Lespakket 8 - Geheugens

Het ROM-geheugen

• ROM (Read Only Memory) is een chip die apart op het moederbord zit of geïntegreerd is in de chipset.
• Vroeger waren ROM-geheugens niet of moeilijk herprogrammeerbaar, tegenwoordig kan ROM vaak opnieuw geprogrammeerd worden (flashen), bijvoorbeeld om het BIOS te upgraden.
• Nieuwe ROM-geheugens zijn beveiligd zodat gewone software geen toegang heeft. Sommige computervirussen slagen er toch in het BIOS-ROM te flashen.
• Er zijn twee technieken om gegevens op het BIOS-ROM te bewaren:
  • EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM): Kan geherprogrammeerd worden via elektrische signalen, gebruikt voor klassiek BIOS.
  • Flash ROM: Gegevens worden bewaard op magnetisch flashgeheugen, gebruikt voor modern UEFI.
• De toegangstijd tot ROM is traag, vooral bij EEPROM; daarom worden belangrijke gegevens bij het opstarten vaak naar het werkgeheugen gekopieerd (schaduwen).
• ROM-geheugens worden niet alleen gebruikt voor het BIOS, maar ook in andere computeronderdelen zoals geluidskaarten en optische stations.
• Op deze ROM-chips staan gegevens en software die firmware genoemd worden; deze zijn meestal niet herprogrammeerbaar en echt read only.
• ROM-chips vind je niet alleen in computers, maar ook in allerlei elektronische apparaten zoals wekkerradio’s, auto-elektronica, wasmachines en digitale piano’s.

Test je kennis

Scan deze qr-code om de inhoud te bekijken

Het RAM-geheugen

Wat is RAM?

• RAM (Random Access Memory) is een geheugen waarin elke locatie direct bereikbaar is.
• RAM wordt meestal werkgeheugen genoemd en is essentieel voor de werking van de computer.

Eigenschappen van RAM

• Geheugenmodules bestaan uit condensatoren die hun informatie behouden door constante stroomstootjes (refresh rate).
• De refresh rate en geheugensnelheid worden geregeld door een klokgenerator op het moederbord.
• Moderne moederborden ondersteunen verschillende geheugensnelheden; hogere frequenties geven betere prestaties.

Types en generaties

• Er zijn verschillende generaties: DDR, DDR2, DDR3, DDR4, DDR5.
• DDR gaat over het aantal bits per klokpuls er intern, tijdens de prefetch gelezen kunnen worden. (DDR: 2 bits tot DDR5: 16 bits)
• Alle DDR geheugens hebben een extern bus van 64 bits.
• Elke generatie heeft een eigen snelheid en compatibiliteit; de key notch (inkeping in de module) voorkomt verkeerde plaatsing.
• Geheugenmodules worden geclassificeerd met een PC-nummer (bv. PC2700 = 2700 MB/s).

Tabel: PC-nummers en geheugensnelheden

Werking

• Een geheugenchip bestaat uit rijen en kolommen; bits vormen geheugencellen die via een adres bereikbaar zijn.

Werking van het geheugen:

1. De processor plaatst het gewenste geheugenadres op de adresbus van de systeembus. Dit adres bestaat uit een rij- en een kolomadres, vergelijkbaar met een cel in een rekenblad.
2. De geheugencontroller (chip op het moederbord) bepaalt op welke geheugenchip het adres te vinden is.
3. Van de juiste geheugenchip wordt de hele rij (array) ingelezen.
4. Uit deze array wordt de juiste geheugencel geselecteerd op basis van het kolomadres.
5. De gegevens uit de geheugencel worden op de databus geplaatst en naar de processor overgebracht.

Snelheid en betrouwbaarheid

• De snelheid wordt bepaald door refresh rate en CAS-latency (vertraging bij schakelen tussen locaties).

Gegevens op het etiket van de geheugenmodule

Plaatsing geheugens

• Desktopmodules heten DIMM, laptopmodules SO-DIMM; moderne modules hebben vaak een heatspreader voor koeling.
• Modules worden geplaatst in geheugenbanken op het moederbord; niet alle sleuven hoeven gevuld te zijn.
• Geheugenbanken bestaan uit één of meerdere geheugensleuven (ook wel geheugensockets, geheugenslots of geheugenvoeten genoemd) waarin de geheugenmodules worden geplaatst.
• Niet alle geheugensleuven hoeven gevuld te zijn; het moederbord werkt ook met minder modules, maar voor optimale prestaties is een juiste configuratie belangrijk.

Multi-channel

• Dual channel technologie verbindt twee geheugenbanken elk met een eigen datakanaal aan de processor, waardoor gelijktijdig gegevens naar beide banken kunnen worden geschreven of gelezen. Dit verdubbelt in theorie de doorvoersnelheid.
• Dual channel werkt het best als beide geheugenbanken identieke modules bevatten (zelfde type en capaciteit), maar moderne moederborden zijn hier flexibeler in geworden.
• Een systeem met twee modules van 2 GB presteert beter dan één module van 4 GB, omdat dual channel dan actief is.
• Triple channel en quad channel technologie maken het mogelijk om drie of vier geheugenmodules parallel te gebruiken, wat de prestaties verder verhoogt.
• ECC-geheugen wordt vooral in servers gebruikt voor extra betrouwbaarheid.

Geheugencontrollers en installatie

• Moderne processoren hebben vaak een eigen geheugencontroller per socket (Intel: QuickPath, AMD: Hyper-Transport).

