Theorie
 
 
 
 
 
Computertechnik
 
 
 
 
 
.. Stichwort: Speicherbausteine
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Der Zentralbaustein eines Computers, die CPU, benötigt in schneller, taktgesteuerter Abfolge und ohne Unterbrechung Befehle. Diese bestimmen, was im nächsten Arbeitsschritt zu tun sei. Bei einer CPU gibt es keinen Taktschlag, bei dem sie nicht einen Befehl lädt und ihn ausführt, es sei denn sie ist defekt.
Nun ist kein Mensch in der Lage, einige Millionen Befehle pro Sekunde per Schalterpaneel zu erzeugen. Deswegen ist jeder CPU ein Speicher beigefügt, in welchem die auszuführenden Befehle, in wohl sortierter Abfolge, abgelegt sind. Die CPU holt sie sich Schritt für Schritt aus dem Speicher und führt sie aus.
Gäbe es für die CPU nur die Möglichkeit des linearen Aufrufs aufeinanderfolgender Speicherzellen, würde allerdings auch der umfangreichste Speicher die CPU nur wenige Sekunden in Arbeit halten. Da es der CPU jedoch möglich ist den Startpunkt des Lesevorgangs im Speicher zu ändern, können Schleifen gebildet werden, welche die Leseabfolge der Befehle beliebig lange hinziehen können. Daraus ergibt sich, dass alle Programme letztlich in einer Endlosschleife enden müssen. Häufig ist das die Eingabeaufforderung des Betriebssystems.

Neben dieser hauptsächlichen Aufgabe eines Speichers, nämlich die CPU mit Befehlen eines Programms zu versorgen, kann die CPU ihrerseits Arbeitsergebnisse in dem Speicher ablegen. Diese abgelegten Werte nennt man Daten. Dabei sind die Daten, genau wie die Befehle elektrische Zustände des Speichers, welche die CPU nicht voneinander zu unterscheiden weiss.
Sollte die CPU also ihre Befehle aus einem Bereich schöpfen, die ein Programmierer als Daten, .. z.B. 'Brief an Papa', einstuft, so würde das der Grundregel entsprechen, dass die CPU nach dem Einschalten immer arbeitet. Sie würde jeden gefundenen Speicherinhalt als Befehl interpretieren und abarbeiten. Dass dabei nicht zwingend etwas sinnvolles herauskommt ist sicher .. und der Beobachter könnte meinen, sein Computer sei abgestürzt, .. was aber mit Sicherheit nicht die Bearbeitung von Befehlen durch die CPU betrifft.

Speichertypen

In jedem Computer stecken mindesten zwei grundlegende Speichertypen. Einmal die flüchtigen RAM- und zum anderen nicht löschbaren ROM-Speicher. Zunächst zu ihren Eigenschaften ...

 

 

 

 

 

RAM
Random Access Memory. Bei diesem Speicher handelt es sich um einen schnellen, zum Lesen und Beschreiben durch die CPU geeigneten Speicher. Sein entscheidender Nachteil ist, dass er all seine Inhalte verliert, sobald die Spannungsversorgung ausgeschaltet wird.
Wird dieser Speicher wieder eingeschaltet, besitzt er mehr oder minder undefinierte Werte, die nichts mehr mit dem zu tun haben, was von dem Abschalten der Spannung, in ihm abgelegt wurde. Dieser Speicher eignet sich nicht für den Startmoment einer CPU, denn diese wird in ihm kein Programm finden, .. was aber zwingend sein muss, damit die CPU arbeiten kann.

RAM-Speicher gibt es in zwei Varianten ..

 

 

 

.. dynamischer RAM

 

 

 
Bei ihm bestehen die eigentlichen Speicher aus Kondensatoren. Diese werden für eine log 1 aufgeladen und für eine log 0 entladen. Da die hierfür benutzten integrierten Mikrokondensatoren ihre Ladung sehr schnell verlieren, muss eine zusätzliche, von der CPU unabhängige Schaltung, in kurzen Zeitabständen die teilentladenen Kondensatoren wieder aufladen. Diese Schaltung nennt man Refresh (Auffrisch)-Schaltung. Versagt sie, so hat ein dynamischer RAM seinen Speicherinhalt in wenigen µs vergessen, auch wenn er unter Spannung steht.

Der Nachteil dieses Speichers liegt auf der Hand. Es ist der technische Aufwand für die Refresh-Schaltung, die neben der CPU auf den Speicher zugreifen muss. Andererseits lassen sich sehr viele Speicherzellen auf einem Chip integrieren und die Zugriffszeiten auf Speicher dieses Typs sind sehr kurz.

 

 

 

.. statischer RAM

 

 

 

Statische RAM-Speicher beinhalten die aus der Digitaltechnik bekannten D-Flip-Flops. Sie stellen einen robusten, für Störungen unanfälligen, allerdings nicht übermässig schnellen Speichertyp dar, der gerne in der computergestützten Steuerungs-und Regelungstechnik verwendet wird. Hier sind die benötigten Mengen an RAM-Speicher nicht so gross wie bei PCs und die Betriebssicherheit steht im Vordergrund. Die Anzahl auf einem Chip integrierbarer Speicherzellen ist bei statischem RAM wesentlich kleiner als bei dynamischem RAM.

