|
|
01.
AUFGABEN & AUFBAU EINES DATEISYSTEM
02.
DATEISYSTEME FÜR FESTPLATTEN & DISKETTEN
03.
DATEISYSTEME FÜR CD´S
04.
DATEISYSTEME FÜR DVDS
05.
STREAMER
06.
GLOSSAR
07.
QUELLENVERZEICHNISS
1. Aufgaben & Aufbau eines Dateisystem
Aufgaben eines Dateisystems:
• Zugriff
auf das Speichermedium
• Verwaltung des belegten und freien Speicherplatzes
• Verwaltung von vorhandenen Verzeichnissen und Dateien
• Kontrolle, wo die unterschiedlichen Teile einer Datei auf dem Datenträger
gespeichert werden
Speicherverwaltung eines Datenträgers
Der Datenträger wird
in Spuren und Sektoren unterteilt. Die Spuren werden mit Versatz durchnumerieret,
dies nennt man auch Interleave oder Sektorversatz. Damit hat der Lesekopf der
Festplatte die Möglichkeit den Datenträger schneller zu lesen und
nicht immer eine Umdrehung warten muß, bis die passende Nummer da ist.
Mehrere Sektoren bilden ein Cluster, die Größe des Clusters können
Sie je nach Festplattengröße und Betriebsystem selber bestimmen.
Aber je größer die Cluster sind, desto mehr ungenutzter Festplattenplatz kann entstehen. Wenn Sie eine Datei Speichern, die drei Cluster in Anspruch nimmt der dritte Cluster aber nicht ganz voll ist, können Sie diesen dritten Cluster nicht für weitere Dateien verwenden. Je kleiner aber die Cluster sind, desto langsamer wird die Festplatte, da sie die Dateien aus vielen kleinen Clustern zusammensetzen muß.
Für die Leistungsfähigkeit eines Betriebssystems ist die Verwaltung
der Massenspeicher von großer Bedeutung. Massenspeicher, das sind vor
allem Festplatten und Disketten, aber auch
CD-ROMs und DVDs.
Auf unterster Ebene sind diese Medien in Speicherblöcke einheitlicher Größe
unterteilt. Um auf Dateien unterschiedlicher Größe einzeln zugreifen
zu können, ist eine weitere Strukturierung des Mediums notwendig. Die Organisation
der Dateien in Verzeichnissen ist auf der Benutzerebene so verbreitet, daß
sie selbstverständlich erscheint. Trotzdem gibt es bei der internen Realisierung
dieser Struktur enorme Unterschiede.
Logische Strukturen besitzen
alle Datenträger - oder sollten sie zumindest, so man denn etwas Sinnvolles
mit ihnen anfangen möchte. Hier ist die Art und Weise festgelegt, wie Dateien
und Verzeichnisse organisiert und den physikalischen Sektoren zugeordnet sind.
Das Dateisystem definiert dabei die verschiedenen Datenstrukturen wie Volumes,
Dateien, Blöcke, Sektoren, CRCs, Pfade, Records, Allocation Tables, Partitionen,
Charakter-Sets und so weiter, sowie Schreib- und Lesezugriffe.
Das Dateisystem ist faktisch
eine Schnittstelle zwischen Betriebssystem und den Laufwerken. Wenn die Software,
z.B. MS Word, eine Datei von der Festplatte anfordert, befiehlt das Betriebssystem
(Windows 95/98 oder NT) dem Dateisystem (FAT oder NTFS) die Datei zu öffnen.
Das Dateisystem weiss, wo die Datei abgelegt ist. Es findet und liest die relevanten Sektoren und liefert sie dem Betriebssystem.
2. Dateisysteme für Festplatten & Disketten
FAT
FAT (File Allocation Table) -bedeutet Dateizuordnungstabelle, das Betriebssystem
kann mittels eine Inhaltsverzeichnisses die gespeicherten Dateien /Anwendungen
auf dem Datenträger wiederfinden.
FAT
12
Dieses Dateisystem wird bei Disketten verwendet. Auf einer Diskette gibt es
Einschränkungen, was die Eintragungen im Wurzelverzeichnis (direkt unter
A:\) betrifft, es sind nur 224 Dateien möglich. Bei FAT 12 sind nur kurze
Dateinamen möglich (8 Zeichen).
