內(nèi)存儲(chǔ)器的硬件知識(shí)

初識(shí)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)——內(nèi)存儲(chǔ)器的硬件知識(shí)主講：劉亞琦《辦公自動(dòng)化》4．內(nèi)存數(shù)據(jù)位寬內(nèi)存與CPU的位數(shù)發(fā)展同步，表示一個(gè)周期內(nèi)所處理的數(shù)據(jù)位數(shù)，DDR/DDR2/DDR3的位寬是64位（bit）。內(nèi)存的配置中有一種技術(shù)叫做“雙通道”，它是指在主板的雙通道（通常是兩根顏色一樣的）內(nèi)存插槽上，插入兩根一模一樣的內(nèi)存條，此時(shí)內(nèi)存的數(shù)據(jù)位寬將變?yōu)閱胃鶗r(shí)的兩倍，這樣內(nèi)存的帶寬也將變?yōu)閱胃鶗r(shí)的兩倍。5．內(nèi)存帶寬內(nèi)存帶寬指的是內(nèi)存每秒內(nèi)的數(shù)據(jù)吞吐量，其計(jì)算公式為：內(nèi)存帶寬=內(nèi)存核心頻率×內(nèi)存倍增系數(shù)×數(shù)據(jù)位寬/8（GB/s）3.3.2內(nèi)存發(fā)展286初期電腦之前，內(nèi)存都是以芯片方式直接應(yīng)用在電腦中，存在著無法拆卸更換的弊病，鑒于此，將內(nèi)存芯片焊接到事先設(shè)計(jì)好的印刷線路板上制作成內(nèi)存條成為一個(gè)沿用至今的方法，而電腦主板上也相應(yīng)改用內(nèi)存插槽，這樣就把內(nèi)存難以安裝和更換的問題徹底解決了。286初期內(nèi)存容量只有64～256KB，內(nèi)存條的出現(xiàn)提高了速度并擴(kuò)大容量。在80286主板剛推出的時(shí)候，內(nèi)存條采用了SIMM（SingleIn-lineMemoryModules，單邊接觸出現(xiàn)了72pinSIMM接口內(nèi)存，72pinSIMM支持32bit快速頁模式內(nèi)存，內(nèi)存帶寬得以大幅度提升。72pinSIMM內(nèi)存單條容量一般為512KB～2MB，而且僅要求兩條同時(shí)使用，與30pinSIMM內(nèi)存無法兼容。EDODRAM（ExtendedDateOutRAM外擴(kuò)充數(shù)據(jù)模式存儲(chǔ)器）內(nèi)存，這是1991年到1995年之間盛行的內(nèi)存條，比普通DRAM快15~30%。工作電壓為一般為5V，帶寬32bit，速度在40ns以上，其主要應(yīng)用在當(dāng)時(shí)的486及早期的Pentium電腦上。自IntelCeleron系列以及AMDK6處理器以及相關(guān)的主板芯片組推出后內(nèi)存開始進(jìn)入比較經(jīng)典的SDRAM時(shí)代。SDRAM內(nèi)存由早期的66MHz，發(fā)展后來的100MHz、133MHz，盡管沒能徹底解決內(nèi)存帶寬的瓶頸問題，但此時(shí)CPU超頻已經(jīng)成為DIY用戶永恒的話題，所以不少用戶將品牌好的PC100品牌內(nèi)存超頻到133MHz使用以獲得CPU超頻成功，值得一提的是，為了方便一些超頻用戶需求，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些PC150、PC166規(guī)范的內(nèi)存。基于SDRAM內(nèi)存，分別出現(xiàn)了DDR、DDR2、DDR3等內(nèi)存類型。3.3.3內(nèi)存的分類1.按內(nèi)存條的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分類根據(jù)內(nèi)存條的不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可分為SDRAM、DDRSDRAM、DDR2SDRAM、DDR3SDRAM等，通常省略后面的SDRAM稱位，直接叫做DDR2、DDR3等。目前桌面?zhèn)€人電腦主流技術(shù)室DDR3。顯卡設(shè)備中使用的內(nèi)存稱位GDDR，目前顯卡中的所謂DDR5內(nèi)存是GDDR5系列內(nèi)存，并不是真正意義上的DDR5。●SDRAM（SynchronousDRAM）：同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器之所以被稱為“同步”，因?yàn)镾DR內(nèi)存的存儲(chǔ)單元頻率、I/O頻率及數(shù)據(jù)傳輸率都是相同的，比如經(jīng)典的PC133，三種頻率都是133MHz。

