Geheugen

Het geheugen is de elektronische bewaarplaats voor de instructies en gegevens die een computer snel moet kunnen bereiken. Het is de plaats waar informatie wordt opgeslagen voor onmiddellijk gebruik. Geheugen is een van de basisfuncties van een computer, want zonder geheugen zou een computer niet goed kunnen functioneren. Het geheugen wordt ook gebruikt door het besturingssysteem, de hardware en de software van een computer.

Er zijn technisch gezien twee soorten computergeheugen: primair en secundair. De term geheugen wordt gebruikt als synoniem voor primair geheugen of als afkorting voor een specifiek type primair geheugen, random access memory (RAM) genaamd. Dit type geheugen bevindt zich op microchips die zich fysiek dicht bij de microprocessor van een computer bevinden.

Als de centrale processor (CPU) van een computer alleen gebruik zou moeten maken van een secundair opslagapparaat, zouden computers veel trager worden. In het algemeen geldt dat hoe meer geheugen (primair geheugen) een computer heeft, hoe minder vaak de computer instructies en gegevens van langzamere (secundaire) opslagmedia hoeft te raadplegen.

Deze afbeelding laat zien hoe primair, secundair en cachegeheugen zich tot elkaar verhouden in termen van grootte en snelheid.

Geheugen vs. opslag

Het concept van geheugen en opslag kan gemakkelijk door elkaar worden gehaald als hetzelfde concept; er zijn echter enkele duidelijke en belangrijke verschillen. Kort gezegd is geheugen het primaire geheugen, terwijl opslag het secundaire geheugen is. Geheugen verwijst naar de locatie van kortetermijngegevens, terwijl opslag verwijst naar de locatie van gegevens die op lange termijn zijn opgeslagen.

Het geheugen wordt meestal aangeduid als de primaire opslag in een computer, zoals RAM. Het geheugen is ook de plaats waar informatie wordt verwerkt. Het stelt gebruikers in staat om toegang te krijgen tot gegevens die voor een korte tijd zijn opgeslagen. De gegevens worden slechts korte tijd opgeslagen omdat het primaire geheugen vluchtig is, wat betekent dat het niet wordt bewaard als de computer wordt uitgezet.

De term opslag verwijst naar het secundaire geheugen en is de plaats waar de gegevens in een computer worden bewaard. Een voorbeeld van opslag is een harde schijf of een hard disk drive (HDD). Opslag is niet-vluchtig, wat betekent dat de informatie er nog steeds is nadat de computer is uitgezet en weer aangezet. Een draaiend programma kan zich in het primaire geheugen van een computer bevinden wanneer het in gebruik is - voor het snel opvragen van informatie - maar wanneer dat programma wordt afgesloten, bevindt het zich in het secundaire geheugen of de opslag.

Hoeveel ruimte er beschikbaar is in geheugen en opslag verschilt ook. In het algemeen zal een computer meer opslagruimte hebben dan geheugen. Een laptop kan bijvoorbeeld 8 GB RAM hebben terwijl hij 250 GB opslagruimte heeft. Het verschil in ruimte is er omdat een computer geen snelle toegang nodig heeft tot alle informatie die er tegelijk op is opgeslagen, dus het toewijzen van ongeveer 8 GB ruimte om programma's uit te voeren is voldoende.

De termen geheugen en opslag kunnen verwarrend zijn omdat het gebruik ervan tegenwoordig niet altijd consistent is. RAM kan bijvoorbeeld worden aangeduid als primaire opslag - en soorten secundaire opslag kunnen flashgeheugen omvatten. Om verwarring te voorkomen, is het eenvoudiger om over geheugen te praten in termen van vluchtig of niet-vluchtig -- en over opslag in termen van primair of secundair.

Hoe werkt het computergeheugen?

Wanneer een programma wordt geopend, wordt het van het secundaire geheugen naar het primaire geheugen geladen. Omdat er verschillende soorten geheugen en opslag zijn, kan een voorbeeld hiervan zijn dat een programma van een solid-state drive (SSD) naar RAM wordt verplaatst. Omdat het primaire geheugen sneller toegankelijk is, zal het geopende programma sneller met de processor van de computer kunnen communiceren. Het primaire geheugen is direct toegankelijk vanuit tijdelijke geheugenslots of andere opslaglocaties.

Geheugen is vluchtig, wat betekent dat gegevens in het geheugen tijdelijk worden opgeslagen. Zodra een computer wordt uitgezet, worden de gegevens in het vluchtige geheugen automatisch gewist. Wanneer een bestand wordt opgeslagen, wordt het naar het secundaire geheugen gestuurd voor opslag.

Er zijn verschillende soorten geheugen beschikbaar voor een computer. Hij zal anders werken, afhankelijk van het type primair geheugen dat wordt gebruikt, maar in het algemeen wordt het meest geassocieerd met geheugen op basis van halfgeleiders. Halfgeleidergeheugen wordt gemaakt van geïntegreerde circuits met op silicium gebaseerde metaal-oxide-semiconductor (MOS) transistors.

