Ein Refresh ist eine Bezeichnung im Bereich der Informatik, womit Vorgänge bezeichnet werden, wo zum Beispiel eine Auffrischung von Daten oder Datensätzen erfolgt. Refresh ist ein englischsprachiges Synonym für einen Auffrischungs- oder Anpassungsvorgang. Diese Begrifflichkeit impliziert auch eine Methode des Speicherzugriffs, den Dynamic Random Access Memory, oder eben Refresh. Zur Verdeutlichung sollte zuerst der Begriff des dynamischen RAM erläutert werden. Dieser ist übernommen worden vom englischen Dynamic Random Access Memory, dem DRAM. Hierbei handelt es sich um einen elektronischen Speicherbaustein der seine Verwendung sehr oft in Computern hat. Ein Random Access Memory oder RAM bedeutet einen wahlfreien Zugriff des Speichers. Die Daten werden dabei in einem Kondensator gespeichert, der innerhalb des RAM verbaut ist. Dieser Kondensator befindet sich in einem geladenen oder alternativ in einem entladenen Zustand. Ein angeschlossener Schalttransistor sorgt dafür, dass der Kondensator für die Datenströme zugänglich ist. Dieser wird dann entweder (mit Daten) geladen oder in umgekehrter Form, wieder entladen. Das bedeutet der Inhalt des entsprechenden Speichers ist als volatil zu bezeichnen. Besteht nun beispielsweise eine zu geringe Betriebsspannung im Computersystem oder findet eine Wiederauffrischung mit neuen Daten, also ein Refresh, zu spät statt, so gehen die bis dahin gespeicherten Informationen verloren.
Der Refresh – ein wichtiges Element in der Computertechnologie
Der Vorteil dieses Computerspeicherbauteils ist natürlich seine sehr geringe Größe. Der DRAM vereinigt eine teils extrem hohe Datendichte auf einer demgegenüber sehr kleinen Speicher- oder Chipfläche. Dazu kommen noch günstige Produktionskosten, das die Chips mittlerweile in einer sehr großen Stückzahl produziert werden. So können bei Bedarf sehr große Speichermengen zum Einsatz kommen. Nun kann es vorkommen, dass die Daten, die im Kondensator gespeichert sind, mit der Zeit weniger werden, sprich sich teilweise auflösen können. Dieses kann durch sogenannte Leckströme begünstigt werden und auftreten, solange die Daten nicht in einem bestimmten Zeitabstand immer wieder aufgefrischt werden, also durch einen Refresh abgesichert sind. Dieser Refresh geschieht üblicherweise in Abständen von einigen Millisekunden. Der Refresh des Computerspeichers wird dabei zeilenweise vorgenommen. Dieser Vorgang ist für den Anwender so nicht wahrnehmbar. Dazu müssten entsprechende Messinstrumente angeschlossen werden. Bei dem Vorgang des Refresh wird immer eine Zelle des Speichers (Chips) in einem einzigen Schritt in einen Zeilenpuffer übertragen. Der Puffer befindet sich auf dem jeweiligen Chip. Von dem Puffer erfolgt eine verstärkte Übertragung zurück in die Speicherzelle. Deshalb wird der Speicher des PCs auch als dynamischer Speicher bezeichnet, da dieser Refresh Vorgang praktisch dynamisch von dem Speicher hin zum Zeilenpuffer und wieder zurück zur Zelle erfolgt. Der Refresh vom DRAM hat zur Folge, dass auch im Ruhezustand eine entsprechende Menge an Energie, also Strom, verbraucht wird. Die Datenströme oder die geladenen Daten können sich unter Umständen noch länger in den Speichern halten, als in den angegebenen Millisekunden. Dies kann zum Beispiel durch Toleranzen in der Herstellung der Speicherchips bedingt sein. Daher ist es möglich das Daten sogar noch Sekunden oder einige Minuten in den Speicherzellen erhalten bleiben können. Dennoch ist ein Refresh ein wichtiger Vorgang, damit nach Möglichkeit alle gespeicherten Daten in ihrer Form erhalten bleiben. Durch immer weiter verbesserte Technologien sollen die Leckströme sowie auch Datenverluste durch ein Umladen der Geräte, verhindert werden. Hier ist die Versorgungsspannung eines Computers mit verantwortlich, die immer weiter reduziert werden soll. Ein Unterschied macht sich zum Beispiel in den Bauarten der Speicherchips bemerkbar. Ein etwas älterer DDR-SDRAM Speicher benötigt als Stromversorgung beispielsweise noch 2,5 Volt, ein modernerer DDR2-SDRAM Speicher benötigt dagegen nur noch eine Versorgung mit 1,8 Volt. Ein Refresh ist aber gleichzeitig für die Lebensdauer eines Speichers nicht ganz unwichtig. Mit einem Refresh Vorgang wird diese kontinuierlich aufrechterhalten.
