「ram」RAM的理解 - seo实验室

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一、RAM的定义

RAM ：随机存取存储器（random access memory，RAM）又称作“随机存储器”。

是与CPU直接交换数据的内部存储器，也叫主存(内存)。它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。

在计算机的组成结构中，有一个很重要的部分，就是存储器。存储器是用来存储程序和数据的部件，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。存储器的种类很多，按其用途可分为主存储器和辅助存储器[或者内存储器和外存储器，主存储器简称内存。内存在电脑中起着举足轻重的作用。内存一般采用半导体存储单元。

因为RAM是内存其中最重要的存储器，所以通常我们直接称之为内存。

二、RAM的特点

存储速度：

RAM芯片的存储速度比ROM芯片的速度快,但比Cache的速度慢

优缺点：

静态RAM是靠双稳态触发器来记忆信息的；动态RAM是靠MOS电路中的栅极电容来记忆信息的。由于电容上的电荷会泄漏，需要定时给与补充，所以动态RAM需要设置刷新电路。但动态RAM比静态RAM集成度高、功耗低，从而成本也低，适于作大容量存储器。所以主内存通常采用动态RAM，而高速缓冲存储器（Cache）则使用静态RAM。另外，内存还应用于显卡、声卡及CMOS等设备中，用于充当设备缓存或保存固定的程序及数据。

三、RAM的分类

　1) 静态RAM（Static RAM / SRAM），SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备了，但是它也非常昂贵，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一级缓冲，二级缓冲。

　2) 动态RAM（Dynamic RAM / DRAM），DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何的ROM都要快，但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多，计算机内存就是DRAM的。

　DRAM分为很多种，常见的主要有FPRAM / FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等。SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory）：为同步动态随机存取内存。1996年底，SDRAM开始在系统中出现，不同于早期的技术，SDRAM是为了与中央处理器的计时同步化所设计，这使得内存控制器能够掌握准备所要求的数据所需的准确时钟周期,因此中央处理器从此不需要延后下一次的数据存取。举例而言，PC66 SDRAM以66MHz的速度运作；PC100 SDRAM以100MHz的速度运作；PC133 SDRAM以133MHz的速度运作，以此类推。所以SDRAM也可以称之为Single Data Rate(单倍数据传输率)RAM。

DDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM）：为双信道同步动态随机存取内存，是新一代的SDRAM技术。DDR内存芯片的数据预取宽度（Prefetch）为2 bit（SDRAM的两倍）。举例而言，使用DDR SDRAM时，一个100MHZ或 133MHz内存总线clock rate能够达到200MHz或266MHz的实际数据传输速率。

DDR2 SDRAM（Double Data Rate Two SDRAM）：为双信道两次同步动态随机存取内存。DDR2内存Prefetch又再度提升至4 bit（DDR的两倍），即每次会存取4 bits为一组的数据，以两倍的频率输出至Data Bus以核心速度200MHz为例，数据传输速度DDR可达400MT/s，DDR2则可达800MT/s，数据存取效率倍增。

DDR3 SDRAM（Double Data Rate Three SDRAM）：为双信道三次同步动态随机存取内存。DDR3内存Prefetch提升至8 bit，即每次会存取8 bits为一组的数据。运算频率介于 800MHz -1600MHz之间。此外，DDR3 的规格要求将电压控制在1.5V，较 DDR2的1.8V更为省电。DDR3并新增 thermal sensor 的功能，为了要确保所存贮的数据不遗失，因此必须要定期 self-refresh ，不过为了节省电力，DDR3采用 ASR(Automatic self-refresh) 的设计，以确保在数据不遗失情况下，尽量减少更新频率来降低温度。

物理Bank

传统内存系统为了保证CPU的正常工作，必须一次传输完CPU在一个传输周期内所需要的数据。而CPU在一个传输周期能接受的数据容量就是CPU数据总线的位宽，单位是bit（位）。　

当时控制内存与CPU之间数据交换的北桥芯片也因此将内存总线的数据位宽等同于CPU数据总线的位宽，而这个位宽就称之为物理Bank（Physical Bank，下文简称P-Bank）的位宽。所以，那时的内存必须要组织成P-Bank来与CPU打交道。　