FAT
16
FAT 16 ist das Dateisystem für MS-DOS. Hier sind nur kurze Dateinamen erlaubt
(max. 8 Zeichen, keine Sonder- und Leerzeichen). Im Wurzelverzeichnis der Festplatte
(direkt unter C:\) können Sie nur max. 512 Dateien speichern. Eintragungen
im Unterverzeichnis sind jedoch nicht begrenzt. Die Partition kann max. 2 GByte
groß sein.
FAT
32
Fat 32 wird ab Windows 95 (B) unterstützt und wird auch von Windows 98
verwendet. Bei FAT 32 ist eine Theoretische Partitionsgröße von 2
TByte möglich, jedoch setzt das BIOS hier noch Grenzen. Hier sind lange
Dateinamen bis 255 Zeichen erlaubt, sowie Sonderzeichen und Leerzeichen.
VFAT
VFAT basiert auf FAT 16 und ist für lange Dateinamen. Der Dateiname kann
bis zu 255 Zeichen beinhalten. Dieses Dateisystem wird von Windows 95 genutzt.
VFAT ist in FAT 32 integriert.
Nachteil:
- die langen Dateinamen
blockieren mehrere Eintragungen im Inhaltsverzeichnis
- wird unter DOS eine Datei gelöscht, die einen langen Dateinamen hat,
wird nur der kurze
Eintrag gelöscht (8 Zeichen), der Rest wird nicht gelöscht--> die
restlichen Eintragungen sind
somit "Herrenlos"
- Fragmentierung von Daten (es entstehen viele Lücken)
NTFS (New Technology File System)
NTFS ist das Dateisystem
von Windows NT. Windows NT wurde vor Windows 95 entwickelt.
Aufbau:
- MFT (Master File Table) ist das Kernstück von NTFS
- jede Datei/Verzeichnis wird als Eintrag in MFT geschrieben
- der erste Eintrag ist von MFT selbst beschrieben, wo sich eine Kopie der MFT
befindet
(um die Daten im Notfall wiederherstellen zu können)
- im Bootsektor des Datenträgers steht wo sich die MFT befindet
Vorteil:
- es muß keine Kompatibilität zu MS-DOS gewahrt werden
- höhere Schnelligkeit durch B -Trees (Suchbäume)
- hier können Zugriffsrechte auf Dateiebene vergeben werden
- unterstützt lange Dateinamen bis 255 Zeichen
- Indizieren: es gibt sequentielle (es wird nacheinander abgearbeitet) und
indizierte (Zugriff erfolgt über einen sog. Index) Zugriffe
Nachteil:
- NTFS ist inkompatibel zu anderen Betriebssystemen
- Die theoretische Partitionsgröße beträgt 1.024 terabytes
Übersicht der Grenzgrößen der Dateisysteme
Beispiele von Dateisystemen
Clustergröße + Clusterzahl
FAT Beispiel
Bei der physikalischen Formatierung werden „fehlerhafte Sektoren“ gekennzeichnet und vom späteren Gebrauch ausgenommen.
ISO 9660
Plattformübergreifendes
Dateisystem, um allen existierenden Betriebsysteme den Zugriff auf eine CD zu
ermöglichen - sofern diese einen Treiber (wie MSCDEX für DOS oder
Windows) implementiert haben, der ihnen dieses Dateisystem nahebringt.
Außer der Universalität zeichnen ISO 9660 aber leider auch einige
Restriktionen aus, die in verschiedenen Levels unterschiedlich stark ausgeprägt
sind.
• ISO 9660 Level 1. Sehr starke Restriktionen bezüglich der Dateinamen:
Es sind nur 8 Charakter (plus 3 für die Dateinamenerweiterung) erlaubt.