Typen computergeheugen

In het algemeen kan geheugen worden onderverdeeld in primair en secundair geheugen; bovendien zijn er tal van typen geheugen wanneer alleen het primaire geheugen wordt besproken. Enkele typen primair geheugen zijn

• Cachegeheugen. Dit tijdelijke opslaggebied, bekend als cache, is gemakkelijker beschikbaar voor de processor dan de hoofdgeheugenbron van de computer. Het wordt ook wel CPU-geheugen genoemd omdat het meestal direct in de CPU-chip is geïntegreerd of op een aparte chip met een businterconnectie met de CPU is geplaatst.
• RAM. De term is gebaseerd op het feit dat elke opslaglocatie direct door de processor kan worden benaderd.
• Dynamisch RAM. DRAM is een type halfgeleidergeheugen dat doorgaans wordt gebruikt door de gegevens of programmacode die een computerprocessor nodig heeft om te functioneren.
• Statisch RAM. SRAM houdt gegevensbits in zijn geheugen vast zolang er stroom op wordt gezet. In tegenstelling tot DRAM, dat bits opslaat in cellen die bestaan uit een condensator en een transistor, hoeft SRAM niet periodiek te worden ververst.
• Double Data Rate SDRAM. DDR SRAM is SDRAM dat in theorie de kloksnelheid van het geheugen kan verbeteren tot ten minste 200 MHz.
• Double Data Rate 4 Synchronous Dynamic RAM. DDR4 RAM is een type DRAM met een interface voor hoge bandbreedte en is de opvolger van de eerdere DDR2- en DDR3-versies. DDR4 RAM maakt lagere spanningseisen en een hogere moduledichtheid mogelijk. Het is gekoppeld aan hogere overdrachtssnelheden en maakt dual in-line geheugenmodules (DIMMS) tot 64 GB mogelijk.
• Rambus Dynamic RAM. DRDRAM is een geheugensubsysteem dat beloofd heeft tot 1,6 miljard bytes per seconde over te dragen. Het subsysteem bestaat uit RAM, de RAM-controller, de bus die de RAM verbindt met de microprocessor en apparaten in de computer die er gebruik van maken.
• Read-only memory. ROM is een type computeropslag dat niet-vluchtige, permanente gegevens bevat die normaal gesproken alleen kunnen worden gelezen en niet kunnen worden beschreven. ROM bevat de programmering die een computer in staat stelt elke keer dat hij wordt aangezet op te starten of te regenereren.
• Programmeerbaar ROM. PROM is ROM dat eenmalig door een gebruiker kan worden gewijzigd. Het stelt een gebruiker in staat een microcodeprogramma op maat te maken met behulp van een speciale machine, een zogenaamde PROM-programmeur.
• Erasable PROM. EPROM is een programmeerbaar read-only geheugen dat kan worden gewist en opnieuw kan worden gebruikt. Het wissen gebeurt door met een intens ultraviolet licht door een in de geheugenchip ingebouwd venster te schijnen.
• Elektrisch wisbare PROM. EEPROM is een door de gebruiker wijzigbaar ROM dat herhaaldelijk kan worden gewist en geherprogrammeerd door de toepassing van een hoger dan normale elektrische spanning. In tegenstelling tot EPROM-chips hoeven EEPROM's niet uit de computer te worden verwijderd om te kunnen worden gewijzigd. Een EEPROM-chip moet echter in zijn geheel worden gewist en opnieuw geprogrammeerd, niet selectief.
• Virtueel geheugen. Een geheugenbeheertechniek waarbij secundair geheugen kan worden gebruikt alsof het een deel van het hoofdgeheugen is. Virtueel geheugen maakt gebruik van hardware en software om een computer in staat te stellen fysieke geheugentekorten te compenseren door gegevens tijdelijk van RAM naar schijfopslag over te brengen.

Tijdlijn van de geschiedenis en evolutie van het computergeheugen

In het begin van de jaren veertig was geheugen slechts beschikbaar tot een paar bytes ruimte. Een van de belangrijkste tekenen van vooruitgang in die tijd was de uitvinding van het akoestische vertragingslijngeheugen. Met deze technologie konden vertragingslijnen bits opslaan als geluidsgolven in kwik, en kwartskristallen fungeren als transducers om bits te lezen en te schrijven. Met dit proces konden een paar honderdduizend bits worden opgeslagen. Aan het eind van de jaren veertig begon men onderzoek te doen naar niet-vluchtige geheugens, en er werd een geheugen met magnetische kern ontwikkeld dat het mogelijk maakte het geheugen op te roepen na een stroomstoring. Tegen de jaren 1950 was deze technologie verbeterd en gecommercialiseerd, hetgeen leidde tot de uitvinding van PROM in 1956. Magnetic-core memory werd zo wijdverbreid dat het tot in de jaren zestig de belangrijkste vorm van geheugen was.

Metaaloxidehalfgeleider-veldeffecttransistoren, ook bekend als MOS-halfgeleidergeheugen, werden in 1959 uitgevonden. Dit maakte het gebruik van MOS-transistors als elementen voor geheugencelopslag mogelijk. MOS-geheugen was goedkoper en had minder stroom nodig in vergelijking met geheugen met magnetische kern. Bipolair geheugen, dat gebruik maakte van bipolaire transistors, werd in het begin van de jaren zestig in gebruik genomen.

In 1961 stelde Bob Norman het concept voor van vastestofgeheugen dat op een chip van een geïntegreerd circuit (IC) zou worden gebruikt. IBM bracht het geheugen in 1965 op de markt. Gebruikers vonden solid-state geheugen in die tijd echter te duur in vergelijking met andere geheugentypen. Andere ontwikkelingen in het begin en het midden van de jaren zestig waren de uitvinding van bipolair SRAM, de invoering van DRAM door Toshiba in 1965 en het commerciële gebruik van SRAM in 1965. De DRAM-cel met één transistor werd ontwikkeld in 1966, gevolgd door een MOS-halfgeleiderapparaat dat in 1967 werd gebruikt om ROM te maken. Van 1968 tot het begin van de jaren zeventig begon ook het N-type MOS (NMOS) geheugen populair te worden.

In het begin van de jaren zeventig begon het op MOS gebaseerde geheugen op veel grotere schaal als geheugenvorm te worden gebruikt. In 1970 had Intel de eerste commerciële DRAM IC-chip. Een jaar later werd de uitwisbare PROM ontwikkeld en in 1972 werd de EEPROM uitgevonden.