第4章內存4.1存儲器概述4.2內存條的安裝與拆卸4.3存儲系統的層次結構 4.4內存技術4.5高速緩沖技術 4.6內存技術發展趨勢 小結內存又稱主存儲器，主要用于存取計算機的程序和數據。在計算機中，一般用半導體存儲器作為主存儲器(見圖4-1)，存放當前正在運行的程序和數據。確切地說，主存儲器是動態隨機存儲器(DynamicRandom-AccessMemory，DRAM)，俗稱內存條。內存直接影響到計算機系統的穩定性和整機性能。

圖4-1早期的DIP封裝的DRAM和筆記本內存條(144線SODIMM)

DRAM只能將數據保持很短的時間，為了保持數據，DRAM必須每隔一定時間(毫秒級)刷新(refresh)一次。如果存儲單元沒有被刷新，數據就會丟失。當然，在主板上還使用了其他種類的半導體存儲器，如靜態隨機存儲器(SRAM)，通常又稱為高速緩沖存儲器(Cache)。隨著計算機技術的發展，高速緩存已集成到CPU中。硬盤、磁盤、磁帶、光盤作為外存儲器或輔助存儲器(見圖4-2)，存放了當前不運行的大量程序和數據。4.1存?儲?器?概?述

圖4-2HPSurestoreDat818自動加載磁帶機及硬盤、光盤

RAM一般分為DRAM、SRAM兩大類。RAM需要加電來保存數據，一旦失電，數據將消失，所以又叫易失性存儲器。

半導體存儲器可隨機訪問任一單元，通過地址總線來確定所訪問的存儲器單元。DRAM通常由行地址和列地址確定；SRAM由線性地址直接確定；輔助存儲器一般為串行訪問存儲器，每一存儲單元存放在不同的物理位置上，訪問指定信息時需要找到信息所存儲的物理位置，讀/寫時需要按順序一位一位地進行。串行存儲器又可分為順序存取存儲器和直接存取存儲器。例如：磁帶上的信息以順序的方式存儲在磁帶上，讀/寫時要待磁帶移到合適的位置后才能順序地讀/寫，需要耗費很多的時間，這稱為順序存取存儲器；而磁盤存儲器對信息的存取包括兩個操作：①磁頭直接移到信息所在區域(磁道)，②從磁道的合適位置開始順序讀/寫，所以磁盤就是串行直接存取存儲器。4.1.1半導體存儲器的分類

半導體存儲器分為非易失性存儲器和易失性存儲器(RAM)兩種。非易失性存儲器內存儲的信息不會因停電而改變；易失性存儲器(RAM)存儲的信息可隨時改寫，停電后存儲器內保存的信息將丟失。EEPROM和FLASH是一個特例，從改寫特性看，它們是RAM，從存儲特性看，它們是ROM，它們仍屬非易失性存儲器。

隨機存儲器在計算機運行時可隨時讀出和寫入信息，所以又稱為可讀寫存儲器。如果電源斷電，其內部信息立即丟失。隨機存取存儲器用來存放現場輸入數據、計算機采集的信息、運算結果和要輸出的數據等。

RAM按照其基本存儲電路的結構和特性，分為靜態RAM(SRAM)和動態RAM(DRAM)兩大類。內存的種類很多，有不同的分類方法，常見的分類如下。

1.內存按組成結構分類

按照插座結構分類，內存可分為SIMM、DIMM兩類。

按內存模組外觀分類，內存可分為30線、72線、80線、100線、144線、168線、184線、200線、240線和卡式、插座式等類。

按芯片類別分類，內存可分為FPM、EDO、SDRAM、RAMBUS、DDR、DDR2、DDR3等類。

按綜合性能分類，內存可分為普通(無任何特殊功能)、帶校驗(自動檢錯)、帶糾錯(自動糾錯)等三種。

各種規格內存芯片如表4-1所示。表4-1各種規格的內存芯片匯總表2.內存按存儲器特性分類

內存按存儲器特性分類：

1)非易失性存儲器(Non-VolatileMemory，NVM)

掩膜ROM(ReadOnlyMemory)：由生產廠家用最后一道掩膜工藝來寫入信息，用戶不能再作更改。掩膜ROM集成度高，制造成本低，適合用于定型產品的大批量生產。