Ein Refresh des Speichers – und neue Daten werden problemlos geladen
Um Daten einlesen zu können, muss vom sogenannten Spaltendekoder die Spaltenadresse im Chip dekodiert werden. Die Spaltenauswahlleitung, die mit der Spaltenadresse in Verbindung steht, beziehungsweise korrespondiert, wird aktiviert und tritt mit einer oder einer Vielzahl von Bitleitungen in Korrespondenz. Diese Bitleitungen befinden sich am Ausgang von den primären Leseverstärkern, die wiederum aus dem Zellenfeld des Chips herausgeführt werden. Die dann ausgelesenen Datenströme werden in das so bezeichnete Schieberegister eingelesen, was parallel passiert. Dort angekommen, werden die Daten synchronisiert mit einem sogenannten Takt, um schließlich dadurch verstärkt wieder ausgelesen zu werden. Die Daten, die in den DRAM eingeschrieben werden, werden fast zeitgleich mit der Spaltenadresse eingelesen. Diese wird vom Spaltendekoder dekodiert. Die dort hinführende Spaltenauswahlleitung wird ebenfalls aktiviert. Durch dieses Ereignis wird eine Verbindung, durch die dann die Daten eingeschrieben werden, zwischen Datenleitung sowie einer dazugehörigen Bitleitung hergestellt. Parallel dazu, zur Dekodierung der Spaltenadresse, werden die Daten an den Spaltenauswahlblock geleitet, und schließlich an die Bitleitungen weitergegeben. Die primären Leseverstärker werden bei diesem Vorgang überschrieben. Damit erhalte sie die Form, die den an der Computertastatur geschrieben Daten entsprechen. Letztendlich unterstützen diese Leseverstärker das Umladen der jeweiligen Bitleitungen sowie der Speicherkondensatoren in dem Zellenfeld des Chips.
Der Refresh als spezielle Eigenschaft des DRAM
Wie eingangs schon erwähnt, ist es notwendig in kurzen Zeitabständen ein Refresh, die Wiederauffrischung des Speicherinhalts, durchzuführen. Die auftretenden Leckströme im Speicherchip verändern die in den Kondensatoren gespeicherte Datenmenge. Diese Leckströme haben eine exponentielle Abhängigkeit von der Temperatur. Das bedeutet, die Zeit wonach der Speicherinhalt einer einzelnen Zelle nicht mehr richtig bemessen werden kann, halbiert sich bei einem Ansteigen der Temperatur um etwa fünfzehn bis zwanzig Grad Celsius. Die Zeit, die für ein Refresh durchgeführt werden kann, beläuft sich bei einem durchschnittlichen DRAM auf etwa 32 oder 64 Millisekunden (ms). Technologisch sieht solch ein Refresh so aus, dass die im Chip enthaltenen primären Leseverstärker mit einer sogenannten Latch-Register-Funktion versehen sind. Diese werden als Flip-Flops bezeichnet, als SRAM-Zellen. Wird nun eine spezielle Zeile oder Seite des Chips ausgewählt um neue Daten aufzunehmen, so wird die gesamte Zeile in eben diesen Latch vom Leseverstärker hinein kopiert. Die Ausgänge vom Verstärker sind mit den Eingängen des gleichen Verstärkers verbunden. Deshalb werden die verstärkten Signaldaten direkt in die dynamischen Speicherzellen der entsprechenden Chipzeile zurückgeschrieben. Dadurch hat ein Refresh stattgefunden. Um einen Refresh durchzuführen, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten einer Refresh-Steuerung. Die Methodik des RAS-only-Refresh basiert darauf, dass beim Aktivieren einer Zeile mit einem Rückschreiben des Zellinhalts einhergeht. Der Controller des Speichers muss daher die Zeilenadresse der nun aufzufrischenden Zeile extern anlegen. Über die eingehenden Steuersignale wird eine Zeilaktivierung bewirkt. Weiter gibt es die Methode des Self-Refresh. Hierbei wird nun zum größten Teil auf externe Adress- oder Steuersignale verzichtet. Der DRAM ist in einem Stromsparmodus aktiviert, dem