高手进阶，终极内存技术指南——完整/进阶版 I（转）
老實話，我個人覺得這兩篇文章真的寫的很不錯，前段時間在study關於DDR內存的初始化以及其相關知識的時候，詳細學習了它。個人很佩服原文的作者能夠寫出這麼深刻的文章。（應該說，這篇文章把DDR2的spec翻譯了大部份，對於我們BIOS工程師而言，是一篇不錯的資料。）下面是原文。
两篇文章的出处是：http://hi.baidu.com/%BA%A3%B6%FB_heart/blog/calendar/200905不过原作者应该是一个叫做：赵效民的前辈。
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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。 =========== SDRAM内存模组的物理Bank与芯片位宽 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。 SDRAM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、 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、 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。 =============================== SDRAM的逻辑Bank与芯片容量表示方法 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）。
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。
2、内存芯片的容量 现在我们应该清楚内存芯片的基本组织结构了。那么内存的容量怎么计算呢？显然，内存芯片的容量就是所有L-Bank中的存储单元的容量总合。计算有多少个存储单元和计算表格中的单元数量的方法一样： 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 在很多内存产品介绍文档中，都会用M×W的方式来表示芯片的容量（或者说是芯片的规格/组织结构）。M是该芯片中存储单元的总数，单位是兆（英文简写M， 精确值是1048576，而不是1000000），W代表每个存储单元的容量，也就是SDRAM芯片的位宽（Width），单位是bit。计算出来的芯片 容量也是以bit为单位，但用户可以采用除以8的方法换算为字节（Byte）。比如8M×8，这是一个8bit位宽芯片，有8M个存储单元，总容量是 64Mbit（8MB）。
不过，M×W是最简单的表示方法。下图则是某公司对自己内存芯片的容量表示方法，这可以说是最正规的形式之一。
业界正规的内存芯片容量表示方法 我们可以计算一下，结果可以发现这三个规格的容量都是128Mbits，只是由于位宽的变化引起了存储单元的数量变化。从这个例子就也可以看出，在相同的总容量下，位宽可以采用多种不同的设计。 3、与芯片位宽相关的DIMM设计 为什么在相同的总容量下，位宽会有多种不同的设计呢？这主要是为了满足不同领域的需要。现在大家已经知道P-Bank的位宽是固定的，也就是说当芯片位宽 确定下来后，一个P-Bank中芯片的个数也就自然确定了，而前文讲过P-Bank对芯片集合的位宽有要求，对芯片集合的容量则没有任何限制。高位宽的芯 片可以让DIMM的设计简单一些（因为所用的芯片少），但在芯片容量相同时，这种DIMM的容量就肯定比不上采用低位宽芯片的模组，因为后者在一个P- Bank中可以容纳更多的芯片。比如上文中那个内存芯片容量标识图，容量都是128Mbit，合16MB。如果DIMM采用双P-Bank+16bit芯 片设计，那么只能容纳8颗芯片，计128MB。但如果采用4bit位宽芯片，则可容纳32颗芯片，计512MB。DIMM容量前后相差出4倍，可见芯片位 宽对DIMM设计的重要性。因此，8bit位宽芯片是桌面台式机上容量与成本之间平衡性较好的选择，所以在市场上也最为普及，而高于16bit位宽的芯片 一般用在需要更大位宽的场合，如显卡等，至于4bit位宽芯片很明显非常适用于大容量内存应用领域，基本不会在标准的Unbuffered 模组设计中出现。 ======================= SDRAM的引脚与封装 内存芯片要想工作，必须要与内存控制器有所联系，同时对于一个电气元件，电源供应也是必不可少的，而且数据的传输要有一个时钟作为触发参考。因此， SDRAM在封装时就要留出相应的引脚以供使用。电源与时钟的引脚就不必多说了，现在我们可以想象一下，至少应该有哪些控制引脚呢？ 我们从内存寻址的步骤缕下来就基本明白了，从中我们也就能了解内存工作的大体情况。这里需要说明的是，与DIMM一样，SDRAM有着自己的业界设计规 范，在一个容量标准下，SDRAM的引脚/信号标准不能只考虑一种位宽的设计，而是要顾及多种位宽，然后尽量给出一个通用的标准，小位宽的芯片也许会空出 一些引脚，但高位宽的芯片可能就全部用上了。不过容量不同时，设计标准也会有所不同，一般的容量越小的芯片所需要的引脚也就越小。
