4.4 内存的工作原理和主要指标

内存用于暂时存放程序和数据，一旦关闭电源或发生断电，其中的程序和数据就会丢失。下面讲述其工作原理和主要技术。

4.4.1 内存的基本工作原理

内存的基本工作原理包括内存寻址、内存传输、存取时间和内存延迟四个方面，下面来详细说明。

1. 内存寻址

首先，内存从CPU获得查找某个数据的指令，然后在找出存取资料的位置时（这个动作称为“寻址”），它先确定出横坐标（也就是列地址），再确定出纵坐标（也就是行地址），这就好像在地图上画个十字标记一样，能非常准确地定出这个地方。对于计算机系统而言，找出这个地方时还必须确定位置是否正确，因此计算机还必须判读该地址的信号，横坐标有横坐标的信号（也就是RAS信号，Row Address Strobe），纵坐标有纵坐标的信号（也就是CAS信号，Column Address Strobe），最后再进行读或写的动作。因此，内存在读写时至少必须有五个步骤：分别是画个十字，内有定地址两个操作以及判读地址两个信号的操作，共四个操作；以及或读或写的操作，才能完成内存的存取操作。

2. 内存传输

为了存储资料，或者是从内存内部读取资料，CPU都会为这些读取或写入的资料编上地址（也就是我们所说的十字寻址方式），这个时候，CPU会通过地址总线（Address Bus）将地址送到内存，然后数据总线（Data Bus）就会把对应的正确数据送往微处理器，传回去给CPU使用。

3. 存取时间

所谓存取时间，指的是CPU读或写内存资料的过程时间，也称总线循环（Bus Cycle）。以读取为例，从CPU发出指令给内存时，便会要求内存取用特定地址的特定资料，内存响应CPU后便会将CPU所需要的资料送给CPU，一直到CPU收到数据为止，便成为一个读取的流程。因此，这整个过程简单地说便是CPU给出读取指令，内存回复指令并丢出资料给CPU的过程。

4. 内存延迟

内存的延迟时间，也就是所谓的潜伏期。内存延迟一般涉及四个参数：CAS（Column Address Strobe，行地址控制器）延迟、RAS（Row Address Strobe，列地址控制器）-to-CAS延迟、RAS Precharge（RAS预冲电压）延迟、Act-to-Precharge（相对于时钟下沿的数据读取时间）延迟。其中CAS延迟比较重要，它反映了内存从接收指令到完成传输结果的过程中的延迟。

4.4.2 内存的主要性能指标

内存的主要性能指标包括内存容量、存取时间、延时周期、奇偶校验、ECC校验、引脚数、工作电压、CL、工作频率、内存带宽，下面就对这些指标进行介绍。

1. 内存容量

内存容量是指内存存储单元的数量，单位是字节（B），常用的是兆字节MB和吉字节GB。容量这一指标是我们比较关心的，因为它直接制约系统的整体性能。内存条通常有2GB、4GB、8GB、16GB等容量级别，其中8GB、16GB内存已成为当前的主流配置，而用于诸如图形工作站的内存容量已高达32GB或64GB。

2. 存取时间

存取时间即读写内存单元中的数据所需的时间，又称为存储周期。内存芯片的存取时间是内存的另一个重要指标，单位以纳秒（1ns=10－9s）来度量，一般为几纳秒至几十纳秒，常见的有6ns、7ns、8ns、10ns等几种，相应在内存条上标为-6、-7、-8、-10等字样。显然数值越小意味着内存的存取速度越快，但价格也随之上升。在选配内存条时，应尽量挑选与CPU时钟周期相匹配的内存条，这将有利于最大限度地发挥内存条的效率。

3. 延时周期

当CPU需要内存中的数据时，它会发出一个由内存控制器所执行的要求，内存控制器接着将这个要求发送至内存，并在接收数据时向CPU报告整个周期（CPU到内存控制器—内存控制器到内存—内存再回到CPU）所需的时间。缩短延时周期是提高内存存取速度的关键。

4. 奇偶校验

奇偶校验（Parity Check）是系统检查数据的存取和传输错误的一项最简单的技术。内存条有无奇偶校验位是人们常常忽视的问题。奇偶校验对于保证数据的正确读写，尤其是在进行数据量非常大的计算中起着很关键的作用。因此在一些用于工程计算的大型工作站，都要求内存必须具备奇偶校验位。对于常见机型，有无奇偶校验位一般均可正常工作，但需要注意的是，在CMOS的SETUP中关于奇偶校验（Off/On）的设置必须与实际的内存条情况相一致；同时，在一台计算机中内存条的配置要么都带奇偶校验位，要么都不带，绝不可混用。内存条上是否有奇偶校验位，可以很容易地从外观上看出：每根内存条上有9个或3个芯片的含有奇偶校验位，而有8个或两个芯片的则没有奇偶校验位。

