SDRAM-高手进阶-终极内存技术指南-完整进阶版

高手进阶，终极内存技术指南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-WayInterleave）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，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168pinSDRAMDIMM1、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（PhysicalBank，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-SDRAMDIMM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IntelE7500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SDRAMDIMM就有4个芯片选择信号（ChipSelect，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芯片的预充电与刷新操作预充电由于SDRAM的寻址具体独占性，所以在进行完读写操作后，如果要对同一L-Bank的另一行进行寻址，就要将原来有效（工作）的行关闭，重新发送行/列地址。L-Bank关闭现有工作行，准备打开新行的操作就是预充电（Precharge）。预充电可以通过命令控制，也可以通过辅助设定让芯片在每次读写操作之后自动进行预充电。实际上，预充电是一种对工作行中所有存储体进行数据重写，并对行地址进行复位，同时释放S-AMP（重新加入比较电压，一般是电容电压的1/2，以帮助判断读取数据的逻辑电平，因为S-AMP是通过一个参考电压与存储体位线电压的比较来判断逻辑值的），以准备新行的工作。具体而言，就是将S-AMP中的数据回写，即使是没有工作过的存储体也会因行选通而使存储电容受到干扰，所以也需要S-AMP进行读后重写。此时，电容的电量（或者说其产生的电压）将是判断逻辑状态的依据（读取时也需要），为此要设定一个临界值，一般为电容电量的1/2，超过它的为逻辑1，进行重写，否则为逻辑0，不进行重写（等于放电）。为此，现在基本都将电容的另一端接入一个指定的电压（即1/2电容电压），而不是接地，以帮助重写时的比较与判断。现在我们再回过头看看读写操作时的命令时序图，从中可以发现地址线A10控制着是否进行在读写之后当前L-Bank自动进行预充电，这就是上文所说的“辅助设定”。而在单独的预充电命令中，A10则控制着是对指定的L-Bank还是所有的L-Bank（当有多个L-Bank处于有效/活动状态时）进行预充电，前者需要提供L-Bank的地址，后者只需将A10信号置于高电平。在发出预充电命令之后，要经过一段时间才能允许发送RAS行有效命令打开新的工作行，这个间隔被称为tRP（PrechargecommandPeriod，预充电有效周期）。和tRCD、CL一样，tRP的单位也是时钟周期数，具体值视时钟频率而定。读取时预充电时序图（上图可点击放大）：图中设定：CL=2、BL=4、tRP=2。自动预充电时的开始时间与此图一样，只是没有了单独的预充电命令，并在发出读取命令时，A10地址线要设为高电平（允许自动预充电）。可见控制好预充电启动时间很重要，它可以在读取操作结束后立刻进入新行的寻址，保证运行效率。误区：读写情况下都要考虑写回延迟有些文章强调由于写回操作而使读/写操作后都有一定的延迟，但从本文的介绍中写可以看出，即使是读后立即重写的设计，由于是与数据输出同步进行，并不存在延迟。只有在写操作后进行其他的操作时，才会有这方面的影响。写操作虽然是0延迟进行，但每笔数据的真正写入则需要一个足够的周期来保证，这段时间就是写回周期（tWR）。所以预充电不能与写操作同时进行，必须要在tWR之后才能发出预充电命令，以确保数据的可靠写入，否则重写的数据可能是错的，这就造成了写回延迟。数据写入时预充电操作时序图（可点击放大）：注意其中的tWR参数，由于它的存在，使预充电操作延后，从而造成写回延迟刷新之所以称为DRAM，就是因为它要不断进行刷新（Refresh）才能保留住数据，因此它是DRAM最重要的操作。刷新操作与预充电中重写的操作一样，都是用S-AMP先读再写。但为什么有预充电操作还要进行刷新呢？因为预充电是对一个或所有L-Bank中的工作行操作，并且是不定期的，而刷新则是有固定的周期，依次对所有行进行操作，以保留那些久久没经历重写的存储体中的数据。但与所有L-Bank预充电不同的是，这里的行是指所有L-Bank中地址相同的行，而预充电中各L-Bank中的工作行地址并不是一定是相同的。那么要隔多长时间重复一次刷新呢？目前公认的标准是，存储体中电容的数据有效保存期上限是64ms（毫秒，1/1000秒），也就是说每一行刷新的循环周期是64ms。这样刷新速度就是：行数量/64ms。我们在看内存规格时，经常会看到4096RefreshCycles/64ms或8192RefreshCycles/64ms的标识，这里的4096与8192就代表这个芯片中每个L-Bank的行数。刷新命令一次对一行有效，发送间隔也是随总行数而变化，4096行时为15.625μs（微秒，1/1000毫秒），8192行时就为7.8125μs。刷新操作分为两种：自动刷新（AutoRefresh，简称AR）与自刷新（SelfRefresh，简称SR）。不论是何种刷新方式，都不需要外部提供行地址信息，因为这是一个内部的自动操作。对于AR，SDRAM内部有一个行地址生成器（也称刷新计数器）用来自动的依次生成行地址。由于刷新是针对一行中的所有存储体进行，所以无需列寻址，或者说CAS在RAS之前有效。所以，AR又称CBR（CASBeforeRAS，列提前于行定位）式刷新。由于刷新涉及到所有L-Bank，因此在刷新过程中，所有L-Bank都停止工作，而每次刷新所占用的时间为9个时钟周期（PC133标准），之后就