可編程ROM(PROM)：芯片在出廠前未寫入信息，用戶使用時可根據要求自行寫入信息(即編程)(見圖4-3)。編程是在專用編程器上實現的，一旦編程后，芯片的內容不能再作更改。紫外線可擦除可編程存儲器(ErasableProgrammableRead-OnlyMemory，EPROM)：可用編程器進行編程，也可用紫外線擦除其內容，如圖4-4所示。當需要修改存儲內容時，先移除芯片窗口上的遮蓋物，將芯片放在專用的擦除器中，用紫外線照射芯片窗口使其MOS電路復位，則原存信息被擦除，然后重新編程，這樣可反復使用。EPROM常見于一些早期的主板和顯卡上。EPROM芯片的內容要專用的設備才能擦除，因而它就不怕CIH病毒，寫入數據時，需要專用的編程器。EPROM雖較EEPROM價低，但升級不方便，這就是現在的主板為什么都采用EEPROM的原因。

圖4-3可編程ROM

圖4-4紫外線可擦除可編程EPROM電可擦除可編程存儲器(ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory，EEPROM或E2PROM)：現在主板的BIOS都采用這種芯片(又稱FLASH)，如圖4-5所示。EEPROM最大的特點是擦寫方便，只要使用專用的讀寫程序就可以隨時對其進行更新，也就是現在常說的BIOS升級。現在，新產品的出貨速度很快，難免有不完善的地方，BIOS升級在所難免。盡管EEPROM價格貴一些，但BIOS仍普遍使用它。EEPROM也有致命的缺點，如遇到像CIH類病毒的攻擊，病毒就會對其內容進行更改，造成主板癱瘓；或者升級過程中遭遇停電，同樣會導致主板不能正常開機。所以當前主板普遍采用雙BIOS。

圖4-5FLASH和EEPROM

2)易失性存儲器(VolatileMemory，VM)

隨機存取存儲器(RandomAccessMemory，RAM)又叫易失性存儲器。ROM中的信息只能被讀出，而不能被操作者修改或刪除，故一般用于存放固定的程序，如監控程序等。RAM就是平常所說的內存，可與外部存儲器交換信息和作堆棧用，主要用來存放各種現場的輸入、輸出數據及中間計算結果等。它的存儲單元可以讀出，也可以寫入或改寫。RAM由雙穩態電路或電容存儲信息，所以只能暫存程序和數據，一旦關閉電源或發生斷電，其中的數據就會丟失。

現在的RAM多為MOS型半導體電路，它分為靜態和動態兩種。動態RAM(DRAM)是靠MOS電路中的柵極電容來存儲(記憶)信息的。由于電容上的電荷會泄漏，需要定時給予補充(刷新(refresh))，所以動態RAM需要刷新電路。動態RAM比靜態RAM集成度高，功耗低，位單位成本低，適于作大容量存儲器。所以主存通常采用動態RAM。另外，動態RAM可用于顯卡、聲卡、硬盤等設備，充當設備的高速緩存或保存程序與數據。靜態RAM(SRAM)是靠雙穩態觸發單元電路來存儲(記憶)信息的。靜態RAM通常作為主存的高速緩存存儲器(Cache)使用。

CMOSSRAM通常叫做CMOS，實際上是用CMOS工藝制造的一種低功耗靜態隨機存儲器。它存儲系統參數、時間信息等。紐扣電池提供CMOSSRAM和時鐘電路的工作電源。CMOSSRAM、時鐘電路的整個工作電流控制在幾十微安以內，通常一顆紐扣電池可工作好幾年。由于需要特殊工藝制造靜態隨機存儲器，以保持較低的功耗，因此人們習慣于稱它為CMOS。與一般的SRAM相比，CMOSSRAM的存取速度較低。金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-Semiconductor)結構的場效應管簡稱MOS場效應管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管構成的集成電路稱為MOS集成電路，而由PMOS管和NMOS管共同構成的互補型MOS集成電路即為CMOS-IC(ComplementaryMOSIntegratedCircuit)。4.1.2半導體存儲器的性能參數