Verzeichnisnamen dürfen ebenfalls nur 8 Charaktere aufweisen und keine
Erweiterung besitzen, die Verzeichnistiefe ist auf maximal 8 Ebenen (einschließlich
des Wurzelverzeichnisses) festgelegt. Erlaubt sind ferner nur die Großbuchstaben
A bis Z, die Zahlen 0 bis 9 und als einziges Sonderzeichen der Unterstrich _
. Als Art der Datenaufzeichnung kommt generell nur eine kontinuierliche Aufzeichnung
der jeweiligen Dateien in Frage, diese dürfen sich also nicht fragmentiert
auf der CD befinden, ob nun verknüpft oder nicht.
•
ISO 9660 Level 2. Lockerung der Restriktionen in Bezug auf die Länge des
Dateinamens: Nun sind 31 Zeichen erlaubt. Außerdem kann man mehr Sonderzeichen
nutzen. Ansonsten bleibt alles beim Alten.
• ISO 9660 Level 3. Lockerung der Restriktionen auch in den anderen Bereichen. Wichtigste Erweiterung: Unter Level 3 lassen sich Dateien fragmentiert auf einen Rohling schreiben. Allerdings gibt es nur sehr wenige Brennprogramme, die Level 3 auch anbieten. Die meisten haben sich gleich dem neuen UDF-Dateisystem zugewandt.
Joliet
Erweiterung
des ISO-Standards auf eine Länge von 64 Zeichen, um die Beschränkungen
hinsichtlich der Verzeichnis- und Dateinamen (Länge und erlaubte Sonderzeichen)
sowie der Verzeichnistiefe für Windows 95/98/NT (ab Version 3.51) aufzuheben.
Joliet-Discs sind auf die Betriebsysteme DOS, Windows und Mac-OS beschränkt.
Romeo
Ebenfalls
eine Erweiterung des ISO-Standards für Windows 9x/ME/NT/2000. Romeo bietet
eine Datei- und Verzeichnisnamenlänge von maximal 128 Zeichen, inklusive
des Leerzeichens - welches dann auch unter DOS zu erheblichen Problemen führt.
Schwierigkeiten bereitet auch die Tatsache, daß unter DOS jeder Dateiname
ab dem 8. Zeichen einfach abgeschnitten wird, so daß es leicht zu Doppelbelegungen
innerhalb eines Verzeichnisses kommen kann. Mittlerweile hat der Standard aber
nahezu keine Bedeutung mehr.
HFS
Hierarchical File
System (HFS) ist die Erweiterung des ISO-Standards für das Apple-Dateisystem.
Auf einem Mac werden die Daten einer Datei in zwei Bereichen gespeichert, den
sogenannten Forks. Die Data-Fork enthält die eigentliche Datei, die dazugehörende
Ressource-Fork Informationen wie beispielsweise den Dateityp.
HFS-CDs basieren auf ISO-Level 2 und sind nur von Macintosh-, Linux-, OS/2-
und SGI-Irix-Systemen lesbar.
RRIP
Rock Ridge Interchange
Protocol (RRIP) ist ebenfalls eine Erweiterung des ISO-Standards, diesmal auf
jene Vorzüge, auf die Unix-Anwender nur ungern verzichten. Die Beschränkungen
von Verzeichnis- und Dateinamen sowie der Verzeichnistiefe sind hier vollständig
aufgehoben. Außerdem läßt sich die beliebte 'virtuelle' Verzeichnisstruktur
mit Links realisieren.
RRIP-Discs sind auch von anderen Betriebsystemen lesbar. Einzig die Unix-spezifischen
Eigenheiten bleiben auf der Strecke
UDF
Universal Disc Format
(UDF) ist ein von der OSTA (Optical Storage Technology Association) entwickeltes
Dateisystem, welches (gerade im Hinblick auf die DVD) ISO 9660 als plattformübergreifendes
Dateisystem ablösen soll.
Die Beschränkungen, die einem das Leben unter dem ISO-Standard noch so
beschwerlich gemacht haben, fallen allesamt unter dem Tisch. Wichtig ist dies
außer für neuere Technologien auch für den Laufwerkbuchstabenzugriff
mit CD-Recordern/Rewritables. ISO 9660 würde die hierbei anfallende Fragmentierung
von Dateien (durch Verknüpfungsblöcke zwischen den einzelnen Paketen,
siehe auch Incremental PW) nur im Interchange Level 3 zulassen.