SDRAM在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只能讀/寫一次，只在時(shí)鐘上升期讀/寫數(shù)據(jù)，當(dāng)同時(shí)需要讀取和寫入時(shí)，就得等待其中一個(gè)動(dòng)作完成之后才能繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。●DDR（DoubleDateRateSDRAM）：雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器雙倍是指在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸兩次數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘的上升期和下降期各傳輸一次數(shù)據(jù)(通過差分時(shí)鐘技術(shù)實(shí)現(xiàn))，在存儲(chǔ)陣列頻率不變的情況下，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到了SDR的兩倍，此時(shí)就需要I/O從存儲(chǔ)陣列中預(yù)取2bit數(shù)據(jù)，因此I/O的工作頻率是存儲(chǔ)陣列頻率的兩倍?！馜DR2（DDR2SDRAM）：第二代雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器

DDR2在DDR1的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)預(yù)取位數(shù)從2bit擴(kuò)充至4bit，此時(shí)上下行同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)（雙倍）已經(jīng)滿足不了4bit預(yù)取的要求，因此I/O控制器頻率必須加倍。至此，在存儲(chǔ)單元頻率保持133-200MHz不變的情況下，DDR2的實(shí)際頻率達(dá)到了266-400MHz，而（等效）數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到了533-800MHz?！馜DR3（DDR3SDRAM）：第三代雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DDR3就更容易理解了，數(shù)據(jù)預(yù)取位數(shù)再次翻倍到8bit，同理I/O控制器頻率也加倍。此時(shí)，在存儲(chǔ)單元頻率保持133-200MHz不變的情況下，DDR3的實(shí)際頻率達(dá)到了533-800MHz，而（等效）數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)1066-1600MHz。綜上可以看出，DDR1/2/3的發(fā)展是圍繞著數(shù)據(jù)預(yù)取而進(jìn)行的，同時(shí)也給I/O控制器造成了不小的壓力，雖然存儲(chǔ)單元的工作頻率保持不變，但I(xiàn)/O頻率以級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，我們可以看到DDR3的I/O頻率已逼近1GHz大關(guān)，此時(shí)I/O頻率成為了新的瓶頸，如果繼續(xù)推出DDR4的話，將會(huì)受到很多未知因素的制約，必須等待更先進(jìn)的工藝或者新解決方案的出現(xiàn)才有可能延續(xù)DDR的生命。2.按內(nèi)存條的適用機(jī)型分類臺(tái)式機(jī)內(nèi)存條臺(tái)式機(jī)內(nèi)存使用標(biāo)準(zhǔn)DIMM雙邊接觸式內(nèi)存模組，這種類型的借口內(nèi)存兩邊都有引腳，目前DDR2和DDR3內(nèi)存及手指的數(shù)量是240線。筆記本內(nèi)存條筆記本內(nèi)存條是一種改良型的DIMM模塊，稱位SO-DIMM尺寸要比臺(tái)式機(jī)內(nèi)存小，針腳數(shù)DDR3的只有204針，DDR2為200針。圖為兩種內(nèi)存的比較3.3.4內(nèi)存的時(shí)間參數(shù)先來看一下內(nèi)存延遲的概念。內(nèi)存延遲是指等待對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的訪問完成時(shí)引起的延期。根本問題在于CPU的主頻達(dá)到吉赫茲，而內(nèi)存芯片速率僅為數(shù)百兆赫茲，時(shí)鐘速度之比為10:1。因此，當(dāng)處理器需要處于內(nèi)存高速緩存之外的數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，每個(gè)周期必須等待10個(gè)時(shí)鐘周期才能使內(nèi)存芯片完成數(shù)據(jù)的提取和發(fā)送。