RAM

RAM (Random-Access Memory), auch Arbeitsspeicher

Was ist RAM?

• Der Arbeitsspeicher ist ein kurzzeitiger Speicher, in dem das Betriebssystem alle laufenden Prozesse und Programme zwischenspeichert.
• Lesen Sie diesen Artikel gerade im Browser, belegt dieser ebenfalls etwas Arbeitsspeicher.
• Seit einigen Jahren wird der klassische DDR3-RAM durch DDR4-RAM ersetzt. DDR4 bringt einige Vorteile mit sich[[1]].

Charakteristik

• Die Bezeichnung des Speichertyps als „wahlfrei“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass jede Speicherzelle über ihre Speicheradresse direkt angesprochen werden kann.
• Der Speicher muss also nicht sequenziell oder in Blöcken ausgelesen werden.
• Bei großen Speicherbausteinen erfolgt die Adressierung jedoch nicht über die einzelnen Zellen, sondern über ein Wort, dessen Breite von der Speicherarchitektur abhängt.
• Das unterscheidet das RAM von blockweise zu beschreibenden Speichern, den sogenannten Flash-Speichern.
• Es gibt weitere Speicherarten mit wahlfreiem Zugriff, insbesondere Nur-Lese-Speicherbausteine, sog. ROMs .
• Da die Bezeichnung RAM missverständlich ist, wurde zeitweise versucht, den Namen memory (RWM, Lese-Schreib-Speicher) zu etablieren, der sich jedoch nicht durchsetzen konnte.

Geschichte

• Die Entstehung des Begriffs geht in die Anfangszeit der modernen Computer zurück, bei denen alle Daten auf sequentiell zu lesenden Speicherformen wie Lochkarte oder Magnetbändern vorlagen.
• Zur Verarbeitung werden die Daten in schnelle Register geladen.
• Um Zwischenergebnisse schneller bereitzuhalten, wurden zeitweise Verzögerungsleitungen für Zwischenwerte eingesetzt, bis dann die Ferritkernspeicher eingeführt wurden.
• Diese beschreibbaren Speicher hatten schon die gleiche Form des Matrixzugriffes wie heutige RAMs.
• Zu jener Zeit waren die schnellen Speichertypen alle beschreibbar und die wesentliche Neuerung bestand im wahlfreien Zugriff der magnetischen Kernspeicher und der nachfolgend auf Halbleiterspeichern aufsetzenden RAM-Bausteine.

Arten von RAM

• Random-Access Memory (RAM) ist ein flüchtiges (volatiles) RAM
• Static random-access memory (SRAM)
• Dynamic Random Access Memory (DRAM)
• Synchronous Dynamic RAM (SDRAM, DDR-SDRAM usw.)

Technische Umsetzungen

• „flüchtig“ (volatil),
  • Daten gehen nach Abschaltung der Stromzufuhr verloren.

Synchroner dynamischer RAM (SDRAM)

• SDRAM ist der mit am häufigsten genutzte Arbeitsspeicher bzw. Hauptspeicher in Computersystemen.
• Zudem hat SDRAM die Eigenschaft, dass er seine Schreib- und Lesezugriffe am Systemtakt orientiert.
• Das bedeutet, er arbeitet synchron mit dem Speicherbus.
• Die synchrone Arbeitsweise vereinfacht und beschleunigt die Ansteuerung des Speichers.
• SDRAM kann programmiert und so die Art des Zugriffs gesteuert werden.
• Auf die Weise lässt sich SDRAM an jede Anwendung anpassen.

NVRAM

Kann Information auch ohne Stromzufuhr erhalten (nicht volatil)

Dynamisches RAM (DRAM)

DRAM-Chip

• DRAM Speicherzellen werden aus einem Transistor und einem Kondensator aufgebaut
• DRAMs haben eine höhere Integrationsdichte als SRAMs und erlauben daher größere Speicher auf gleicher Chipfläche.
• DRAM Speicher muss in regelmäßigen Abständen (<2 ms) aufgefrischt werden, da die Kondensatoren sich ständig (dynamisch) entladen
• DRAMs sind mit Lese- und Schreibzeiten im Bereich von 10-100 ns deutlich langsamer als SRAMs
• DRAM Speicher ist wegen der hohen Integrationsdichte und des einfacheren Aufbaus wesentlich billiger als SRAM Speicher
• DRAM Speicher werden vorwiegend als Standardspeicherbausteine wie z. B.  als Hauptspeicher eingesetzt