Da UDF wie ISO ein CD-spezifisches Dateisystem ist, benötigen die verschiedenen
Plattformen auch einen Treiber, der das Dateisystem ins Betriebsystem eingliedert.
Abgesehen von Windows 98 und NT 5.0 gibt es solche Treiber aber bislang nur
in propreitären Varianten, die sich nicht immer an den Standard halten
und auch untereinander inkompatibel sind (so zum Beispiel DirectCD von Adaptec
für Windows 95/98/NT und den Macintosh und InstantWrite von VOB).
Um auch jenen Systemen, auf denen kein UDF-Treiber sein Unwesen treibt, den
Zugriff auf eine UDF-Disc zu ermöglichen, gibt es die Möglichkeit,
UDF-CDs beim Abschließen mit einem ISO 9660-Mantel (Level 3) zu umhüllen,
wodurch ein Betriebsystem mit ISO-Treiber diese Disc als ISO-Disc einstuft,
und ein Betriebsystem mit UDF-Treiber dieselbe Scheibe als UDF-Disc. (Unter
DOS/Windows 3.x und MacOS vor Version 8.0 sind diese Discs generell nicht lesbar;
Multisession-CDs lassen sich ebenfalls noch nicht herstellen.)
Das Dateisystem
Von der CD her noch bestens bekannt ist das plattformübergreifende Dateisystem
ISO 9660. Allerdings war ISO 9660 von Anfang an zu starr, um auch noch den neuen
Erfordernissen gerecht werden zu können, dies leistet aber das von der
OSTA (Optical Storage Technology Association) als Nachfolger bestimmte UDF,
welches wesentlich flexibler ist.
Universal Disc Format (UDF)
Generell gesehen
ist das Dateisystem jeder DVD das Universal Disc Format (UDF), in der Praxis
wird aber zur Zeit noch nahezu jede DVD mit einem ISO-Mantel umgeben (siehe
unten). UDF ist wie ISO 9660 entwickelt worden, alle möglichen Betriebssysteme
und Sprachen zu unterstützen, um die DVD als universell nutzbaren Datenträger
zu etablieren.
Das wesentlichste und auch augenfälligste Merkmal dieses Dateisystems ist
der Wegfall jener Begrenzungen, die dem Anwender unter ISO 9660 noch das Leben
schwer machten, wie beispielsweise die limitierte Länge der Dateinamen
(8 Charaktere plus 3 für die Dateinamen-Erweiterung) und der Verzeichnistiefe
(8 Ebenen, einschließlich des Wurzelverzeichnisses).
Die Anzahl möglicher Zeichen liegt bei 64000. Die Definition von Teil-Zeichensätzen
ist ebenso möglich wie die Differenzierung zwischen 8- und 16-Bit Zeichen.
Ferner ist UDF in der Lage, die unterschiedlichen Dateiattribute verschiedener
Betriebssysteme aufzunehmen und für das Schreiben auf DVD-Recordables und
DVD-RAMs optimiert - wodurch sich automatisch schlußfolgern läßt,
daß Dateien auch fragmentiert geschrieben werden können.
UDF und die verschiedenen Plattformen
UDF benötigt ebenso wie ISO 9660 einen Treiber, der in das jeweilige Betriebsystem
integriert ist und der das UDF-Dateisystem der Plattform erst verständlich
macht. Für ISO 9660 war (und ist) dies beispielsweise für DOS und
Windows MSCDEX.EXE.
Allerdings existiert momentan außer für die neueren Betriebsysteme
Windows 98/2000 bis jetzt kaum die entsprechenden Treiber, weshalb man mit anderen
Plattformen durchaus in Schwierigkeiten kommen könnte, wenn man versucht,
hier reine UDF-Discs abzuspielen. Auswege bieten bislang nur propreitäre
Realisierungen oder natürlich DVDs mit einem zusätzlichem ISO-Dateisystem.
