Arbeitsblatt: Speicher

Hardware Lernziele Die Schülerinnen und Schüler können/kennen • den Aufbau und die Verwendung von Speicherkomponenten • verschiedene Architekturen von Speichereinheiten Speicher Neben der Recheneinheit ist bei einem Computersystem der Speicher ein wichtiges Element. Speicher werden mit verschiedenen Technologien in Computersystemen verwendet. Neben magnetischen Speichersystemen (HDD, Magnetband) gibt es blockweise (Flash) und direkt adressierbare (RAM) Speicherarten. Weiteres ordnet man diese als flüchtige und nichtflüchtige Speicher ein. RAM (Random Access Memory) Der Hauptspeicher oder RAM dient als Datenspeicher für den schnellen Zugriff. Dieser wird als IC (Integrated Curcuit) realisiert und ist in verschiedenen Generationsstufen verfügbar. Beim RAM kann jede Speicherzelle über eine Adresse angesprochen werden, wobei bei großen Speicherbausteinen die Adressierung über ein WORT (mehrere Speicherzellen) erfolgt. Die Breite eines Wortes hängt von der Speicherarchitektur des Systems ab (32 Bit, 64 Bit). RAM ist ein flüchtiger Speicher (volatile memory) und benötigt eine aktive Spannungsversorgung sowie eine regelmäßige Auffrischung der Speicherzellen (Refresh). aktuelle Speichertechnologie In aktuellen Systemen werden DDR3 und DDR4 Speicher verwendet. DDR (Double Data Rate) ist die Weiterentwicklung von SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) wobei hier bei steigender und fallender Flanke ein Datenbit gelesen wird. Somit werden 2 Datenbits pro Takt gelesen oder geschrieben. Speichermodule werden in Ranks mit mehreren Speicherchips aufgebaut. Ein Rank ist dabei eine Gruppierung von mehreren Speicherchips. Diese werden in Gruppen Seite 1 von 4 beschaltet und über Adressleitungen angesteuert. Es gibt Single-, Dual- und QuadModule. Zur weiteren Erhöhung der Datenrate wurde Prefetch eingeführt. Prefetch ist die Technologie, mit der mehrere Bits pro Taktzyklus gelesen werden können. Prefetch 8 bedeutet, dass 8 Bit pro Adress-Pin gelesen oder geschrieben werden können. Abbildung 1:Prefetch Beispiel: Bezeichnung am DDR3-RAM: Die Bezeichnung 2Rx8 PC3-12800 bedeutet, dass auf jeder Seite des Moduls 8 Speicherchips mit DDR3 Technologie verbaut sind. Die Übertragungsrate beträgt pro Modul 12,8 GB/s. Die Übertragungsrate berechnet sich aus: (Takt in MHz Speicherbreite Prefetch) 8 Bit Speichertransferrate in MByte/s 2400/8 (300MHz 64 Bit *8)/8 19200 MByte/s 19,2 GB/s SSD Solid State Drive Basiert auf nicht flüchtiger (non- volatile-memory) Speichertechnologie. SSD‘s bestehen aus der Speichereinheit, dem Controller und einer Schnittstelle. Prinzipiell unterscheidet man NOR-Flash und NAND-Flash Speicherzellen. Die größten Unterschiede liegen bei Zugriffsgeschwindigkeit und Speicherdichte. Seite 2 von 4 NOR-Flash wird hauptsächlich für EEPROM oder ROM-Modulen verwendet. Der Zugriff auf die Zellen erfolgt wahlfrei und direkt. Dadurch sind sehr kurze Zugriffszeiten gewährleistet. Die Anordnung der Datenleitungen ist parallel und somit ist ein geringerer Widerstand zwischen Schaltung und Spannungsquelle gegeben. NAND-Flash wird für Massenspeicher verwendet. Die Speicherzellen sind in größeren Gruppen hintereinandergeschaltet und besitzen pro Gruppe nur eine Datenleitung. Schreiben und lesen ist nur blockorientiert möglich. Anwendungsgebiete sind Speicherkarten, USB-Sticks sowie SSDs. Bei höheren Speicherdichten sind günstige Massenspeicher in der Herstellung möglich. Im Vergleich zum NOR-Speicher ist die Schreibgeschwindigkeit hoch und die Energieaufnahme niedrig. Magnetischer Speicher Basiert auf Magnetisierung von Metallbeschichtungen und gewährleistet stabile Zustände der Informationen. Festplatten, (Hard Density Disc, HDD) und Magnetbänder nutzen diese Eigenschaft aus, sind von der Funktionsweise aber verschieden aufgebaut. Die HDD besteht prinzipiell aus einer Spindel, den Magnetplatten, Lese- und Schreibkopf sowie einer Schnittstelle. Die Komponenten befinden sich in einem geschlossenen Metallgehäuse, welches gegen Staub und Schmutz geschützt sein muss. Als Datenspeicher dienen die Metallplatten, auf denen in sehr geringem Abstand der Lese- und Schreibkopf schwebt. Im Kopf befindet sich eine stromdurchflossene Spule die ein Magnetfeld bereitstellt und Bereiche der magnetisierbaren Platte verändert. Beim Lesen der Informationen wird durch das Magnetfeld auf der Platte im Lesekopf eine Spannung induziert. Diese wird verstärkt und als Datenstrom zur Verfügung gestellt. Wichtige Faktoren sind Umdrehungsgeschwindigkeit, Anzahl der Platten sowie die Datendichte auf den Platten. Je höher die Datendichte und je höher die Geschwindigkeit, desto größer ist die Übertragungsrate. Die Zugriffszeit gibt an, in welcher Zeit die Daten geliefert werden können. Seite 3 von 4 Aufgabenstellung Erklären Sie welche Verwendung eine CPU hat. Welche Auswirkungen können Sicherheitslücken bei der CPU haben (Spectre, )? Erläutern Sie den Unterschied zwischen Harvard- und „Von-Neumann-Architektur. Welche Architektur ist gegen Angriffe von Pufferoverflow sicherer und warum? Welche Aufgabe hat der Arbeitsspeicher in einem Computersystem. Welche Technologie wird derzeit verwendet? Erläutern Sie die elementaren Unterschiede zwischen einer SSD und HDD. Warum gibt es Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den beiden Architekturen? Seite 4 von 4