Arbeitsspeicher und Massenspeicher

Mit 32-Bit-Adressen kann ein Prozessor 4 294 967 296 Bytes ansprechen, genau 4 GiB. Schalte den Strom ab, und der RAM vergisst alles.

„Mein Laptop hat 16 GB Speicher, also passen 16 GB Fotos drauf.“ Dieser Satz verwechselt zwei verschiedene Teile, und die Laptop-Werbung selbst zeigt, warum. Sie nennt zwei Größen, zum Beispiel 16 GB Arbeitsspeicher und 512 GB Massenspeicher. Der Arbeitsspeicher, RAM, enthält die Programme und Daten, die die CPU gerade benutzt. Der Massenspeicher, ein Solid-State-Drive (SSD) oder eine ältere Festplatte, behält deine Dateien, wenn der Strom aus ist. Die Fotos liegen auf der Seite mit 512 GB. Die 16 GB sind der Arbeitsplatz, auf den ein Foto kommt, während du es bearbeitest.

Warum der RAM vergisst, wenn der Strom weg ist

Der meiste RAM speichert jedes Bit als winzige Ladung, die abfließt, wenn sie nicht viele Male pro Sekunde aufgefrischt wird, deshalb geht beim Stromausfall alles darin verloren. Das bedeutet „flüchtig“. Der Massenspeicher behält Daten ohne Strom. Eine SSD hält Ladung in Flash-Speicherzellen fest, die sie jahrelang bewahren, und eine Festplatte zeichnet Bits als magnetisierte Stellen auf rotierenden Scheiben auf. Massenspeicher ist viel größer und pro Byte billiger, aber viel langsamer zu erreichen, deshalb werden Programme vor dem Start vom Massenspeicher in den RAM kopiert. Genau dieses Kopieren passiert, während eine App anzeigt, dass sie lädt.

Wie die CPU ein Byte unter Milliarden findet

Der Speicher ist eine lange Reihe von Zellen, jede fasst ein Byte, und jede Zelle hat eine Nummer, ihre Adresse, beginnend bei 0. Zum Lesen oder Schreiben legt die CPU eine Adresse auf eine Gruppe von Leitungen und bekommt das dort gespeicherte Byte zurück. Die Zahl der Adressbits bestimmt, wie viel Speicher erreichbar ist. Vier Adressbits wie im Spielzeugcomputer ergeben 2 hoch 4 = 16 Zellen. Sechzehn Bits ergeben 65 536. Zweiunddreißig Bits ergeben 4 294 967 296 Bytes, genau 4 GiB, und deshalb konnten ältere 32-Bit-Systeme nicht mehr als 4 GiB RAM nutzen. Heutige 64-Bit-Prozessoren können weit mehr ansprechen.

Eine Zelle hat keine Ahnung, was ihre Bits bedeuten. Im Spielzeugcomputer sind die 8 Bits 00000100 in einer Datenzelle die Zahl 4, aber als Befehl gelesen bedeuten dieselben Bits HALT 4. Nur die Art, wie die CPU eine Zelle erreicht, als nächsten Befehl oder als Daten, die ein Befehl nennt, entscheidet darüber. Das folgt direkt aus von Neumanns Idee, beides in einem Speicher zu halten. Deshalb kann auch ein Fehler, der an die falsche Adresse schreibt, ein ganzes Programm zerstören.

Jede Ebene weiter unten ist größer und langsamer

Schneller Speicher ist teuer, deshalb benutzen Computer Ebenen. Am nächsten an den Schaltungen sind die Register, ein paar Dutzend Werte, mit denen die CPU direkt arbeitet, wie der Akkumulator im Spielzeug. Dann kommen Caches, kleine Blöcke schnellen Speichers direkt auf dem Prozessorchip, meist L1, L2 und L3 genannt, die Kopien kürzlich benutzter Teile des RAM halten. Dann der RAM, dann die SSD oder Festplatte und dahinter das Netzwerk. Jede Ebene weiter unten ist größer und langsamer. Ein Programm läuft schnell, wenn das meiste, was es braucht, schon in den oberen Ebenen liegt. Deshalb ist es meist schneller, Daten der Reihe nach zu lesen, als kreuz und quer zu springen.