Speicher - Uni-Notizen

Digitale Speicher

Register in CPU enthalten die Daten, auf die die CPU sofort zugreifen kann
sind genauso schnell getaktet wie die CPU
nehmen unmittelbare Operanden und Ergebnisse aller Berechnungen auf
Kapazität so groß wie Wortgröße des Prozessorkerns (8, 16, 32, 64 Bit)
- in der Regel =< 1KB
Was gespeichert wird entscheiden laufende Programme

kleiner schneller Speicher (SRAM)
Zentraler Idee der Speicherhierarchie
Speicherpyramide
- Speicher auf Level K
- ist Cache für langsameren Speicher auf Level K+1

Cache

enthält Kopien von Teilen des Arbeitsspeichers um Zugriff zu beschleunigen
oft auf Ebene 2 oder 3 verteilt
- First Level Cache
  - der CPU am nächsten
  - in CPU-Architektur integriert
  - 4BK bis 256KB
- Second Level Cache
  - langsamer und größer
  - befindet sich auf Motherboard
  - 256KB bis 4 MB
derzeitige Entwicklung
- Second Level Cache immer mehr in CPU-Architektur Integriert
- Externer Cache oft Third Level Cache dann
  - 1MB bis 16MB
Welche Daten im Cache gehalten werden ist abhängig von Lokalität
- Zeitliche Lokalität
  - Daten auf die mehrmals in kurzen Zeiträumen zugegriffen wird
  - Bsp. Schleifen
  - ältere Daten werden verdrängt, Verdrängung
- Räumliche Lokalität
  - Wahrscheinlichkeit das Daten in benachbarten Adressbereichen zusammengehören ist groß
  - also speicher Caches keine Bytes sondern Adressbereiche, Cache-Block
Verwendung von Caches in den letzten 20 Jahren
- kein Cache
- L1-Cache als RAM beim CPU-Chip
- L1-Cache auf CPU-Chip, L2-Cache auf CPU-Modul
- L1 und L2-Cache auf CPU-Chip
Neue Architekturen haben drei Level
- Level 1 (L1) Cache: Cache innerhalb des CPU-Chips
- Level 2 (L2) Cache: 2. Cache im CPU-Chip/Modul
- Level 3 (L3) Cache: zwischen CPU und Bus
CPU-Modul
- kleine Karte mit CPU und Cache-Chips, die wie SIMM/DIMM/RIMM in einen Slot gesteckt werden

Beim ersten Zugriﬀ auf ein Datenelement, wird eine Kopie erzeugt, die entlang der Speicherhierarchie nach obe- wandert
Wird das Datenelement verändert, müssen die Änderungen irgendwann nach unten durchgereicht (zurückgeschrieben- werden
Beim zurückschreiben, müssen die Kopien des Datenblocks auf allen Ebenen aktualisiert werden, u- Inkonsistenzen zu vermeiden
Änderungen können nicht direkt auf die unterste Ebene (zum Original) durchgereicht werden!

Cache Funktionsweise

Beispiel CPU liest Datum
- Cache prüft ob Datum da ist
  - ja, Datum wird übermittelt, cache hit
  - nein, Datum wird aus RAM geladen, in den Cache gebracht und an CPU geliefert, *cache miss
- Beim Laden, werden Daten bestimmt die aus Cache entfernt werden müssen
Beispiel CPU schreibt Datum
- Datum wird vom Cache übernommen
- Write back
  - Schreibzugriffe werden nicht direkt auf tiefe Speicherebene geschrieben
  - es kommt zu Inkonsistenz zwischen Daten im Cache und zu cachendem Speicher
  - Daten werden erst geschrieben wenn Datenblock aus Cache verdrängt wird, zurückschreiben
  - Vorteil: hohe Systemgeschwindigkeit
  - Nachteil: Daten können bei Systemausfall verloren gehen
- Write-Through
  - Schreibzugriffe werden sofort an tiefe Speicherebene geschrieben, durchschreiben
  - Vorteil: Daten sind gesicherter
  - Nachteile: Langsameres System

Cache-Strategien

Hauptspeicher auch Arbeitsspeicher oder RAM (Random Access Memory)
Speicher mit wahlfreiem Zugriff
Größe von MB bis GB
Alle Anfragen der CPU die nicht im Cache beantwortet werden können, werden dort hingeleitet
Direktzugriffsspeicher

Halbleiterspeicher

Statischer RAM - SRAM
- Speichereinheit in FlipFlops
  - elektronische Schaltung die stabile Zustände einnehmen kann, sofern Strom fliesst über eine unbegrenzte Zeit
- hohe Integrationsdichte
  - Schnelle Zugriffszeit, 6 bis 100ns
  - Teuer
  - Speichergröße relativ klein
Dynamischer RAM - DRAM
- Speichereinheit sind Kondensatoren
  - werden regelmäßig geladen
  - Inhalte werden beim Auslesen zerstört und wieder hergestellt, refresh
- Langsame Zugriffszeit, >50ns
- Billig
- hohe Speichergröße
Geschwindigkeit des RAMS aber letztendlich durch Speicherzellen bestimmt
Verschränkung = Interleaving = Verfahren, bei dem unterschiedliche DRAMs für aufsteigende Adressen verwendet werden, damit sich die DRAMs während späteren Speicherzugriffen erholen können, sofern die CPU linear aufwärts auf die Zellen zugreift.

mehrere RAM-Chips mit Controller werden auf PCBs (Printed Circuit Boards) montiert, werden Riegel genannt
Module werden auf Hauptplatine installiert
Automatische Fehlererkennung und Korrektur
- ECC, Error Correction Code
- Vorteile
  - Hohe Flexibilität
  - Leichte Erweiterung, Reparatur
- Nachteile
  - reduzierte Geschwindigkeit durch lange Leitung
  - reduzierte Geschwindigkeit durch Steckplatz
RAM-Leistung
- Die Systematik der Bezeichnungen der DIMM wurden aus Marketing-Gründen mehrfach geändert.
- Bei „PC66“, „PC133“ etc. bezieht sich die Zahl auf den maximalen Takt in MHz.
- Bei „PC800“ etc. bezieht sich die Zahl auf die maximale Busgeschwindigkeit.
- Wichtig ist auch die maximale Transferleistung, die vom Takt, aber auch von der Busbreite sowie die Anzahl de- Transfers pro Takt abhängt.
- Daher lassen sich die einzelnen RAM nicht so ohne weiteres vergleichen.

Festwertspeicher
kann nur ausgelesen werden
nicht flüchtig
Verwendung bei eingebetteten Systemen
1x beschreibbar
- ROM = Read Only Memory: Speicherinhalt wird bei der Herstellung des Chips gleich (mit der Maske) gesetzt
- Lohnt sich nur in großen Stückzahlen
- PROM = Programmable ROM: Speicherinhalt wird einmal elektrisch geschrieben (programmiert) und kann anschließend nicht mehr geändert werden
Mehrfach beschreibbar
- EPROM = Erasable PROM: Speicherinhalt kann durch starkes UV-Licht gelöscht und anschließend elektrisch programmiert werden.
- Chips haben ein Quarzfenster zum Löschen, das während des Gebrauch abgedeckt sein sollte.
- Offenes Fenster: Neonlicht löscht innerhalb 3 Jahren, Sonnenlicht innerhalb einer Woche