UDF Bridge / Micro-UDF
Zur Zeit wird noch so gut wie jede DVD ISO-9660-kompatibel gemacht, indem man sie mit einem ISO 9660-Mantel (Level 3) umgibt, um die Kompatibilität und Lesbarkeit der Disc mit jenen Systemen, die keinen UDF-Treiber eingebunden haben, zu garantieren - das heißt, daß ein System mit ISO-Treiber diese UDF/ISO-Bridge-Disc als ISO-Disc identifiziert, und ein System mit UDF-Treiber dieselbe Scheibe als UDF-Disc einordnet. Beide Dateisysteme greifen dabei natürlich auf dieselben Dateien und Verzeichnisse zu, das heißt, es existieren keine unterschiedlichen Partitionen auf einer Disc. Der wesentliche Unterschied besteht nur darin, wie die Dateien lokalisiert werden, und welche Merkmale man nutzen kann.
UDF Pur
Will man sich auf
das Abenteuer einlassen, eine reine UDF-Disc ohne ISO 9660-Mantel auch unter
älteren Betriebsystemen anzusprechen, bleibt einem nichts anderes, als
einen entsprechenden UDF-Treiber aufzuspüren und einzubinden.
Verschiedene Anbieter von CD-Brennprogrammen haben Packet-Writing-Anwendungen
im Programm, die in der Regel auf UDF basieren – wenn auch in der Regel
auf propreitäre Variationen.
Von den echten Blockgeräten unterscheiden sich die Bandlaufwerke, weil nicht ein bestimmter einzelner Block gelesen oder geschrieben werden kann. Im Unterschied zu den Magnetplattenspeichern werden die Magnetbänder in der Regel nicht formatiert. Deshalb gibt es auf Magnetbändern keine physikalisch numerierten Datenblöcke, es gibt keine Dateisysteme und kein Inhaltsverzeichnis. Der Zugriff auf die Daten findet immer sequentiell statt. Um die Daten eines bestimmten Blockes zu erhalten, müssen alle vorhergehenden Blöcke gelesen werden.
Bootsektor
Erster Sektor einer Diskette oder Festplatte bzw. eines logischen Laufwerkes,
in dem Informationen über den Aufbau des Datenträgers gespeichert
sind - etwa die Größe der Cluster und der Partition. Der Bootsektor
enthält bei Systemdisketten auch das Startprogramm für den PC.
Cache
Ein schneller Puffer, der Daten zwischenspeichert und diese immer wieder sehr
schnell zur Verfügung stellen kann. Es gibt mehrere Cache-Arten:
• solche, die Daten aus dem Arbeitsspeicher in CPU-Nähe (im First-
oder Second-Level-Cache) puffern
• solche, die Daten von der Festplatte im Arbeitsspeicher zwischenlagern
(z.B. Smartdrive bzw. smartdrv.exe),
• oder Daten vom langsamen CD-ROM-Laufwerk auf der Festplatte "cachen".
• Der Festplatten-Cache puffert hardwareseitig Schreib- und Lesezugriffe.
Je nach Festplatte ist der Cache bei den 1999 am Markt erhältlichen Festplatten
zwischen 128 und 4096 KB groß; ElDE-Platten haben häufig 512 KB,
SCSI-Modelle 1024 KB Cache. Da die Algorithmen unterschiedlich effektiv arbeiten,
steigert ein größerer Cache nicht zwangsläufig das Plattentempo.
Werden die im Cache befindlichen Daten erneut benötigt, tritt die beschleunigende
Wirkung des Cache voll zu Tage, da diese nicht mehr von dem langsameren Medium
geholt werden müssen.
Cluster (Zuordnungseinheit)
Ein Cluster (Zuordnungseinheit) fasst mehrere Sektoren zusammen. Die Anzahl
hängt von Partitionsgröße und Dateisystem ab. 8 Sektoren pro
Cluster gibt es etwa
• bei einer FAT16-Partition von 128 bis 255 MB Größe,
• bei einer FAT32-Partition bis maximal 8191 MB und
• bei einer NTFS-Partition von 2049 bis 4096 MB.
Datei
Zusammengehörende Daten, die mit einem Anwendungsprogramm erstellt und
unter einem eindeutigen Namen auf dem Datenträger gespeichert werden.
Dateiattribut / Dateieigenschaft
Eigenschaften, die einer Datei zugewiesen werden können und vom Betriebssystem
abhängen. Unter MS-DOS gibt es beispielsweise die Attribute:
• Archive (Archivierungsstatus),
• Read Only (Schreibschutz),
• System (Systemzugehörigkeit) und
• Hidden (Sichtbarkeit).
