Hardware-Grundlagen: Arbeitsspeicher oder auch RAM genannt

Der Arbeitsspeicher eines Computers befindet sich in der Speicherhierarchie zwischen dem Prozessor und der Festplatte. Das gilt auch für den Aufbau. Der Prozessor besteht aus dem Cache und der CPU. Über den Cache greift der Prozessor primär und fortlaufend auf den Arbeitsspeicher zu. Hier findet er die benötigen Programme und Daten. Dazu zählen beispielsweise das Betriebssystem und die Anwendungsprogramme.

Sind die vom Prozessor angeforderten Informationen noch nicht im Arbeitsspeicher oder Cache, so ergehen die Schreib- und Lesebefehle an die Festplatte. Diese transferiert die benötigen Daten an den Arbeitsspeicher oder Cache. Die Größe des Arbeitsspeichers beeinflusst dabei maßgeblich die Leistungsfähigkeit des Computers.

Besonders wichtig ist die Relation zwischen der Zugriffsgeschwindigkeit und der Speichergröße. Umso schneller eine Einheit arbeitet, desto kleiner ist ihr Speicherplatz. Umgekehrt gilt die folgende Schlussfolgerung. Ein großer Speicher benötigt auch eine längere Zugriffsgeschwindigkeit. Aber was versteht man unter diesem Begriff?

Der Arbeitsspeicher sendet den Schreib- oder Lesebefehl an die Festplatte. Die Festplatte führt diesen Befehl aus. Sie stellt die Daten bereit. Um diesen Prozess anzustoßen, benötigt die Festplatte Zeit. Diese Zeiteinheit bezeichnet man als Zugriffsgeschwindigkeit.

Genauso wichtig ist die Datenrate. Sie definiert die Menge an Bits, die innerhalb einer bestimmten Zeit über einen Datenkanal geleitet wird. Diese Zeit wird in Bits pro Sekunde gemessen. Auch hier ist der Arbeitsspeicher schneller als die Festplatte.

Speicherhierarchie nach Zugriffsgeschwindigkeit:

  • CPU mit Register
  • Cache
  • Arbeitsspeicher 100.000-fache Zugriffsgeschwindigkeit gegenüber der Festplatte, 300-fache Datenrate gegenüber der Festplatte
  • Festplatte

Speicherhierarchie nach Speichergröße:

  • Festplatte 1000-fach größerer Speicher gegenüber dem Arbeitsspeicher
  • Arbeitsspeicher
  • Cache
  • CPU

Wie funktioniert der Arbeitsspeicher?

Arbeitsspeicher bzw. RAM-Module

Der Arbeitsspeicher besteht aus den RAM- und ROM-Bausteinen. RAM steht für Random Access Memory. Er verarbeitet die Daten, die sowohl gelesen als auch beschrieben werden. RAM oder Random steht auch für die Wahlfreiheit, mit der auf jede beliebige Speicherzelle des Arbeitsspeichers zugegriffen werden kann. Der Aufbau der Speicherzellen wird unten thematisiert.

Den RAM gibt es als flüchtigen und nicht flüchtigen Speicher. Ein flüchtiger RAM verliert sofort die gespeicherten Informationen, wenn ihm die elektrische Spannung entzogen wird. Diesen RAM-Baustein nennt man auch VRAM. V steht hier für flüchtig oder volatil. Es gibt ihn auch als NVRAM, das heißt, dass er die ihm übergebenen Daten auch bei Stromausfall behält. Das N bedeutet hier nicht flüchtig.

Vom VRAM leiten sich der SRAM sowie der DRAM ab. Ein SRAM (Static RAM) ist schnell und teuer. Es wird im Cache verwendet.

Für den Arbeitsspeicher des Computers empfiehlt sich der günstigere DRAM oder Dynamic RAM. Es handelt sich um einen dynamischen Speicher. Aufgrund seiner Struktur muss er in kurzen Taktzyklen mit Strom versorgt werden, damit er seine Daten nicht wieder verliert. Diese Auffrischungen wirken sich negativ auf die Datenübertragungen aus. Sie vermindern seine Geschwindigkeit. Der geringe Umfang und die vielseitige Ausbaufähigkeit gleichen diesen Nachteil des DRAM aber aus.

