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首页动态存储器(DRAM)技术综述
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一、 序:不得不说的话
作为电脑中必不可少的三大件之一(其余的两个是主板与 CPU),内存是决定系统性
能的关键设备之一,它就像一个临时的仓库,负责数据的中转、暂存……
不过,虽然内存对系统性能的至关重要,但长期以来,DIYer 并不重视内存,只是将
它看作是一种买主板和 CPU 时顺带买的“附件”,那时最多也就注意一下内存的速度。这种
现象截止于 1998 年 440BX 主板上市后,PC66/100 的内存标准开始进入普通 DIYer 的
视野,因为这与选购有着直接的联系。一时间,有关内存时序参数的介绍文章大量出现
(其中最为著名的恐怕就是 CL 参数)。自那以后,DIYer 才发现,原来内存也有这么多
的学问。接下来,始于 2000 年底/2001 年初的 VIA 芯片组 4 路交错(4-Way
Interleave)内存控制和部分芯片组有关内存容量限制的研究,则是深入了解内存的一个
新开端。本刊在 2001 年第 2 期上也进行了 VIA 内存交错控制与内存与模组结构的详细介
绍,并最终率先正确地解释了这一类型交错(内存交错有多种类型)的原理与容量限制的
原因。从那时起,很多关于内存方面的深入性文章接踵而至,如果说那时因此而掀起了一
股内存热并不夸张。大量的内存文章让更多的用户了解了内存,以及更深一层的知识,这
对于 DIY 当然是一件好事情。然而,令人遗憾的是这些所谓的内存高深技术文章有不少都
是错的(包括后来的 DDR 与 RDRAM 内存的介绍),有的甚至是很低级的错误。在这近
两年的时间里,国内媒体上优秀的内存技术文章可谓是寥若晨星,有些媒体还编译国外
DIY 网站的大篇内存文章,但可惜的是,外国网站也不见得都是对的(这一点,似乎国内
很多作者与媒体似乎都忽视了)。就这样,虽然打开了一个新的知识领域,可“普及”的效
果并不那么好,很多媒体的铁杆读者高兴地被带入内存深层世界,但也因此被引向了新的
误区。
不过,从这期间(2001 年初至今)各媒体读者对这类文章的反映来看,喜欢内存技术
的玩家大有人在且越来越多,这是各媒体“培养”的成果。这些用户已经不满足如何正确的
使用内存,他们更渴望深入的了解这方面原来非常贫乏的知识,这些知识可能暂时不会对
他们在使用内存过程中有什么帮助,但会大大满足他们的求知欲。在 2001 年初,我们揭
开 VIA 芯片组 4 路交错内存控制和部分芯片组有关内存容量限制之迷时,还是主要围绕着
内存使用的相关话题来展开,而且在这期间有关内存技术的话题,《电脑高手》也都是一
笔带过。但在今天,在很多人希望了解内存技术而众多媒体的文章又“力不从心”时,我们
觉得有必要再次站出来以正视听,也就是说,我们这次的专题不再以内存使用为中心,更
多的是纯技术性介绍,并对目前现存的主要内存技术误区进行重点纠正。
在最后要强调的是,本专题以技术为主,由于篇幅的原因,不可能从太浅的方面入手,
所以仍需要有一定的技术基础作保证,而对内存感兴趣的读者则绝不容错过,这也许是您
最好的纠正错误认识的机会!
在本专题里,当讲完内存的基本操作之后,我们会给大家讲一个仓库的故事,从中相
信您会更了解内存这个仓库是怎么工作的,希望您能喜欢。
二、 SDRAM 与内存基础概念(一)
虽然有关内存结构与时序的基础概念,在本刊 2001 年第 2 期的专题中就已有阐述,
但在这里为了保证专题的可读性,我们需要再次加强这方面的系统认识。正确并深刻理解
内存的基础概念,是阅读本专题的第一条件。因为即使是 RDRAM,在很多方面也是与
SDRAM 相似的,而至于 DDR 与 DDR-Ⅱ、QBM 等形式的内存更是与 SDRAM 有着紧密的
联系。
一、sSDRAM 内存模组与基本结构
我们平时看到的 SDRAM 都是以模组形式出现,为什么要做成这种形式呢?这首先要
接触到两个概念:物理 Bank 与芯片位宽。
PC133 时代的 168pin SDRAM DIMM
1、s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。下面将通过芯片位宽的
讲述来进一步解释 P-Bank 的概念。
不过要强调一点,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。
2、s芯片位宽
上文已经讲到 SDRAM 内存系统必须要组成一个 P-Bank 的位宽,才能使 CPU 正常工
作,那么这个 P-Bank 位宽怎么得到呢?这就涉及到了内存芯片的结构。
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。
以上就是芯片位宽、芯片数量与 P-Bank 的关系。P-Bank 其实就是一组内存芯片的集
合,这个集合的容量不限,但这个集合的总位宽必须与 CPU 数据位宽相符。随着计算机应
用的发展,一个系统只有一个 P-Bank 已经不能满足容量的需要。所以,芯片组开始可以
支持多个 P-Bank,一次选择一个 P-Bank 工作,这就有了芯片组支持多少(物理)Bank
的说法。而在 Intel 的定义中,则称 P-Bank 为行(Row),比如 845G 芯片组支持 4 个
行,也就是说它支持 4 个 P-Bank。另外,在一些文档中,也把 P-Bank 称为 Rank(列)。
回到开头的话题,DIMM 是 SDRAM 集合形式的最终体现,每个 DIMM 至少包含一个
P-Bank 的芯片集合。在目前的 DIMM 标准中,每个模组最多可以包含两个 P-Bank 的内
存芯片集合,虽然理论上完全可以在一个 DIMM 上支持多个 P-Bank,比如 SDRAM
DIMM 就有 4 个芯片选择信号(Chip Select,简称片选或 CS),理论上可以控制 4 个 P-
Bank 的芯片集合。只是由于某种原因而没有这么去做。比如设计难度、制造成本、芯片
组的配合等。至于 DIMM 的面数与 P-Bank 数量的关系,在 2001 年 2 月的专题中已经明
确了,面数≠P-Bank 数,只有在知道芯片位宽的情况下,才能确定 P-Bank 的数量,大度
256MB 内存就是明显一例,而这种情况在 Registered 模组中非常普遍。有关内存模组的
设计,将在后面的相关章节中继续探讨。
三、 SDRAM 与内存基础概念(二)
二、sSDRAM 内存芯片的内部结构
1、逻辑 Bank 与芯片位宽
讲完 SDRAM 的外在形式,就该深入了解 SDRAM 的内部结构了。这里主要的概念就
是逻辑 Bank。简单地说,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)。
L-Bank 存储阵列示意图
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(在后文中将详细讲述)。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。在某些厂商的表述中,将
L-Bank 中的存储单元称为 Word(此处代表位的集合而不是字节的集合)。
从前文可知,SDRAM 内存芯片一次传输率的数据量就是芯片位宽,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),但要注意,这种关系也仅对 SDRAM
有效,原因将在下文中说明。
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