu beschreiben.

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Zusammenwirken der Hierarchielemente

Damit solltest du alles Wichtige zum Thema Speicher wissen. Im nächsten Beitrag erklären wir dir noch mehr dazu!

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