Speicherstruktur

Speicherstruktur bezeichnet die Organisation, Anordnung und Verwaltung von Speicherressourcen in Computersystemen. Sie umfasst Hardwarekomponenten wie Register, Cache, Hauptspeicher (RAM) und verschiedene persistente Speichermedien sowie die zugehörige Software zur Speicherverwaltung.

Die Speicherhierarchie beschreibt die Anordnung in Ebenen mit zunehmender Kapazität und Verzögerung: Register und L1/L2/L3-Cache, Hauptspeicher, Puffer und permanente Speichermedien. Ziel ist es, teure, langsame Speicherzugriffe zu minimieren, indem häufig benötigte Daten näher am Prozessor gehalten werden. Die Hierarchie ermöglicht schnelle Zugriffe auf häufig verwendete Informationen, während größere, aber langsamer zugängliche Speicherebenen weniger häufige Daten aufnehmen.

Speicherarten lassen sich in flüchtigen und nichtflüchtigen Speicher unterteilen. Flüchtiger Speicher wie RAM und Cache verliert Inhalte bei Stromausfall, nichtflüchtiger Speicher wie Festplatten, SSDs, NVMe oder persistent memory behält Daten langfristig. Typische Technologien umfassen DRAM als Hauptspeicher, SRAM als Cache und Flash-Speicher für SSDs; magnetische oder optische Medien dienen oft als Archivspeicher.

Adressierung und Verwaltung betreffen die Zuweisung und den Zugriff auf Speicher. Virtueller Speicher ermöglicht Prozessadressräume, während die Speicherverwaltungseinheit (MMU) Adressübersetzung von virtuell zu physisch durchführt und Paging bzw. Segmentierung unterstützt. TLBs beschleunigen Adressübersetzungen. Das Betriebssystem verwaltet Seiten- oder Segmenttabellen, Speicherallokation und Auslagerung (Swapping). In Managed Runtimes kann Garbage Collection weitere Speicherverwaltung übernehmen.

Relevanz: Die Speicherstruktur beeinflusst Systemleistung, Energieverbrauch und Skalierbarkeit von Anwendungen. Moderne Systeme setzen auf eine mehrschichtige Speicherhierarchie, schnelle Caches, ausreichenden Arbeitsspeicher und leistungsfähige nichtflüchtige Speichertechnologien.