 

 

 

 

 

ROM

Read Only Memory ist in Bezug auf die CPU nur zum Lesen geeignet. Die CPU kann diesen Speichertyp nicht beschreiben, oder nur unter so grossem zeitlichen Aufwand, so dass es im Normalbetrieb der CPU unterbleibt.

Der Lesevorgang eines ROM ist nicht so schnell wie beim RAM, dafür behalten ROM-Speicher ihre Inhalte auch dann, wenn sie keine Spannungsversorgung mehr besitzen. Nach dem Einschalten der Spannungsversorgung findet die CPU sofort definierte Inhalte, die typischerweise ein Programm ausmachen. Dementsprechend wird sich im Bereich der Resetadresse (Startadresse) eines Computers ein ROM-Speicher befinden mit dessen Programm die CPU ihre Arbeit aufnimmt.

 

 

 

.. maskenprogrammierter ROM

 

 

 

Maskenprogrammierte ROM's erhalten ihre Speicherinhalte bei der Herstellung eingeschrieben und können hernach wirklich nur noch gelesen werden. Nach ihrer Herstellung ist keine Änderung ihrer Speicherinhalte mehr möglich. Dementsprechend eignen sie sich nur für sehr grosse Stückzahlen bei gleichbleibendem Programminhalt, was sie preisgünstig macht.

 

 

EPROM
Electrically Programmable Read Only Memory

 

 

 

Diesen Speicher kann eine CPU auch nur lesen, jedoch kann sein Inhalt später mit ultraviolettem Licht gelöscht werden. In einem zweiten Verfahren, können nach dem Löschvorgang neue Daten in den Speicher übertragen werden. Hierzu ist ein zusätzliches Gerät notwendig, das EPROM-Brenner genannt wird.

 

 

 

OTP EPROM

 

 

 

Im Gegensatz zum normalen EPROM kann ein One time programmable EPROM nur einmal gebrannt werden. Er kann nicht durch ultraviolettes Licht wieder gelöscht werden.

 

 

EEPROM

FEPROM

Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory

Flash -ROM

 

 

 

EEPROM und FlashROM basieren auf der gleichen Technik. In ihrem Fall kann die CPU den Speicherinhalt lesen, aber auch löschen und neu beschreiben. Allerdings ist die Zeit zum Löschen und Beschreiben einer Speicherzelle um den Faktor 1000 länger als der Lesevorgang. Sie liegt im Millisekundenbereich, was viel zu langsam ist für die typische Arbeitsgeschwindigkeit einer CPU. So werden EEPROM und FlashROM zu den ROM-Typen gezählt. Aber wie gesagt, es geht. Die CPU kann diese Bausteine beschreiben. Man macht von dieser Möglichkeit bei PCs allerdings nur während notwendiger Serviceeingriffe am Computer Gebrauch, oder wenn bei batteriegetriebenen Computern oder in der computergestützten Steuer- und Regelungstechnik Daten sicher abgelegt werden müssen.

Der Unterschied zwischen EEPROM und FlashROM liegt in der Anzahl der in einem Moment zu beschreibenden Speicher. Während bei einem EEPROM jeder Speicher einzeln beschrieben werden kann, werden bei einem FlashROM die zu schreibenden Daten zunächst in einem RAM gesammelt und dann als Datenblock abgespeichert. Das geht etwas schneller, als die Einzeldatenablage beim EEPROM.

Ein schwerer Nachteil der EEP- und FEPROMs ist die Begrenzung der Schreibzyklen einer Speicherzelle auf einige 100.000. Alle bisherigen Speichermedien konnten beliebig oft gelesen und beschrieben werden. Hier sind dem EEPROM und dem FlashROM Grenzen gesetzt. Auch wenn sich 100.000 Schreibzyklen nach 'sehr viel' anhört, kann es, bei der Speicherung von sich schnell ändernden Daten auf ihnen, schnell zur Überschreitung der Grenze kommen. Würde jede Sekunde ein Datum gespeichert werden, so liefe der Speicher bereits nach 27-28 Std Gefahr, sein Schreiblimit zu erreichen. Beim Flash-ROM der SC1x Webserver sind nur 10.000 Schreibzyklen garantiert. Dem entsprechend sollte eine Speicherung von schnell fluktuierenden Daten, auf dem virtuellen RAM-Laufwerk C:\ vorgenommen werden.

 

 

 

 

 
Nach dieser Auflistung der Eigenschaften von Speichern wird klar, wo und warum ein bestimmter Speichertyp in Computern eingesetzt wird. Ein idealer Massenspeicher mit schnellen Zugriffzeiten und zur Aufbewahrung eines abzuarbeitenden Programms ist der dynamische RAM. Er macht typischerweise den Grossteil eines Computers aus. Damit allerdings die CPU nach dem Einschalten ihre Arbeit beginnen kann muss sie einen ROM-Speichertyp vorfinden. In ihm befindet sich die Bootsoftware (das BIOS) oder sogar das komplette Betriebssystem.

Bei neueren Computerboards wird dieser ROM als EEPROM oder als FlashROM ausgeführt sein. Beide ROM Varianten ermöglichen ein Update der Bootsoftware des Computers dadurch, dass sie von der CPU mit neuen Inhalten beschrieben werden können. Dieses Beschreiben des ROMs ist allerdings im Normalfall nicht häufig notwendig.

 

 

 

 
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