资格稍老的玩家应该还记得Pentium刚上市时，需要两条72pin的SIMM才能启动，因为一条72pin -SIMM只能提供32bit的位宽，不能满足Pentium的64bit数据总线的需要。直到168pin-SDRAM DIMM上市后，才可以使用一条内存开机。　　

要强调一点，P-Bank是SDRAM及以前传统内存家族的特有概念，在RDRAM中将以通道（Channel）取代，而对于像Intel E7500那样的并发式多通道DDR系统，传统的P-Bank概念也不适用。

芯片位宽

每个内存芯片也有自己的位宽，即每个传输周期能提供的数据量。理论上，完全可以做出一个位宽为64bit的芯片来满足P-Bank的需要，但这对技术的要求很高，在成本和实用性方面也都处于劣势。所以芯片的位宽一般都较小。　　

台式机市场所用的SDRAM芯片位宽最高也就是16bit，常见的则是8bit。这样，为了组成P-Bank所需的位宽，就需要多颗芯片并联工作。对于16bit芯片，需要4颗（4×16bit=64bit）。对于8bit芯片，则就需要8颗了。

逻辑Bank与芯片位宽

SDRAM的内部是一个存储阵列，因为如果是管道式存储（就如排队买票），就很难做到随机访问了。　　

阵列就如同表格一样，将数据“填”进去，你可以把它想象成一张表格。和表格的检索原理一样，先指定一个行（Row），再指定一个列（Column），我们就可以准确地找到所需要的单元格，这就是内存芯片寻址的基本原理。　　

对于内存，这个单元格可称为存储单元,那么这个表格（存储阵列）叫什么呢？它就是逻辑Bank（Logical Bank，下文简称L-Bank）。

由于技术、成本等原因，不可能只做一个全容量的L-Bank，而且最重要的是，由于SDRAM的工作原理限制，单一的L-Bank将会造成非常严重的寻址冲突，大幅降低内存效率。　　

所以人们在SDRAM内部分割成多个L-Bank，较早以前是两个，目前基本都是4个，这也是SDRAM规范中的最高L-Bank数量。到了RDRAM则最多达到了32个，在最新DDR-Ⅱ的标准中，L-Bank的数量也提高到了8个。　　

这样，在进行寻址时就要先确定是哪个L-Bank，然后再在这个选定的L-Bank中选择相应的行与列进行寻址。

可见对内存的访问，一次只能是一个L-Bank工作，而每次与北桥交换的数据就是L-Bank存储阵列中一个“存储单元”的容量。那么这个存储单元的容量就是芯片的位宽（也是L-Bank的位宽）

内存芯片的容量

存储单元数量 = 行数 × 列数（得到一个L-Bank的存储单元数量）× L-Bank的数量

SDRAM芯片的操作

1.寻址

1、首先，我们知道内存控制器要先确定一个P-Bank的芯片集合，然后才对这集合中的芯片进行寻址操作。因此要有一个片选的信号，它一次选择一个P-Bank的芯片集（根据位宽的不同，数量也不同）。被选中的芯片将同时接收或读取数据，所以要有一个片选信号。

2、接下来是对所有被选中的芯片进行统一的L-Bank的寻址，目前SDRAM中L-Bank的数量最高为4个，所以需要两个L-Bank地址信号（2的2次方=4）。

3、最后就是对被选中的芯片进行统一的行/列（存储单元）寻址。地址线数量要根据芯片的组织结构分别设计了。但在相同容量下，行数不变，只有列数会根据位宽的而变化，位宽越大，列数越少，因为所需的存储单元减少了。

4、找到了存储单元后，被选中的芯片就要进行统一的数据传输，那么肯定要有与位宽相同数量的数据I/O通道才行，所以肯定要有相应数量的数据线引脚。SDRAM的基本信号线如下图所示：

在介绍其他过程之前先认识一下SDRAM的内部结构：

芯片初始化

行有效时序图

初始化完成后，要想对一个L-Bank中的阵列进行寻址，首先就要确定行（Row），使之处于活动状态（Active），然后再确定列。虽然之前要进行片选和L-Bank的定址，但它们与行有效可以同时进行。

从图中可以看出，在CS#、L-Bank定址的同时，RAS（Row Address Strobe，行地址选通脉冲）也处于有效状态。此时An地址线则发送具体的行地址。如图中是A0-A11，共有12个地址线，由于是二进制表示法，所以共有4096个行（2的12次方=4096），A0-A11的不同数值就确定了具体的行地址。