內存的容量通常以單位KB、MB或GB(注意：B表示字節Byte，b表示位bit)表示。

位/比特(bit)：這是內存中最小的單位，二進制數序列中的一個0或一個1就是一比特(bit)。

字節(B，Byte)：是計算機中最常用、最基本的存儲器單位。一個字節等于8個比特，即1Byte

=

8bit。

千字節(KB、KiloByte)：電腦的內存容量都很大，一般都是以千字節作單位來表示的，1KB

=

1024Bytes。兆字節(MB，MegaByte)：從20世紀90年代開始微機的硬盤和內存等一般都是以兆字節(MB)為單位來表示。1MB

=

1024

KB。

吉字節(GB，GigaByte)：目前市場流行的微機的硬盤已經達到幾百吉字節。1

GB

=

1024MB。

太字節(TB，TeraByte)：1

TB

=

1024

GB。

(1)內存條的工作電壓。早期的FPM內存和EDO內存條均使用5V電壓，現在有使用3.3V的。SDRAM使用3.3V電壓。DDR內存使用2.5V電壓，采用接口標準SSTL_2I/O。DDR2內存的工作電壓為1.8V，采用接口標準SSTL_18I/O。DDR3內存的工作電壓為圖4-6DDR、DDR2和DDR3的不同缺口位置

1.5V，采用接口標準SSTL_15I/O。DDR4內存的工作電壓為1.2V以下。隨著工作電壓的降低，相同數據傳輸量的功耗將明顯下降。

(2)內存條容量。計算機系統中，內存的容量等于插在主板內存插槽上所有內存條容量的總和。內存容量的上限一般由CPU、主板芯片組和內存插槽決定。特別是內存多通道技術的出現，支持幾個通道，就必須選用幾根內存條，這樣才能發揮多通道技術的作用。目前絕大部分芯片組可以支持2GB或以上的內存，主流的芯片組可以支持4GB或以上的內存。目前內存控制器已集成至CPU，因此，支持的內存條容量將由CPU和主板共同決定。32位操作系統最多只支持4GB內存。

(3)內存條的接口類型與引腳。內存條的接口類型是根據其金手指數量來劃分的。金手指是內存條與內存條插槽之間的連接接口。早期的內存是30腳或72腳。對于臺式機而言，DDR采用184腳接口，而DDR2和DDR3均采用240腳接口，而且其工作電壓和接口均不兼容。DDR、DDR2和DDR3的缺口位置如圖4-6所示。

(4)內存條等效主頻。內存存取數據的時間，即存儲器進行一次完整的存取操作所需要的時間，單位為納秒。內存上標有-5、-6、等字樣，表示存取時間，-5表示50ns，-6表示60

ns，時間越小，速度越快。盡管內存的制造流程在不斷改進，但作為單個的DRAM，存取速度提高并不大。

CPU的速度在不斷提高，CPU與內存之間的數據交換存在瓶頸。目前主要采用了DDR1、DDR2、DDR3等預提取技術或并行提取技術，可在內存內核頻率(100

MHz、133

MHz、166

MHz、200

MHz)變化不大的情況下，實現內存條I/O與CPU接口速度的大幅提升。例如DDR3-1600，數據傳輸率達1600MT/s，內存條I/O與CPU接口之間主頻達800MHz。定義這個頻率作為內存主頻顯然不合適，容易混淆。作為一般用戶，只要知道內存條等效主頻這個概念就行了，因此可以把DDR3-1600(1600MT/s，每周期傳輸兩次數據)之800MHz定義為內存等效主頻。單根內存條數據線為64位，8個字節寬，那么DDR3-1600單根內存條的數據帶寬

=

1600

×

8

=

12

800(MB/s)

=

12.8(GB/s)。

(5)

CL-tRCD-tRP參數。CL是CASLatenciestime的縮寫，表示列地址選通延時；tRCD是RAStoCASDelay的縮寫，表示行地址選通延時；tRP是RowPrechargetime的縮寫，表示行預充電時間。

內存條的等效主頻越來越高，但內存讀取時列地址、行地址選通延時并沒有多少變化。以列地址為例，DDR設置的CL值通常較小，一般為2、2.5、3；而DDR2設置的CL值通常較大，一般為4、5、6；而DDR3設置的CL值更大，一般為9、10、11；顯然這是因為DDR3內存數據傳輸時鐘頻率較高的緣故。DDR3-1600K之CL-tRCD-tRP分別為11、11、11，下面驗證其參數的可行性。查SDRAM(EBJ21UE8BFU0-GN-F)之CL值為13.125ns，DDR3-1600之等效主頻為800MHz，周期為1.25ns，即CL