so bezeichneten power-down. Dadurch reagiert der DRAM nicht auf externe Datensignale. Eine Ausnahme sind die Signale, die dem Chip das Verbleiben in eben diesem Modus signalisieren. Damit nun die gespeicherten Daten erhalten bleiben wird ein interner Zähler eingesetzt, der im DRAM integriert ist. Dieser Zähler initiiert in bestimmten zeitlichen Abständen einen Auto-Refresh, den CAS-before-RAS-Refresh. In neuen DDR2 oder DDR3 Chips wird diese zeitliche Periode für den durchzuführenden Refresh meistens in Abhängigkeit von der Temperatur geregelt. Dieses passiert dann in Funktion als Temperature Controlled Self-Refresh (TCSR). Der Betriebsstrom im Self-Refresh-Modus wird dadurch bei niedrigen Temperaturen deutlich reduziert. Je nach Umgebung der Chip-Schaltung wird der Normalbetrieb des Computersystems unterbrochen. So kann der Refresh-Vorgang bei einer Interrupt-Routine, die regelmäßig aufgerufen wird, stattfinden. Dieser Vorgang kann mit einer jeweilig eigenen Zählvariablen eine Speicherzelle in der entsprechenden Zeile des Chips auslesen. Damit wird diese Zeile dann aufgefrischt, ein Refresh findet nur für diese spezielle Zeile statt.
Zusammenfassung
In der Informatik bezieht sich der Begriff Refresh auf die Auffrischung oder Aktualisierung von Daten, insbesondere im Kontext von Dynamic Random Access Memory (DRAM). DRAM ist ein volatiler Speichertyp, der für seine hohe Datendichte und geringen Produktionskosten geschätzt wird. Der Inhalt in DRAM-Kondensatoren kann durch Leckströme oder unzureichende Betriebsspannung verloren gehen, weshalb regelmäßige Refresh-Vorgänge erforderlich sind.
Der Refresh-Prozess erfolgt in Millisekunden-Intervallen und ist für den Benutzer in der Regel nicht wahrnehmbar. Er beinhaltet das Übertragen von Daten zwischen dem Zeilenpuffer und der Speicherzelle, um den Inhalt zu erneuern. Dieser Vorgang hält Datenströme stabil und verhindert Datenverlust, erhöht jedoch auch den Energieverbrauch des Speichers.
Es gibt verschiedene Refresh-Methoden, darunter RAS-only-Refresh und Self-Refresh. Letzterer ist ein stromsparender Modus, in dem ein interner Zähler Auto-Refresh-Vorgänge initiiert, die oft temperaturabhängig sind. Diese Mechanismen sorgen dafür, dass die Lebensdauer des DRAM-Speichers erhalten bleibt und verbessern die Effizienz moderner Computer-Systeme.
Häufige Fragen und Antworten
Was ist ein Refresh in der Informatik?
Ein Refresh ist eine Auffrischung oder Aktualisierung von Daten in der Informatik. Es bezieht sich insbesondere auf den Dynamic Random Access Memory (DRAM), der ein volatiler Speichertyp ist. Durch regelmäßige Refresh-Vorgänge werden Leckströme und ein Datenverlust vermieden, um die Integrität der gespeicherten Daten zu gewährleisten.
Warum ist ein Refresh beim DRAM-Speicher wichtig?
Ein Refresh ist beim DRAM-Speicher wichtig, um den Inhalt der Speicherzellen aufzufrischen und Datenverluste zu verhindern. Durch Leckströme können die gespeicherten Daten im Kondensator des Speicherchips allmählich verloren gehen, wenn sie nicht regelmäßig erneuert werden. Ein Refresh-Prozess stellt sicher, dass die Datenströme stabil bleiben und die gespeicherten Informationen korrekt abgerufen werden können.
Wie funktioniert der Refresh beim DRAM-Speicher?
Der Refresh beim DRAM-Speicher erfolgt zeilenweise in Millisekunden-Intervallen. Dabei werden die Datenströme zwischen dem Zeilenpuffer und den Speicherzellen übertragen, um den Inhalt des Speichers aufzufrischen. Dieser Vorgang garantiert, dass die gespeicherten Daten konstant bleiben und bei Bedarf problemlos abgerufen werden können.