Unter einem Expansionsspeicher wird eine Speichererweiterung verstanden, die insbesondere zu Beginn des PC-Zeitalters oftmals genutzt wurde, um den bis dahin ansprechbaren Adressraum bis maximal 1 MB zu erweitern. Infolgedessen wurde auch eine Schnittstelle geschaffen, die auf einem x86-Rechner im Real Mode auf diesen Speicher zugreifen konnte. Das Verfahren wurde kurz EMS für Expanded Memory Specification genannt. In erster Linie war diese Speichertechnik für die Prozessoren 8086, 8088, 80186 und 80286 gedacht. Soweit auch die Nachfolgeprozessoren im Real Mode arbeiteten, konnten auch sie auf diese Technik zurückgreifen.

Expansionsspeicher Geschichte

In den 80er Jahren dominierte das Betriebssystem MSDOS auf den PCs. In der Anfangszeit reichte der 640 KB umfassende Arbeitsspeicher für die damaligen Anwendungen aus. Diese wurden jedoch im Laufe der Zeit viel komplexer. Ein Beispiel waren die Tabellenkalkulationen, die enormen Speicherplatz für ihre Berechnungen benötigten. Auf der Suche nach Lösungen wurden schließlich spezielle Speicherkarten entwickelt, die zusätzlich in einen freien Port auf dem Motherboard des Rechners eingesteckt werden konnten.

Da die damaligen PCs nur einen Adressraum von 1 MB adressieren konnten, wurde ein Teil des Kartenspeichers in diesen Adressraum hineingeblendet. Programme konnten dann auf diesen Speicher zugreifen. Spezielle Programmbefehle steuerten genau, welcher Teil des Kartenspeichers in der Größe zwischen 512 KB und 2 MB angesprochen werden konnte. Die Rede war vom sogenannten Memory Bank Switching. Ein Programm konnte jedoch nie den gesamten Speicher der Steckkarte auf einmal benutzen. Nur der eingeblendete Teil war zu verwenden. Diese Speicherkarten wurden früher Memory Expander und der Speicher auf ihnen Expanded Memory genannt.

Schon damals gab es einen heiß umkämpften Hardwaremarkt. Dies führte dazu, dass viele Karten zueinander inkompatibel waren. Ein Programm, welches auf eine solche Speicherkarte zugreifen wollte, musste die genau für diese Karte funktionierenden Befehle aufweisen. 1985 einigten sich die drei großen Hersteller Lotus, Microsoft und Intel auf einen gemeinsamen Standard, der fortan als LIM-EMS bezeichnet wurde. Wenn heute von Expanded Memory die Rede ist, wird in der Regel diese Speichertechnik gemeint.

Expansionsspeicher als LIM-EMS

Voraussetzung für den LIM-EMS ist ein Expanded-Memory-Manager, auch unter der Kurzbezeichnung EMM bekannt. Es handelt sich hierbei um einen speziellen Gerätetreiber für den Zugriff auf den Expansionsspeicher über einen Software-Interrupt. Hierbei wird der Expansionsspeicher in einzelne Pages, also Seiten zu je 16 KB aufgeteilt. Über ein Page Frame wird im Adressraum ein 64 KB großes Fenster reserviert, mithilfe dessen je 4 EMS-Seiten eingeblendet werden können. In der Regel belegt das EMS-Frame die Speicheradressen Hex-D0000 bis Hex-DFFFF. Der Speicherseitenanfang der jeweiligen EMS-Seiten liegt bei Hex-D0000, D4000, D8000, sowie DC000.

Der Expansionsspeicher wird über einen vom Kartenhersteller entwickelten EMS-Treiber angesprochen. Sehr geläufig war der Treiber emm.sys. Dieser Treiber bietet alle wesentlichen Funktionen, wie zum Beispiel das Belegen und Freigeben der Speicherseiten, das Ein- und Ausblenden einzelner Pages im EMS-Fenster, sowie die Anzeige der Speichergröße einzelner Pages oder des gesamten Speichers. Generell wurde hierbei der Software-Interrupt Hex-67 verwendet.

Expansionsspeicher in 80386er Rechner

EMS-Speicherkarten waren nicht billig und erreichten dadurch eine nicht allzu große Verbreitung. Als der 386er Pentium erschwinglich wurde, war der Einsatz von Expansionsspeicher-Karten überflüssig geworden. Der neue Prozessor beherrschte einen neuen Betriebsmodus, dem Virtual-8086-Mode, mit dem eine MSDOS-Real-Mode-Umgebung in einer Protected-Mode-Umgebung emuliert werden konnte. Protected Mode beherrschten alle Intel-Prozessoren ab dem 80386 und auch die damit verbundene Paging-Technik. Hierbei können virtuelle Programmadressen auf mehreren physischen Speicheradressen verschoben werden.

Für diese Speichertechniken wird ein Treiber für ein EMS-Fenster benötigt, der alle Speicherzugriffe auf Bereiche jenseits der 1 MB-Grenze umlenkt. Es handelte sich hierbei um den von MSDOS bekannten Treiber emm386.sys. Als ärgster Konkurrent war der von der Firma Quarterdeck entwickelte qemm386.sys bekannt. Mithilfe dieser Treiber konnte der Hauptspeicher des Rechners direkt jenseits der 1 MB angesprochen werden, ohne dass überhaupt eine Expansionsspeicherkarte eingebaut werden musste. Lediglich der vorhandene Hauptspeicher musste dabei entsprechend groß genug sein.

In heutiger Zeit spielt der Expansionsspeicher keine Bedeutung mehr. Die heutigen Betriebssysteme sind hierauf nicht mehr angewiesen, da sie ehedem im Protected Mode laufen. Moderne Prozessoren können zudem wesentlich mehr Arbeitsspeicher adressieren und sind daher beim Speichermanagement sehr flexibel. Eine Nische bildet der virtuelle Expansionsspeicher, der im Protected Mode emuliert wird. Er bietet eine einfache Bedienung und wird gerne zu Versuchszwecken eingesetzt.