5. ECC校验

ECC（Error Checking and Correction）即错误检测与纠正是一种对内存中的数据进行检验和纠错的技术。内存的数据传输量很大，难免发生错误，在要求较高时，需要有检验错误和修正错误的功能。而ECC不但可以查出内存中数据的错误，还可以纠正其他一些数据错误，使内存更稳定、更可靠。不过，带ECC校验的内存价格也因此比普通内存要高。

6. 引脚数

引脚数可以归为内存模组的接口类型，通常为168线及184线的DIMM。

7. 工作电压

内存的工作电压也是需要注意的。FPM内存和EDO内存均使用5V电压，而SDRAM则使用3.3V电压。因此，同时使用SDRAM和EDO RAM时，由于电压不同，很容易导致耐压低的SDRAM被烧毁。

8. CL

CL（CAS Latency，CAS延迟时间）是内存性能的一个重要指标，它是CAS（纵向地址脉冲）的延迟时间。当计算机需要向内存读取数据时，在实际读取之前一般都有一个缓冲期，而缓冲期的时间长度就是CL。某些SDRAM能够运行在CL 2或CL 3模式下，也就是说它们读取数据所延迟的时间既可以是两个时钟周期，也可以是3个时钟周期。内存的CL值越低越好，因此，缩短CAS的周期有助于加快内存在同一频率下的工作速度。

9. 工作频率

工作频率表示内存能稳定运行的最大频率，例如PC133标准的SDRAM的工作频率为133MHz，DDR 266的工作频率为266MHz，DDR2的工作频率可以达到800MHz，DDR3达到2400MHz，而DDR4可以达到3000MHz。对于内存而言，频率越高，传输数据的速度越快。

10. 内存带宽

内存带宽也称数据传输率，是指单位时间内通过内存的数据量。我们用一个简短的公式来说明内存带宽的计算方法：内存带宽=工作频率×位宽／8×n（位宽一般为64b，n为时钟脉冲上下沿传输系数，DDR的系数为2，其他类型一般为1）。如DDR 266的内存带宽为2100MB/s，所以又用PC2100来标示它，于是DDR 333就是PC2700，DDR 400就是PC3200了。

4.4.3 内存的时代划分

通常情况下我们将内存分为以下几代。

1. SDRAM时代

第一代SDRAM内存为PC66规范，但由于Intel和AMD的频率之争将CPU外频提升到了100MHz，所以PC66内存很快就被PC100内存取代，接着133MHz外频的PIII以及K7时代来临，PC133规范也以相同的方式进一步提升SDRAM的整体性能，带宽提高到1GB/s以上。由于SDRAM的带宽为64bit，正好对应CPU的64bit数据总线宽度，因此它只需要一条内存便可工作，便捷性进一步提高。在性能方面，由于其输入输出信号保持与系统外频同步，因此速度明显超越EDO内存。

不可否认的是，SDRAM内存由早期的66MHz，发展到后来的100MHz、133MHz，尽管没能彻底解决内存带宽的瓶颈问题，但此时CPU超频已经成为DIY用户永恒的话题，所以不少用户将品牌好的PC100品牌内存超频到133MHz使用以获得CPU超频成功。值得一提的是，为了满足超频用户的需求，市场上出现了一些PC150、PC166规范的内存。

尽管SDRAM PC133内存的带宽可提高到1064MB/s，加上Intel已经着手最新的Pentium Ⅳ计划，SDRAM PC133内存也不能满足日后的发展需求，此时，Intel为了达到独占市场的目的，与Rambus联合在PC市场推广Rambus DRAM内存（称为RDRAM内存）。与SDRAM不同的是，其采用了新一代高速简单内存架构，基于一种类RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算机）理论，这个理论可以减少数据的复杂性，使得整个系统性能得到提高。

在AMD与Intel的竞争中，CPU的主频不断提升，Intel为了超过AMD，推出高频Pentium Ⅲ以及Pentium Ⅳ处理器。Rambus DRAM内存以高时钟频率来简化每个时钟周期的数据量，因此内存带宽相当出色，如PC1066 1066MHz 32bit带宽可达到4.2GB/s，Rambus DRAM曾一度被认为是Pentium Ⅳ的绝配。

尽管如此，Rambus DRAM内存生不逢时，后来依然被更高速度的DDR“掠夺”其宝座地位。在当时，PC600、PC700的Rambus DRAM内存因出现Intel 820芯片组“失误事件”、PC800 Rambus DRAM因成本过高而让Pentium Ⅳ平台高高在上，无法获得大众的拥护和爱戴，种种问题让Rambus DRAM胎死腹中，Rambus曾希望具有更高频率的PC1066规范DRAM来力挽狂澜，但最终也是拜倒在DDR内存面前。

2. DDR时代

DDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM）简称DDR，也就是“双倍速率SDRAM”的意思。DDR可以说是SDRAM的升级版本。DDR在时钟信号上升沿与下降沿各传输一次数据，这使得DDR的数据传输速度为传统SDRAM的两倍。由于较多采用了下降沿信号，因此并不会造成能耗增加。至于定址与控制信号则与传统SDRAM相同，仅在时钟上升沿传输。