现在我们就基本知道了内存芯片的一些信号引脚，下图就是一个简单的SDRAM示意图，大家可以详细看看。
图注：128Mbit芯片不同位宽的引脚图（NC代表未使用，-表示与内侧位宽设计相同）
根据SDRAM的官方规范，台式机上所用的SDRAM在不同容量下的各种位宽封装标准如下：
====================================== SDRAM芯片初始化、行有效、列读写时序 上文我们已经了解了SDRAM所用到的基本信号线路，下面就看看它们在SDRAM芯片内部是怎么“布置”的，并从这里开始深入了解内存的基本操作与过程， 在这一节中我们将接触到有天书之称的时序图，但不要害怕，根据文中的指导慢慢理解，您肯定可以看懂它。首先，我们先认识一下SDRAM的内部结构，然后再 开始具体的讲述。
128Mbit（32M×4）SDRAM内部结构图（点击放大） 芯片初始化 可能很多人都想象不到，在SDRAM芯片内部还有一个逻辑控制单元，并且有一个模式寄存器为其提供控制参数。因此，每次开机时SDRAM都要先对这个控制 逻辑核心进行初始化。有关预充电和刷新的含义在下文有讲述，关键的阶段就在于模式寄存器（MR，Mode Register）的设置，简称MRS（MR Set），这一工作由北桥芯片在BIOS的控制下进行，寄存器的信息由地址线来提供。
SDRAM在开机时的初始化过程
SDRAM模式寄存器所控制的操作参数：地址线提供不同的0/1信号来获得不同的参数。在设置到MR之后，就开始了进入正常的工作状态，图中相关参数将结合下文具体讲述 行有效 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。
行有效时序图 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（212=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。
SDRAM基本操作命令, 通过各种控制/地址信号的组合来完成（H代表高电平，L代表低电平，X表示高低电平均没有影响）。此表中，除了自刷新命令外，所有命令都是默认CKE有效。对于自刷新命令，下文有详解 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。
读写操作示意图，读取命令与列地址一块发出（当WE#为低电平是即为写命令） 然而，在发送列读写命令时必须要与行有效命令有一个间隔，这个间隔被定义为tRCD，即RAS to CAS Delay（RAS至CAS延迟），大家也可以理解为行选通周期，这应该是根据芯片存储阵列电子元件响应时间（从一种状态到另一种状态变化的过程）所制定 的延迟。tRCD是SDRAM的一个重要时序参数，可以通过主板BIOS经过北桥芯片进行调整，但不能超过厂商的预定范围。广义的tRCD以时钟周期 （tCK，Clock Time）数为单位，比如tRCD=2，就代表延迟周期为两个时钟周期，具体到确切的时间，则要根据时钟频率而定，对于PC100 SDRAM，tRCD=2，代表20ns的延迟，对于PC133则为15ns。
tRCD=3的时序图 ==================================SDRAM的读/写时序与突发长度 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。 不过，CAS并不是在经过CL周期之后才送达存储单元。实际上CAS与RAS一样是瞬间到达的，但CAS的响应时间要更快一些。为什么呢？假设芯片位宽为 n个bit，列数为c，那么一个行地址要选通n×c个存储体，而一个列地址只需选通n个存储体。但存储体中晶体管的反应时间仍会造成数据不可能与CAS在 同一上升沿触发，肯定要延后至少一个时钟周期。 由于芯片体积的原因，存储单元中的电容容量很小，所以信号要经过放大来保证其有效的识别性，这个放大/驱动工作由S-AMP负责，一个存储体对应一个S- AMP通道。