由于行有效的同时也是相应L-Bank有效，所以行有效也可称为L-Bank有效。

列读写

行地址确定之后，就要对列地址进行寻址了。但是，地址线仍然是行地址所用的A0-A11（本例）。没错，在SDRAM中，行地址与列地址线是共用的。

不过，读/写的命令是怎么发出的呢？其实没有一个信号是发送读或写的明确命令的，而是通过芯片的可写状态的控制来达到读/写的目的。显然WE#信号就是一个关键。WE#无效时，当然就是读取命令。

列寻址信号与读写命令是同时发出的。虽然地址线与行寻址共用，但CAS（Column Address Strobe，列地址选通脉冲）信号则可以区分开行与列寻址的不同，配合A0-A9，A11（本例）来确定具体的列地址。

数据输出（读）

在选定列地址后，就已经确定了具体的存储单元，剩下的事情就是数据通过数据I/O通道（DQ）输出到内存总线上了。

但是在CAS发出之后，仍要经过一定的时间才能有数据输出，从CAS与读取命令发出到第一笔数据输出的这段时间，被定义为CL（CAS Latency，CAS潜伏期）。

由于CL只在读取时出现，所以CL又被称为读取潜伏期（RL，Read Latency）。

CL的单位与tRCD一样，为时钟周期数，具体耗时由时钟频率决定。

数据输入（写）

数据写入的操作也是在tRCD之后进行，但此时没有了CL（记住，CL只出现在读取操作中），行寻址与列寻址的时序图和上文一样，只是在列寻址时，WE#为有效状态。

突发长度

突发（Burst）是指在同一行中相邻的存储单元连续进行数据传输的方式，连续传输所涉及到存储单元（列）的数量就是突发长度（Burst Lengths，简称BL）。

在目前，由于内存控制器一次读/写P-Bank位宽的数据，也就是8个字节，但是在现实中小于8个字节的数据很少见，所以一般都要经过多个周期进行数据的传输。

上文讲到的读/写操作，都是一次对一个存储单元进行寻址，如果要连续读/写就还要对当前存储单元的下一个单元进行寻址，也就是要不断的发送列地址与读/写命令（行地址不变，所以不用再对行寻址）。

虽然由于读/写延迟相同可以让数据的传输在I/O端是连续的，但它占用了大量的内存控制资源，在数据进行连续传输时无法输入新的命令，效率很低（早期的FPE/EDO内存就是以这种方式进行连续的数据传输）。

为此，人们开发了突发传输技术，只要指定起始列地址与突发长度，内存就会依次地自动对后面相应数量的存储单元进行读/写操作而不再需要控制器连续地提供列地址。

这样，除了第一笔数据的传输需要若干个周期（主要是之前的延迟，一般的是tRCD+CL）外，其后每个数据只需一个周期的即可获得。

在很多北桥芯片的介绍中都有类似于X-1-1-1的字样，就是指这个意思，其中的X代表就代表第一笔数据所用的周期数。

数据掩码

在讲述读/写操作时，我们谈到了突发长度。如果BL=4，那么也就是说一次就传送4×64bit的数据。但是，如果其中的第二笔数据是不需要的，怎么办？还都传输吗？

为了屏蔽不需要的数据，人们采用了数据掩码（Data I/O Mask，简称DQM）技术。通过DQM，内存可以控制I/O端口取消哪些输出或输入的数据。这里需要强调的是，在读取时，被屏蔽的数据仍然会从存储体传出，只是在“掩码逻辑单元”处被屏蔽。

DQM由北桥控制，为了精确屏蔽一个P-Bank位宽中的每个字节，每个DIMM有8个DQM信号线，每个信号针对一个字节。这样，对于4bit位宽芯片，两个芯片共用一个DQM信号线，对于8bit位宽芯片，一个芯片占用一个DQM信号，而对于16bit位宽芯片，则需要两个DQM引脚。

SDRAM官方规定，在读取时DQM发出两个时钟周期后生效，而在写入时，DQM与写入命令一样是立即成效。

致谢：

1、RAM的简介

2、DDR3详解（以Micron MT41J128M8 1Gb DDR3 SDRAM为例）

RAM的理解

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