Dateisystem
Das Dateisystem ist der Teil des Betriebssystems, der Dateien auf Datenträgern
verwaltet:
• Windows
95 B/C und 98 arbeiten mit FAT16 oder FAT32,
• Win NT 3.51 sowie OS/2 setzen HPFS ein (High Performance File System),
• Windows
95 (einschließlich der Version A) und MS-DOS ab Version 5 verwenden FAT16,
• Win NT 4 nimmt NTFS (New Technology File System) und
• Linux EXT2 (Extended Secondary File System).
Diese Dateisysteme sind zueinander inkompatibel. Aus Platzgründen ist das
FAT32-Dateisystem für Windows-95 B/C sowie Windows-98-Nutzer am effektivsten.
FAT
Abkürzung für "File Allocation Table" • Dateizuordnungstabelle
auf Festplatten, Disketten und CD-ROMs, die die Positionen von Dateien und Verzeichnissen
auf dem Datenträger enthält (siehe auch NTFS).
FAT bezeichnet sowohl die Dateizuordnungstabelle selbst, die den Platz auf der
Festplatte verwaltet und die freien, belegten sowie defekten Cluster protokolliert,
als auch das Dateisystem. Die FAT folgt direkt nach dem Bootsektor. Im Anschluss
daran liegt eine Kopie der FAT.
Das Dateisystem FAT16 (MS-DOS und Windows 95 A ) verwaltet maximal 65.536 Cluster
(Zuordnungseinheiten), die FAT32-Variante (ab Windows 95 B) kann 228 (2 hoch
28) Cluster ansprechen.
HPFS
Abkürzung für "High Performance File System" • leistungsfähiges
Dateisystem, das im Vergleich zum unter DOS üblichen FAT-Dateisystem mehr
Dateiattribute und lange Dateinamen unterstützt. HPFS kann unter den Betriebssystemen
OS/2 und Windows NT eingerichtet werden.
logisches Laufwerk
Einteilung eines physikalischen Datenträgers in mehrere Laufwerke (C:,
D:, E: usw.). Dazu muss die Festplatte eine erweiterte Partition besitzen, da
eine primäre Partition lediglich aus einem logischen Laufwerk bestehen
kann.
Ein logisches Laufwerk hat auf Betriebssystemebene dieselben Eigenschaften wie
ein physikalisches Laufwerk.
NTFS
Abkürzung für "New Technology File System" • Dateisystem
mit neuerer Technologie, das mit WINDOWS NT eingeführt wurde. Dieses Dateisystem
unterstützt lange Dateinamen, erweiterte Dateiattribute und sehr große
Speicherkapazitäten (bis zu 2 hoch 64 Bit, also ca. 17 Milliarden GByte).
Partition
Beim Partitionieren unterteilen spezielle Programme wie FDISK (DOS, Windows
95/98) die Festplatte in mehrere Bereiche / Laufwerke (C:, D:, E:,...) - sogenannte
Partitionen. Das ist beim Dateisystem FAT16 auf großen Festplatten sogar
ein Muss, da FAT16 nur bis zu 2 GB verwalten kann.
Es gibt zwei Typen: die primäre und die erweiterte Partition. Pro Festplatte
sind maximal vier Partitionen möglich. Um eine Festplatte nutzen zu können,
muss zumindest eine Partition anlegt und formatiert werden:
• Von der aktiven Partition startet das Betriebssystem oder der Bootmanager.
Es darf / kann nur eine primäre Partition aktiv sein.
• Nur die primäre Partition lässt sich aktivieren und ist dann
die aktive Partition. DOS und Win 95/98 benötigen eine primäre Partition
zum Booten.
• In einer erweiterten Partition lassen sich mehrere logische Laufwerke
anlegen. Maximal sind 23 logische Laufwerke möglich.
Achtung: Wird nachträglich die Partitionsgröße geändert
wird, gehen üblicherweise alle zuvor gespeicherten Daten verloren! Allerdings
verspricht Partition Magic, in Benutzung befindliche Festplatten auch nachträglich
ohne Datenverlust umpartitionieren zu können.