=

11

×

1.25ns

=

13.75ns，即CL設定值為13.75ns，大于其實際值13.125ns，符合要求。

(6)內存的奇偶校驗。為校驗內存存取過程中是否準確無誤，每8位配備1位作為奇偶校驗，以配合主板上的奇偶校驗電路對存取的數據進行準確性校驗，這需要在內存條上額外加裝一塊存儲芯片。現在一般不帶校驗位：一方面是為了降低成本；另一方面，即使知道發生錯誤也于事無補。內存的穩定性主要靠制造過程和系統參數的正確設置來保證。

(7)內存芯片的封裝形式。

DIP(DualIn-LinePackage)：雙列直插式封裝。

ZIP(Zig-zagIn-LinePackage)：單列直插式封裝。

SOJ(SmallOut-LineJ-Lead)：是一種普通的DRAM封裝形式，它采用J形的管腳排列在芯片的兩邊(見圖4-7)。

圖4-7SOJ封裝、TSOP封裝和FBGA封裝

TSOP(ThinSmallOut-LinePackage)：也是DRAM的一種封裝形式，但它的封裝厚度只有SOJ的1/3。TSOPDRAM被廣泛運用于SODIMM和IC卡式內存。

FBGA：與TSOP封裝形式不同，FBGA封裝提供了更好的電氣性能與散熱性，無管腳，這為DDR2和DDR3內存的穩定工作與未來工作頻率的提高提供了良好的保障。DDR2和DDR3內存均采用FBGA封裝形式。4.1.3內存的選購

內存直接關系到計算機整機的穩定性和其他性能，因此，在選購內存時，必須清楚內存的各項參數和技術指標，下面介紹如何選購內存。

(1)內存速度。選用DDR3-1600還是DDR3-1333，要先看內存控制器是在CPU上還是在北橋芯片上，然后確定支持的內存條類型，看其是否支持多通道技術，確保其數據帶寬相匹配。

(2)內存容量。目前，主流計算機的內存一般為1

GB、2

GB和4

GB。對于一般用戶，1

GB和2

GB的內存基本滿足需求；對于游戲愛好者和圖形設計者應配置2

GB和4

GB內存。32位操作系統支持不超過4

GB的內存。

(3)內存條的數量。內存條的數量由系統支持的通道數決定。支持3通道至少需要配3根內存條才能發揮作用。單條內存容量由內存總容量除以通道數，然后取整。

(4)品牌的選擇。內存條是由內存顆粒和其他相關電路組成的，而內存顆粒的性能在一定程度上決定了內存性能的好壞。常見的內存顆粒廠商有三星(SAMSUNG，韓國)、美光(Micron，美國)、英飛凌(Infineon，德國)、Hynix(韓國)、南亞(Nanya，中國臺灣)、爾必達(ELPIDA，日本)、茂矽(MoselVitelic，中國臺灣)、力晶(Powerchip，中國臺灣)、華邦(Winbond，中國臺灣)、沖電氣(Oki，日本)等企業。

較有名的內存條生產商有金士頓(Kingston)、金邦(GEIL)、宇瞻(Apacer)、三星(SAMSUNG)、威剛(ADATA)、勝創(KingMax)、金泰克、南亞易勝等。但應注意，即使同一個生產商，也可能采用不同品牌的內存顆粒來生產內存條。

在開始安裝內存條前，需注意以下事項：

(1)請確認所使用的內存條規格是在主板的支持范圍內，建議使用相同容量、廠牌、速度、顆粒的內存條。

(2)在安裝內存條之前，務必將電源斷開，以免造成毀損。

4.2內存條的安裝與拆卸

(3)在手接觸零部件(內存條)之前，應清除靜電或佩帶靜電環。

(4)內存條采用防呆設計，若插入的方向錯誤，內存條就無法安裝，此時應更改插入方向。4.2.1內存條的安裝

安裝內存條后，BIOS會自動檢測內存的規格及其容量。當使用雙(多)通道內存技術時，內存前端總線的帶寬會增加為單通道時的兩(通道數)倍。對于配置4個DDR3內存條插槽并支持雙通道內存技術(DualChannelTechnology)的主板，4個DDR3內存條插槽分為兩組通道(Channel)，每通道包含兩個插槽，如果要安裝兩個或四個DDR3內存條，應使用相同的內存條(即相同容量、廠牌、速度、顆粒)。注意查看說明書，確保插入不同的通道，才能發揮雙通道內存技術的最佳性能。如果只安裝一支DDR3內存條，則無法啟動雙通道內存技術。安裝內存條前，再次確認電源是斷開的，以避免造成內存損壞。DDR3與DDR2之間并不兼容且均不兼容于DDR，安裝前確認是否為所需型號內存條。下面以安裝DDR3內存條為例進行介紹。