Jeder Arbeitsspeicher besteht aus Speicherzellen. Diese haben unterschiedlich breite Strukturen. Eine Speicherzelle umfasst beispielsweise acht Bits. 8 Bits sind auch ein Byte. Jeder dieser Speicherzellen ordnet das System eine Adresse zu. Diese wird aus den Binärzahlen O oder 1 gebildet. Über die Adresse kann das System die Speicherzelle und die darin enthaltenen Informationen finden.

In diesem Beispiel sind es die oben genannten acht Bits. Umso mehr Bits und Bytes zur Verfügung stehen, desto mehr Speicherzellen können gebildet werden. Auf diesem Weg entstehen auch mehr Adressen, die sich mit Inhalten füllen lassen.

Verfügt der Arbeitsspeicher beispielsweise über 32 Bits, so sind 2 hoch 32 Adressen möglich. Der nächste Punkt betrifft die Breite der Speicherzelle. Diese ist hier 8 Bits groß. Im nächsten Schritt multipliziert man die 8 Bits mit der möglichen Anzahl an Adressen. Als Ergebnis liest man 4 GByte ab. Die Größe eines durchschnittlichen Arbeitsspeichers.

Doch wie sieht die technische Basis eines DRAM Arbeitsspeichers aus?

Die zentrale Leitung ist die Wordline. Sie steuert einen Transistor. Dieser schaltet den zugehörigen Kondensator ein- und aus. Der Kondensator hingegen hält unter der Stromspannung die benötigen Daten. Er kennt nur die Zustände 0 und 1. Verliert er seine elektrische Spannung, dann wird er flüchtig. Die Daten sind weg.

Im nächsten Schritt fasst man die Speicherzellen in Speicherzeilen zusammen. Diese werden an die Wordline angeschlossen. Mehrere Speicherzeilen ergeben ein Speicherfeld. Fasst man die Speicherfelder zusammen, so bekommt man eine Speicherbank. Aus dem Zusammenschluss von Speicherbanken entsteht der Speicherchip. Ihn setzt der Computerspezialist auf das Mainboard und stellt die Verbindungen zu den anderen Komponenten her.

Anders funktioniert ROM (READ ONLY MEMORY). Auf seine Inhalte kann nur lesend zugegriffen werden. Die gespeicherten Informationen lassen sich also nicht im laufenden Betrieb verändern. Ein Anwendungsbeispiel wäre das BIOS.

Der Systembus verbindet die CPU, den Cache, den Arbeitsspeicher sowie die Festplatte miteinander. Er besteht aus dem Daten-, Adress- und Steuerbus. Diese Komponenten entscheiden auch über Effektivität des Arbeitsspeichers.

Wie lässt sich der Datentransfer des Arbeitsspeichers beschleunigen?

In den flüchtigen Arbeitsspeicher können nur begrenzt Daten temporär eingelesen werden. Meistens werden unterschiedliche Anwendungen und Websites zeitgleich geöffnet. Beim Wechsel zwischen den Seiten und Programmen treten Verzögerungen auf. Sie lassen sich nicht mehr öffnen. Der Speicherprozess wird unterbrochen. Auch die Verbindung zum Browser geht verloren.

Über den Task-Manager lässt sich die Auslastung des Arbeitsspeichers prüfen. Hat er seine Kapazität ausgeschöpft, sollte man den flüchtigen Speicher komplett löschen. Das kann über die Funktionen des Task-Managers erfolgen. Alternativ beendet man alle Anwendungen und fährt den Computer herunter.

Zusätzlicher Arbeitsspeicher beschleunigt den Datenaustausch. Auch der Einbau des Arbeitsspeichers ist einfach und kann von jedem selbst erledigt werden. Vor dem Kauf werden die technischen Angaben des Arbeitsspeichers und Mainboards benötigt. Mit diesen Informationen kann man sich dann passende RAM-Module online kaufen* und den Arbeitsspeicher des eigenen Rechners aufstocken. Mehr Arbeitsspeicher ist die wirkungsvollste Tuningmaßnahme für einen PC.