Sektor
Der Sektor ist die kleinste adressierbare Einheit einer Platte. Er ist min.
512 Bytes groß.
http://www.realinsiders.com/seiten/compu/grundl/dateisys.htm
http://www.karbosguide.com/de/modulg6a1.htm
http://www.operating-system.org/betriebssystem/w-dateisys.htm#15
http://www.linux-ag.de/linux/LHB/node155.html
http://www.edv-tipp.de/dvd/023_dateigroesse.htm
Wie wir ja bereits wissen, führt das „Gehirn“ des PCs, der Prozessor, „lediglich“ schnelle Berechnungen durch. Die Daten, die für diese Berechnungen notwendig sind, werden im Arbeitsspeicher gelagert und für mögliche Abrufe zwischengespeichert. Wenn man also vom Prozessor als Gehirn spricht, so kann man den Speicher in diesem Zusammenhang als das Gedächtnis bezeichnen. Die Daten können aus dem Arbeitsspeicher in willkürlicher Reihenfolge gelesen werden, worauf sich auch der eigentliche Name bezieht Random Access Memory („ zufällig ansprechbarer Speicher „). Um Daten allerdings auch langfristig speichern zu können nutzt man andere Speichermedien wie z.B. Festplatten, Disketten CD-ROM usw., denn der RAM an sich ist dauerhaft auf Strom angewiesen.
Wie schon beschrieben sind diese nicht für langfristige Speicherungen vorgesehen, vielmehr entnimmt und „füttert“ der Prozessor dem RAM kontinuierlich mit Daten, z.B. um in modernen Computerspielen die Positionen verschiedenen Figuren zu berechnen um sie letztlich an die Grafikkarte ausgeben zu können.
Damit bei diesem enormen Datenaufkommen keine Missverständnisse zwischen Prozessor und Speicher kommt, spielen die zwei Zwischenspeicher, die sog. Caches eine entscheidene Rolle. Hier werden die Daten zwischenlagert, die bei erneuter Anforderung schnell zur Verfügung stehen müssen. Die Caches sind deutlich schneller als der normale Arbeitsspeicher, daher nutzt man hier auch schnellere Module.
Aber auch bei den RAM-Modulen gibt es neben den Unterschiedlichen Typen (Rambus, DDR usw.) zwei grundsätzliche Kategorien, die man unterscheidet, zum einen in die statischen und zum anderen in die dynamischen. Die dynamischen sind in der Produktion deutlich günstiger, müssen aber kontinuierlich mit Informationen versorgt werden, besser gesagt aufgefrischt, „refresht“, werden. Das bedeutet jedesmal, wenn eine Information aus dem RAM-Modul ausgelesen wurde, erfolgt diese Auffrischung. Das passiert Tausende Male in einer Sekunde und kostet Zeit, in der folglich keine Daten ausgelesen werden können. Dieser Speichertyp wird als DRAM bezeichnet und meist als Hauptspeicher genutzt.
Statischer Speicher hingegen benötigt nicht diese regelmäßige
Auffrischung, somit wird Zeit gespart und eine höhere Geschwindigkeit ist
möglich. Der einzige Nachteil ist der Preis, denn der ist folglich wesentlich
teurer.
Ein weiteres wichtiges Merkmal von Speicherbausteinen ist die
Zugriffszeit. Damit bezeichnet man die Zeitspanne zwischen der Anweisung der
CPU an den Speicher.
Zum einen ist dies der zeitliche Abschnitt in dem die Daten gelesen werden und
zum anderem der in dem die Daten „wieder“ an die CPU übergeben
worden sind. Speichermodule vom Typ des DRAM ermöglichen eine Zugriffszeit
von 50ns – 70ns, SRAM-Bausteine hingegen ermöglichen Zugriffszeiten
von nur 10ns – 25ns. Daran sieht man, dass es schon deutliche Unterschiede
gibt, ob diese allerdings für den „normalen“ Anwender spürbar
sind, lässt sich nur erahnen.
