Virtueller und physischer Arbeitsspeicher

Diesen Speicher nennt man auch Swapspeicher.Um den physischen Arbeitsspeicher zu erweitern, können moderne Betriebssysteme zusätzlichen (virtuellen) Arbeitsspeicher auf Massenspeichern allokieren.

Teile dieses virtuellen Speicherraumes – eine oder mehrere Speicherseiten – werden dabei entweder auf physikalisch vorhandenem RAM oder auf dem Swapspace abgebildet.Um diese Erweiterung transparent zu realisieren, bedient man sich eines virtuellen Speicherraumes, in dem sowohl der physische als auch der virtuelle Speicher vorhanden sind. Die Nutzungsrate der einzelnen Seiten bestimmt, welche Speicherseiten ausgelagert und nur auf Massenspeichern und welche im schnellen RAM existieren. Diese Funktionen werden von heutigen CPUs unterstützt, wobei die Menge des unterstützten Gesamtspeichers im Laufe der Entwicklung deutlich gestiegen ist.

Swapspeicher stellt eine sehr preiswerte, aber mit extrem schlechter Performance verbundene Erweiterung des physikalischen Arbeitsspeichers dar. Ein Missverhältnis ist an häufigem „Swappen“, also dem Verschieben von Daten zwischen Massen- und physischem Arbeitsspeicher leicht zu erkennen.

Geschichte

Die ersten Computer hatten keinen Arbeitsspeicher, nur einige register, die mit derselben Technik wie das Rechenwerk aufgebaut waren, also Röhren oder Relais. Programme wurden auf gänzlich anderen Medien, wie zum Beispiel LochKarten, gespeichert.

Für heutige Verhältnisse ist er sehr groß und in der Herstellung auch sehr teuer. Der Speicher war nichtflüchtig, die information ging jedoch beim Lesen verloren und wurde anschließend von der Ansteuerungslogik sofort wieder zurückgeschrieben. Diese waren in einer kreuzförmigen Matrix aufgefädelt, wobei sich je eine Adressleitung und eine Wortleitung in der Mitte eines Ferritkerns kreuzten.Später wurden Magnetkernspeicher eingeführt, die die information in Form kleiner Ferritkerne speicherten. Daneben wurde kein Strom verbraucht, solange der Speicher nicht beschrieben oder gelesen wurde. Ein typischer GroßComputer wie die Telefunken TR440 konnte Ende der 1970er Jahre Kernspeicher mit 192.000 Worten à 48 Bit, also über 1 MByte haben.

Programme und Daten liegen in diesem Modell aus Sicht des prozessors im selben Speicher, die heute am weitesten verbreitete Von-Neumann-Architektur wurde eingeführt.Der Kernspeicher war groß genug, das aktuell auszuführende Programm zunächst von einem externen Medium in den Arbeitsspeicher zu laden und alle Daten zu halten.

Zum anderen ermöglichte es den Bau von HeimComputern, deren Videologik einen Teil des Arbeitsspeichers als Bildschirmspeicher verwendete und parallel zum prozessor darauf zugreifen konnte. Dies ermöglichte zum einen die Einführung von Prozessoren mit sehr wenigen registern wie dem MOS Technologies 6502 oder dem Texas Instruments TMS 9000, die ihre Berechnungen größtenteils im Arbeitsspeicher durchführten. Typische Größen waren integrierte Schaltungen (IC) mit 1 Kibibit, wobei jeweils acht ICs gemeinsam adressiert wurden. Solche Speicher verbrauchen immer Strom. Zunächst als Flipflop, das mindestens zwei, mit Ansteuerlogik aber bis zu sechs Transistoren benötigt und relativ viel Chipfläche verbraucht.Mit Einführung der Mikroelektronik wurde der Arbeitsspeicher zunehmend durch integrierte Schaltungen (Chips) ersetzt. Die Zugriffszeiten lagen bei einigen 100 Nanosekunden und waren schneller als die prozessoren, die um ein Megahertz getaktet waren.

Durch die höhere Integration in den 1980er jahren konnte diese Refreshlogik preiswert aufgebaut werden. Dies geschieht durch eine externe Logik, die den Speicher periodisch ausliest und neu zurückschreibt (Refresh). Der Kondensator verliert die information allerdings langsam, die information muss daher in Abständen von einigen Millisekunden immer wieder neu geschrieben werden. Sie können sehr klein aufgebaut werden und benötigen sehr wenig Leistung.Ende der 1970er wurden dynamische Arbeitsspeicher entwickelt, die die Information in einem Kondensator speichern und nur noch einen zusätzlichen Feldeffekttransistor pro Speicherbit benötigen. Typische Größen in den 1980ern waren 64 Kibibit pro IC, wobei jeweils acht Chips gemeinsam adressiert wurden.

Die prozessoren werden heute nicht mehr im Megahertz, sondern im Gigahertz-Bereich getaktet, dadurch sind Maßnahmen erforderlich, die durchschnittliche Zugriffszeit pro Bit zu verkürzen.Die Zugriffszeiten der dynamischen RAMs liegen bei preiswertem Aufbau ebenfalls bei einigen 100 Nanosekunden und haben sich seitdem nur wenig verändert, die Größen sind jedoch auf einige Gibibit pro Chip gewachsen.

Aus diesem Grunde werden sowohl die Taktrate der Anbindung des Arbeitsspeichers an den prozessor (siehe Front Side Bus) als auch die Größe des Cache erhöht.