DDR内存是作为一种在性能与成本之间折中的解决方案，其目的是迅速建立起牢固的市场空间，继而一步步在频率上高歌猛进，最终弥补内存带宽上的不足。第一代DDR 200规范并没有得到普及，第二代PC266 DDR SRAM（133MHz时钟×2倍数据传输=266MHz带宽）是由PC133 SDRAM内存所衍生出的，它将DDR内存带向第一个高潮，另外还有不少赛扬和AMD K7处理器都采用DDR 266规格的内存，其后来的DDR 333内存也属于一种过渡，而DDR 400内存成为当下的主流平台选配，双通道DDR 400内存已经成为800FSB处理器搭配的基本标准，随后的DDR 533规范则成为超频用户的选择对象。

3. DDR2时代

DDR2（Double Data Rate 2）SDRAM是由JEDEC进行开发的新生代内存技术标准，它与上一代DDR内存技术标准最大的不同就是，虽然都是采用了在时钟的上升／下降沿同时进行数据传输的基本方式，但DDR2内存拥有两倍于上一代DDR内存预读取能力（即4bit数据预读取）。换句话说，DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读／写数据，并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。

此外，由于DDR2标准规定所有DDR2内存均采用FBGA封装形式，而不同于广泛应用的TSOP/TSOP-II封装形式，FBGA封装提供了更为良好的电气性能与散热性，为DDR 2内存的稳定工作与未来频率的发展提供了坚实的基础。回想起DDR的发展历程，从第一代应用到个人电脑的DDR 200经过DDR 266、DDR 333到双通道DDR 400技术，第一代DDR的发展也走到了技术的极限，已经很难通过常规办法提高内存的工作速度；随着Intel最新处理器技术的发展，前端总线对内存带宽的要求越来越高，拥有更高更稳定运行频率的DDR2内存将是大势所趋。

随着CPU性能不断提高，用户对内存性能的要求也逐步升级。不可否认，仅仅依靠高频率提升带宽的DDR迟早会力不从心，因此JEDEC组织很早就开始酝酿DDR2标准，加上LGA775接口的915/925以及945等新平台开始对DDR2内存的支持，所以DDR2内存成为主流。

DDR2能够在100MHz的发信频率基础上提供每插脚最少400MB/s的带宽，而且其接口将运行于1.8V电压上，从而进一步降低发热量，以便提高频率。此外，DDR2还融入CAS、OCD、ODT等新性能指标和中断指令，提升了内存带宽的利用率。从JEDEC组织者阐述的DDR2标准来看，针对PC等市场的DDR2内存拥有400MHz、533MHz、667MHz等不同的时钟频率。高端的DDR2内存拥有800MHz、1000MHz两种频率。DDR2内存采用200-、220-、240-针脚的FBGA封装形式。最初的DDR2内存采用0.13mm的生产工艺，内存颗粒的电压为1.8V，容量密度为512MB。

PC100的“接班人”除了PC133以外，VCM（Virtual Channel Memory）也是很重要的一员。VCM即“虚拟通道存储器”，这也是大多数较新的芯片组支持的一种内存标准。VCM内存主要根据由NEC公司开发的一种“缓存式DRAM”技术制造而成，它集成了“通道缓存”，由高速寄存器进行配置和控制。在实现高速数据传输的同时，VCM还维持着对传统SDRAM的高度兼容性，所以通常也把VCM内存称为VCM SDRAM。VCM与SDRAM的差别在于不论是否经过CPU处理的数据，都可先交于VCM进行处理，而普通的SDRAM就只能处理经CPU处理以后的数据，所以VCM要比SDRAM处理数据的速度快20%以上。可以支持VCM SDRAM的芯片组很多，包括Intel的815E、VIA的694X等。

4. DDR3时代

DDR3相比起DDR2有更低的工作电压，从DDR2的1.8V降落到1.5V，性能更好、更为省电；DDR2的4bit预读升级为8bit预读。DDR3最高能够以2400MHz的速度工作，由于最为快速的DDR2内存速度已经提升到800MHz/1066MHz，因而首批DDR3内存模组将会从800MHz的速度起跳。

DDR3在DDR2基础上采用的新型设计如下。

（1）8bit预取设计，而DDR2为4bit预取，这样DRAM内核的频率只有接口频率的1/8，DDR3 800的核心工作频率只有100MHz。

（2）采用点对点的拓扑架构，以减轻地址／命令与控制总线的负担。

（3）采用100nm以下的生产工艺，将工作电压从1.8V降至1.5V，增加异步重置（Reset）与ZQ校准功能。

5. DDR4时代

DDR4内存有两种规格。其中使用Single-ended Signaling信号的DDR4内存其传输速率已经被确认为1.6G～3.2Gb/s，而基于差分信号技术的DDR4内存其传输速率则达到6.4Gb/s。由于通过一个DRAM实现两种接口基本上是不可能的，因此DDR4内存同时存在基于传统SE信号和差分信号的两种规格产品。