Bei der Frage wie viel Speicher doch für einen ausreichend ist macht sich ganz klar die Entwicklung der Zeit bemerkbar. Noch vor nicht einmal 8 Jahren waren 1 – 2 MB Hauptspeicher für die meisten Nutzer völlig ausreichend, heute würde man damit noch nicht einmal das auch schon etwas ältere Windows 95 zum Starten kriegen, wenn man bedenkt, dass ein einfaches Hintergrundbild schon 2 MB Speicher benötigt.
Heute sind 128 MB die normale Bestückung für die meisten
User, wobei das natürlich stark von den auszuführenden Programmen
abhängt. Speziell bei Datenbanken sind 256 MB und mehr sinnvoller und wenn
man erst den Server-Bereich betrachtet gilt das Motto
„Nichts ersetzt Arbeitsspeicher, als noch mehr Arbeitsspeicher“,
so sind 512 MB Module heute keine Seltenheit mehr.
Aufbau und Funktionsweise
Mit der Erfindung
des Transistors war der Weg frei für die Miniaturisierung. Seitdem wurden
die Transistoren und integrierten Schaltkreisen, kurz IC genannt in immer kleinere
Bauteile integriert und auch im Zuge der Entwicklung immer leistungsstärker.
So bestehen sowohl alle Speicher- Bausteine als auch Prozessoren aus Millionen
von einzelnen Speicherzellen. Jede Zelle davon ist in der Lage ein Bit, die
kleinste Informationseinheit, zu speichern. Wie weit diese Miniaturisierung
bereits vorangeschritten ist kann man an diesem Beispiel erkennen, hier im Vergleich
einer Milbe mit einem Minimotor.
Der Aufbau ist hier bei allen gleich, jede Zelle besteht jeweils aus einem Kondensator und einem Transistor. Der Kondensator enthält die Information in Form einer elektrischen Ladung der Transistor hingegen übernimmt die rein technische Arbeit, denn er arbeitet wie ein Schalter, der die Ladung entweder isoliert oder für eine Ausleseforderung freigibt.
Da wie bereits erwähnt als Hauptspeicher meist der etwas günstigere DRAM (Dynamic Random Access Memory) genutzt wird, treten teilweise kleine Fehler auf, die sogenannten Leckströme. Sie sorgen dafür das die Speicherzelle ihre Information verlieren, damit das nicht passiert muß dieser dynamische Speicher immer aufgefrischt werden.
Der Speicherzugriff von der CPU auf den Speicher erfolgt, einfach dargestellt,
wie folgt:
zunächst fordert die CPU eine bestimmte Information von einer Speicherzelle, daraufhin wird die Zeilenposition mit Hilfe eines RAS-Signals bestimmt. RAS bedeutet so viel wie Zeilen-Adressierungs-Signal. Anschließend muß noch die Spaltenposition bestimmt werden, dafür benutzt man das sogenannte CAS-Signal, die Buchstaben stehen für Culomn, Adress, Strobe. Diese Information wird schließlich über eine spezielle Bitleitung ausgelesen und über den Chipsatz an die CPU „übergeben“.
Neben den Wartezeiten,
die für CAS – und RAS-Signal anfallen, kommen noch weitere beim Laden
der Bitleitung hinzu, denn für die Datenübertragung muß die
halbe Versorgungsspannung vorgeladen werden. Diese Zeitspanne nennt man auch
„Precharge Time“. Schließlich wird noch ein Taktschritt für
das Auslesen der Information aus dem RAM benötigt, also alles in allem
dauert der gesamte Vorgang ca. 6 Taktschritte.
(Die Datenleitung muß nicht bei jedem Vorgang neu aufgebaut werden)
Auch die modernen
Speichertypen sind so trotz enormen Preisunterschieden, alle ähnlich
organisiert und basieren auf den gleichen Speicherzellen, bieten dem Benutzer
aber dennoch gewisse Vorteile.
Aber die wirklich zeitraubenden Vorgänge der Zellen-Adressierung und Auffrischung
sind jedoch auch bei modernen DDR-RAM notwendig und keineswegs kürzer.
So gesehen scheinen
auch die technischen Angaben, wie der Durchsatz von 2,1 Gigabyte pro Sekunde
beim DDR-RAM wirklich nur im Idealfall erreichbar zu sein.