Statisches RAM (SRAM)

• Statisches RAM (SRAM) bezeichnet meist kleinere elektronische Speicherbausteine im Bereich bis zu einigen MiBit.
• Als Besonderheit behalten sie ihren Speicherinhalt, welcher in ihnen gespeichert wird, ohne laufende Auffrischungszyklen.
• Es genügt das Anliegen einer Versorgungsspannung.
• Von diesem Umstand leitet sich auch die Bezeichnung ab, da es selbst spannungslos über Jahre seinen Zustand nicht ändert.
• SRAM benötigt deutlich mehr Bauelemente (und Chipfläche) als DRAM
• Konkret sechs bis acht Transistoren je Speicherbit gegenüber einem (plus einem Speicherkondensator) in einer DRAM-Zelle.
• Ist daher für große Speichermengen zu teuer.
• Es bietet jedoch sehr kurze Zugriffszeiten und benötigt keine Refresh-Zyklen wie bei DRAM.
• Anwendungen liegen beispielsweise im Computer als Cache und bei Mikrocontrollern als Arbeitsspeicher vor.
• Sein Inhalt ist flüchtig, d.h. die gespeicherte Information geht bei Abschaltung der Betriebsspannung verloren.
• In Kombination mit einer Pufferbatterie kann aus dem statischen RAM eine spezielle Form von nicht flüchtigem Speicher NVRAM realisiert werden.
• SRAM-Zellen ohne Zugriffzyklen haben nur einen sehr geringen Leistungsbedarf und die Pufferbatterie kann über mehrere Jahre den Dateninhalt im SRAM halten.
• Die Lesezeit beträgt ~1-10 ns

Ansteuerung von RAM-Chips

• Je nach Typ von RAM-Baustein erfolgt die Ansteuerung synchron zu einem Taktsignal oder asynchron ohne Takt.
• Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass bei der asynchronen Variante die Daten erst nach einer bestimmten, bausteinabhängigen Laufzeit zur Verfügung stehen bzw. geschrieben sind.
• Diese, unter anderem materialabhängigen, zeitlichen Parameter weisen Exemplarstreuungen auf und sind von verschiedenen Einflüssen abhängig, weshalb bei asynchronen Speichern der maximale Durchsatz stärker limitiert ist als bei synchronen Speicheransteuerungen.
• Bei synchronen Speichern wird die zeitliche Ausrichtung der Steuersignale durch ein Taktsignal festgelegt, wodurch sich deutlich höhere Durchsatzraten ergeben.
• Synchrone RAMs können sowohl statische als auch dynamische RAMs sein.
• Beispiele für synchrone SRAMs sind Burst-SRAMs oder ZBTRAMs.
• Bei den dynamischen RAMs sind die seit Ende der 1990er Jahre üblichen synchronen SDR-SDRAM und deren Nachfolger, die DDR-SDRAMs als Beispiel zu nennen, während die
• Davor übliche stellen DRAMs wie Extended Data Output Random Access Memory (EDO-DRAMs) asynchrone DRAM-Bausteine dar.
• Ein RAM-Chip weist mindestens eine bidirektionale (nämlich durch den R/W-Pin gesteuerte) Datenleitung auf.
• Oft findet man auch 4, 8 oder 16 Datenpins, je nach Auslegung.
• Die Kapazität eines Chips in Bit ergibt sich dann durch die Datenbusbreite mal der Anzahl der möglichen Adresswerte .

Spannungversorgung

Die Versorgungsspannung von SDRAMs zeigt folgende Tabelle:

Typ	Spannung (V)
SDRAM	3,3
DDR-SDRAM	2,5
DDR2-SDRAM	1,8
DDR3-SDRAM	1,5
DDR3-SDRAM LV	1,25
DDR4-SDRAM	1,20
DDR4-SDRAM LV	1,05

Links

Weblinks

1. https://de.wikipedia.org/wiki/Random-Access_Memory
2. https://hardwarevergleich24.de/ddr3-vs-ddr4-was-ist-besser/

Bildnachweis

1. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/