通常，這些提取需要檢索多個(gè)內(nèi)存周期，然后需要更長(zhǎng)時(shí)間通過到處理器的路徑。這就意味著提取數(shù)據(jù)會(huì)占用數(shù)百個(gè)處理器時(shí)鐘周期，在此期間應(yīng)用不能處理其它任何任務(wù)。內(nèi)存延遲表示系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)存取操作就緒狀態(tài)前等待內(nèi)存響應(yīng)的時(shí)間，它通常用4個(gè)連著的阿拉伯?dāng)?shù)字來表示，例如“3-4-4-8”，一般而言四個(gè)數(shù)中越往后值越大，在每一個(gè)類型的內(nèi)存時(shí)代中，這4個(gè)數(shù)字越小，表示內(nèi)存性能越好。由于沒有比2-2-2-5更低的延遲，因此國際內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)組織認(rèn)為以現(xiàn)在的動(dòng)態(tài)內(nèi)存技術(shù)還無法實(shí)現(xiàn)0或者1的延遲。但也并非延遲越小內(nèi)存性能越高，因?yàn)镃L-TRP-TRCD-TRAS這四個(gè)數(shù)值是配合使用的，相互影響的程度非常大，并且也不是數(shù)值最大時(shí)其性能也最差，那么更加合理的配比參數(shù)很重要。第一個(gè)數(shù)字最為重要，表示注冊(cè)讀取命令到第一個(gè)輸出數(shù)據(jù)之間的延遲（CASLatency），即CL值，單位是時(shí)鐘周期。這是縱向地址脈沖的反應(yīng)時(shí)間。DDR內(nèi)存的CL值主要為2、2.5、3，DDR2的CL值在3~6之間，DDR3在5~9之間。不少消費(fèi)者均被CAS延遲值數(shù)值所誤導(dǎo)，認(rèn)為DDR3內(nèi)存的延遲表現(xiàn)將不及DDR2。但這是完全錯(cuò)誤的觀念，要計(jì)算整個(gè)內(nèi)存模塊的延遲值，還需要把內(nèi)存顆粒的工作頻率計(jì)算在內(nèi)。事實(shí)上，JEDEC規(guī)定DDR2-533的CL4-4-4、DDR2-667的CL5-5-5及DDR2-800的CL6-6-6，其內(nèi)存延遲時(shí)間均為15ns。目前DDR3-1066、DDR3-1333和DDR3-1600的CL值分別為7-7-7、8-8-8及9-9-9，把內(nèi)存顆粒工作頻率計(jì)算在內(nèi)，其內(nèi)存模塊的延遲值應(yīng)為13.125ns、12ns及11.25ns，相比DDR2內(nèi)存模塊提升了約25%，因此消費(fèi)者以CAS數(shù)值當(dāng)成內(nèi)存模塊的延遲值是不正確的。第二個(gè)數(shù)字表示內(nèi)存行地址控制器預(yù)充電時(shí)間（RASPrecharge），即tRP。指內(nèi)存從結(jié)束一個(gè)行訪問到重新開始的間隔時(shí)間。第三個(gè)數(shù)字表示從內(nèi)存行地址到列地址的延遲時(shí)間（RAStoCASDelay），即tRCD。第四個(gè)數(shù)字表示內(nèi)存行地址控制器激活時(shí)間Act-to-PrechargePrechargeDelay（tRAS）3.4內(nèi)存的結(jié)構(gòu)以圖3-2所示的金士頓DDR313334G內(nèi)存為例，介紹內(nèi)存的結(jié)構(gòu)圖3-2金士頓DDR313334G內(nèi)存1.PCB板PCB板是內(nèi)存、主板、顯卡、CPU等電子設(shè)備電子器件和印刷電路的基板，多為綠色，也有藍(lán)色、紅色等，一般為4層或6層設(shè)計(jì)。理論上6層PCB要比4層電氣性能好、穩(wěn)定。但是層數(shù)不易從肉眼分辨。2.金手指（引腳、針腳）內(nèi)存電路與主板電路聯(lián)通的部分，與主板內(nèi)存插槽的觸腳接觸。金手指使用時(shí)間過長(zhǎng)后易被氧化，可能導(dǎo)致電腦無法開機(jī)，此時(shí)可以使用橡皮擦掉氧化層。3.內(nèi)存條固定卡缺口4.金手指隔斷缺口次缺口的作用是用來防止內(nèi)存條插反，同時(shí)不同類型的內(nèi)存條缺口位置不同，也可以防止插錯(cuò)。5.內(nèi)存芯片也稱作內(nèi)存顆粒，內(nèi)存的性能、速度、容量都是由內(nèi)存芯片決定的，內(nèi)存芯片上印刷著內(nèi)存芯片的生產(chǎn)廠家、型號(hào)等參數(shù)。生產(chǎn)內(nèi)存芯片的廠家有三星、美光、海力士等。6.SPD芯片SPD（串行存在檢測(cè)）是一顆8針，容量為256B的EEPROM芯片