但它要有一个准备时间才能保证信号的发送强度（事前还要进行电压比较以进行逻辑电平的判断），因此从数据I/O总线上有数据输出之前的一个时 钟上升沿开始，数据即已传向S-AMP，也就是说此时数据已经被触发，经过一定的驱动时间最终传向数据I/O总线进行输出，这段时间我们称之为tAC （Access Time from CLK，时钟触发后的访问时间）。tAC的单位是ns，对于不同的频率各有不同的明确规定，但必须要小于一个时钟周期，否则会因访问时过长而使效率降低。 比如PC133的时钟周期为7.5ns，tAC则是5.4ns。需要强调的是，每个数据在读取时都有tAC，包括在连续读取中，只是在进行第一个数据传输 的同时就开始了第二个数据的tAC。
CL=2与tAC示意图
CL的数值不能超出芯片的设计规范，否则会导致内存的不稳定，甚至开不了机（超频的玩家应该有体会），而且它也不能在数据读取前临时更改。CL周期在开机 初始化过程中的MRS阶段进行设置，在BIOS中一般都允许用户对其调整，然后BIOS控制北桥芯片在开机时通过A4-A6地址线对MR中CL寄存器的信 息进行更改。 不过，从存储体的结构图上可以看出，原本逻辑状态为1的电容在读取操作后，会因放电而变为逻辑0。所以，以前的DRAM为了在关闭当前行时保证数据的可靠 性，要对存储体中原有的信息进行重写，这个任务由数据所经过的刷新放大器来完成，它根据逻辑电平状态，将数据进行重写（逻辑0时就不重写），由于这个操作 与数据的输出是同步进行互不冲突，所以不会产生新的重写延迟。后来通过技术的改良，刷新放大器被取消，其功能由S-AMP取代，因为在读取时它会保持数据 的逻辑状态，起到了一个Cache的作用，再次读取时由它直接发送即可，不用再进行新的寻址输出，此时数据重写操作则可在预充电阶段完成。 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。
数据写入的时序图 从图中可见，由于数据信号由控制端发出，输入时芯片无需做任何调校，只需直接传到数据输入寄存器中，然后再由写入驱动器进行对存储电容的充电操作，因此数 据可以与CAS同时发送，也就是说写入延迟为0。不过，数据并不是即时地写入存储电容，因为选通三极管（就如读取时一样）与电容的充电必须要有一段时间， 所以数据的真正写入需要一定的周期。为了保证数据的可靠写入，都会留出足够的写入/校正时间（tWR，Write Recovery Time），这个操作也被称作写回（Write Back）。tWR至少占用一个时钟周期或再多一点（时钟频率越高，tWR占用周期越多），有关它的影响将在下文进一步讲述。 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。
非突发连续读取模式：不采用突发传输而是依次单独寻址，此时可等效于BL=1。虽然可以让数据是连续的传输，但每次都要发送列地址与命令信息，控制资源占用极大
突发连续读取模式：只要指定起始列地址与突发长度，寻址与数据的读取自动进行，而只要控制好两段突发读取命令的间隔周期（与BL相同）即可做到连续的突发传输 至于BL的数值，也是不能随便设或在数据进行传输前临时决定。在上文讲到的初始化过程中的MRS阶段就要对BL进行设置。目前可用的选项是1、2、4、 8、全页（Full Page），常见的设定是4和8。顺便说一下，BL能否更改与北桥芯片的设计有很大关系，不是每个北桥都能像调整CL那样来调整BL。某些芯片组的BL是 定死而不可改的，比如Intel芯片组的BL基本都为4，所以在相应的主板BIOS中也就不会有BL的设置选项。而由于目前的SDRAM系统的数据传输是 以64bit/周期进行，所以在一些BIOS也把BL用QWord（4字，即64bit）来表示。如4QWord就是BL=4。
另外，在MRS阶段除了要设定BL数值之外，还要具体确定读/写操作的模式以及突发传输的模式。突发读/突发写，表示读与写操作都是突发传输的，每次读/ 写操作持续BL所设定的长度，这也是常规的设定。突发读/单一写，表示读操作是突发传输，写操作则只是一个个单独进行。突发传输模式代表着突发周期内所涉 及到的存储单元的传输顺序。顺序传输是指从起始单元开始顺序读取。假如BL=4，起始单元编号是n，顺序就是n、n+1、n+2、n+3。交错传输就是打 乱正常的顺序进行数据传输（比如第一个进行传输的单元是n，而第二个进行传输的单元是n+2而不是n+1），至于交错的规则在SDRAM规范中有详细的定 义表，但在这此出于必要性与篇幅的考虑就不列出了。 |