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Die Storage-Pyramide Was ist die Speicherhierarchie?

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Stefan Luber / Dr. Jürgen Ehneß

Die Speicherhierarchie ist eine Organisationsform des Speichers in Computersystemen. Sie basiert auf der Grundlage, dass ein Speicher nicht gleichzeitig alle Anforderungen an Zugriffszeit, Datenübertragungsrate, Preis, Größe oder Energieverbrauch erfüllen kann. Verschiedene Speicherarten sind schematisch in Form einer Pyramide angeordnet und erzeugen die Illusion eines idealen Speichers.

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Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
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(Bild: © aga7ta - Fotolia)

In Rechnerarchitekturen sind verschiedene Speicherarten aus Sicht des Prozessors in Form einer Pyramide organisiert. Diese Speicherhierarchie erzeugt für den Prozessor die Illusion einer Art idealen Speichers, der schnell, günstig, klein und energiesparend ist. Da ein einzelner realer Speicher nicht gleichzeitig all diese Anforderungen erfüllen kann, sind in der Pyramide die Speicherarten in verschiedenen Ebenen von klein, schnell und teuer bis zu groß, langsam und günstig angeordnet.

Die schnellsten und teuersten Speicher sind CPU-Register, die langsamsten und günstigsten Massenspeicher wie Festplatten. Auch in Datenbanksystemen kommt das Prinzip der Speicherhierarchie zum Einsatz. Die oberste Ebene der Speicherpyramide bildet der Arbeitsspeicher, ihm folgen der Speicherplatz der Festplatten und auf der untersten Ebene Archivierungssysteme wie Bandlaufwerke.

Grundlage für die Entstehung der Speicherpyramide

Gäbe es einen idealen Speicher, wäre keine Speicherhierarchie notwendig. Ein idealer Speicher müsste schnell sein, unendliche Speicherkapazität haben, Daten persistent speichern, wenig kosten und klein in seiner Ausdehnung sein. Leider existiert dieser ideale Speicher nicht. Schnelle Speicher sind teuer, speichern Informationen flüchtig und bieten wenig Speicherkapazität. Hingegen sind günstige nicht-flüchtige Speicher wie Festplatten langsam.

Die Speicherhierarchie kombiniert die verschiedenen Speicherarten in verschiedenen Ebenen einer Pyramide so, dass aus Sicht des Prozessors die Illusion eines idealen Speichers entsteht. In Wirklichkeit bildet die Pyramide eine Art Kompromiss aus den verschiedenen Merkmalen der Speicher. Aus Sicht des Prozessors sollen sich hauptsächlich die Vorteile und nicht die Nachteile der unterschiedlichen Speicherarten auswirken.

An der Spitze der Pyramide und in unmittelbarer Nähe zum Prozessor befindet sich der schnelle Speicher. Er bietet jedoch wenig Speicherkapazität und ist teuer, weshalb nur wenig dieses Speichers vorhanden ist. In der untersten Ebenen der Pyramide ist günstiger Speicher mit hoher Speicherkapazität angesiedelt. Dieser ist langsam und wird über die höheren Ebenen in Richtung des Prozessors gepuffert, um diesen nicht durch langsame Zugriffszeiten und niedrige Datenraten auszubremsen.

Die verschiedenen Speicherarten der Speicherpyramide

Im Folgenden ein grober Überblick über die verschiedenen Speicherarten der Speicherpyramide, angefangen von der Spitze mit dem am nächsten am Prozessor gelegenen Speicher:

  • Registerspeicher: Speicherkapazität wenige Kilobyte, mit schnellem Zugriff im Prozessortakt (weniger als eine Nanosekunde),
  • Cache: Speicherkapazität bis zu wenigen Megabyte, Zugriffszeit ein Vielfaches des Prozessortakts (einige wenige Nanosekunden),
  • Arbeitsspeicher: Speicherkapazität bis zu einigen Gigabyte, Zugriffszeit zahlreiche Vielfache des Prozessortakts (von wenigen bis vielen Nanosekunden),
  • Festplatten: Speicherkapazität bis zu vielen Terabyte oder mehr, Zugriffszeit teilweise Millionen Taktzyklen des Prozessortakts (im Bereich mehrerer Mikrosekunden).

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