  

• Volg bij het plaatsen van modules altijd veiligheidsvoorschriften (antistatische polsband, voeding los).

• Test na installatie of het geheugen herkend wordt; fouten worden bij het opstarten gedetecteerd door de BIOS-geheugentest.

Testen en onderhoud

• Geheugenmodules in laptops zijn bereikbaar via een klepje onderaan of onder het toetsenbord.
• Het type en de capaciteit van het geheugen kan je aflezen op het etiket, via BIOS, besturingssysteem of benchmarksoftware.
• Voor een grondige test gebruik je Memtest86+; bij fouten kan je door eliminatie het defecte latje opsporen.

Scan deze qr-code om de video te bekijken

Test je kennis

Scan deze qr-code om de inhoud te bekijken

Het CMOS-geheugen

• De CMOS-chip (complementary metal-oxide semiconductor) bewaart variabele gegevens van het ROM, zoals instellingen van randapparaten, waarden van computeronderdelen (bv. grootte van de harde schijf, omvang van het RAM) en de systeemtijd (RTC - real time clock).
• Bij UEFI kunnen variabele gegevens op het Flash ROM worden opgeslagen, maar voor de RTC blijft een CMOS-chip noodzakelijk.
• CMOS-chips verbruiken zeer weinig stroom wanneer de computer uitstaat; deze stroom wordt geleverd door de CMOS-batterij op het moederbord of in de chipbehuizing.
• Bij een lege batterij krijg je een foute systeemtijd en een foutmelding (CMOS checksum failure); dit los je op door de batterij te vervangen en de systeemtijd en instellingen opnieuw in te stellen.
• Bij intensief gebruik ontwikkelen CMOS-chips veel warmte, waardoor ze minder geschikt zijn voor toepassingen met hoge lees- en schrijfsnelheden.
• CMOS-technologie wordt niet alleen in computers gebruikt, maar ook in andere digitale toepassingen zoals digitale beeldvorming, bluetooth netwerken en microchipfabricage.

Test je kennis

Scan deze qr-code om de inhoud te bekijken

Het cache-geheugen

• Het woord cache wordt vaak gebruikt voor toepassingen waarbij veel opgevraagde gegevens tijdelijk worden bewaard om ze sneller toegankelijk te maken, zoals bij internetbrowsers die webpagina's opslaan.
• In computers verwijst cachegeheugen naar een speciaal, zeer snel geheugen tussen het werkgeheugen en de processor.
• Cachegeheugen bestaat uit meerdere niveaus:
  • Level 1-cache (L1) en Level 2-cache (L2) bevinden zich in de behuizing van de processor.
  • Sommige processoren hebben ook een Level 3-cache (L3), die op het moederbord zit.
• Cachegeheugen verhoogt de verwerkingssnelheid van de processor, omdat de toegangstijd tot cache veel kleiner is dan die tot het werkgeheugen.
• Cachegeheugen is statisch RAM (SRAM), dat sneller toegankelijk is dan dynamisch RAM (DRAM), maar duurder en met een kleinere capaciteit.
• Cachegeheugen kan niet uitgebreid worden zoals werkgeheugen; de grootte is vast en kan via BIOS-instellingen of benchmarksoftware worden nagekeken.
• Bij het opvragen van gegevens kijkt de processor eerst in het cachegeheugen:
  • Is de informatie aanwezig, dan spreekt men van een hit.
  • Is de informatie niet aanwezig, dan is er een miss.
• Cachegeheugen is 5 tot 10 keer sneller dan gewoon werkgeheugen; meer hits zorgen voor snellere verwerking.
• De verhouding tussen het aantal hits en het totaal aantal opvragingen heet de hit rate; bij moderne processoren ligt deze vaak boven de 80 à 90%.

Scan deze qr-code om de video te bekijken

Test je kennis

Scan deze qr-code om de inhoud te bekijken

Het virtueel geheugen

• Softwareontwikkelaars hoeven geen rekening te houden met de grootte van het fysieke geheugen; bij tekort aan werkgeheugen stelt het besturingssysteem virtueel geheugen ter beschikking.
• Niet alle besturingssystemen ondersteunen virtueel geheugen, maar Microsoft Windows, MacOS en Linux wel.
• Virtueel geheugen gebruikt een deel van de harde schijf als uitbreiding van het fysieke werkgeheugen.
• Het gebruik van virtueel geheugen veroorzaakt vertraging, omdat de toegangstijd tot de harde schijf veel groter is dan die tot het werkgeheugen.
• Vertragingen door virtueel geheugen kunnen het best vermeden worden door voldoende werkgeheugen te voorzien.
• Werking:
  • Het besturingssysteem deelt het virtueel geheugen op in bladen (pages) van 4 KB, die op de harde schijf worden bewaard tot ze nodig zijn.
  • Wanneer gegevens uit een blad nodig zijn, kopieert het besturingssysteem het blad naar het fysieke werkgeheugen; ongebruikte bladen verhuizen terug naar de harde schijf.
  • Dit proces van kopiëren tussen virtueel en fysiek geheugen heet swapping; het bestand op de harde schijf dat hiervoor gebruikt wordt, heet swapfile of wisselbestand.
• De grootte van het virtueel geheugen kan in het besturingssysteem gecontroleerd en aangepast worden.

Scan deze qr-code om de video te bekijken

Test je kennis

Scan deze qr-code om de inhoud te bekijken