DDR3內存條上有一個凹位，只能以一個方向安裝至內存條插槽內。

步驟一，確定好內存條的方向后，扳開內存條插槽兩側的卡扣，如圖4-8所示，將內存條放入插槽，雙手按在內存條上邊兩側，以垂直向下平均施力的方式，將內存條向下壓入插槽。步驟二，內存條若正確地壓入插槽內，會發出一聲清脆的響聲，兩旁的卡扣便會自動向內卡住內存條，如圖4-9圓環處所示。

圖4-8內存條垂直壓入插槽

圖4-9兩旁卡扣自動卡住內存條4.2.2內存條的拆卸

在拆卸內存條之前，需注意以下事項：

(1)在拆卸內存條之前，務必將電源斷開，以免造成毀損。

(2)在手接觸零部件(內存條)之前，應清除靜電或佩帶靜電環。

內存條的拆卸非常簡單，將內存插槽兩側的扣卡同時向外打開，內存條便會自動彈起，將內存條取出即可。

衡量存儲器的一個重要指標就是速度。一般來講，速度高的存儲器，每位的價格也高，因此容量不能太大。早期計算機的容量很小，程序與數據從輔存調入主存是程序員自己安排的，程序員必須花很大的精力和時間把大程序預先分成塊，確定好這些程序在輔存中的位置和裝入主存的地址，而且要預先安排好程序運行時各塊如何和何時調入和調出。4.3存儲系統的層次結構操作系統的形成和發展使得程序員有可能擺脫主、輔之間地址的人工定位。通過軟、硬件的結合，把主存和輔存統一成一個整體，形成了一個存儲層次。從存儲整體看，其速度接近于主存的速度，其容量接近于輔存的容量。這種系統不斷發展和完善，就逐步形成了現在廣泛使用的虛擬存儲系統。在該系統中，應用程序員可用機器指令地址對整個程序統一編址，如同程序員具有對應這個地址碼的全部虛存空間一樣。該空間可以比主存實際空間大得多，以至可以容得下整個程序。主—輔存層次滿足了存儲器的大容量和低成本的需求。

在速度方面，計算機的主存和CPU一直保持了大約一個數量級的差距。為了彌補這個差距，在主存和CPU之間設置了高速緩沖存儲器(Cache)，構成了高速緩沖—主存層次。Cache—主存之間的地址映像和調度采用了主—輔存層次的技術，不同的是因其速度要求高，不是由軟、硬件結合，而是由硬件來實現的。從CPU的角度看，Cache—主存層次的速度接近于Cache，容量與每位價格則接近于主存。因此解決了速度與成本之間的矛盾。

現在大多數計算機同時采用上述這兩種存儲層次，構成了Cache—主存—輔存三級存儲層次(見圖4-10)。圖4-10三層次存儲系統

案例4-1

增加內存導致電腦運行不穩定。

小李的計算機內存只有512

MB，一直想升級至1

GB，于是從電腦配件市場購買了一條同接口標準的512

MB內存條。小李原本期望電腦的性能有一個大的改善，可安裝完后，卻出現電腦運行不穩定現象。

原因分析：內存條與CPU交換大量的數據，速度很快，內存條的接口標準雖然相同，但不同廠家、甚至不同批次的內存條，其阻抗特性和CL-tRCD-tRP等參數可能不完全一致，這時只要時序出現一點點偏差，就會造成數據讀取或寫入錯誤，脫離正常的程序，導致藍屏或宕機。

解決辦法：內存條擴容最好選用同型號、同品牌、相同廠家、相同批號的內存顆粒的內存條，或者直接購買1GB內存條安裝，原內存舍棄不用。

案例4-2

內存接觸不良造成電腦不啟動。

計算機運行一直正常，最近經常出現電腦不能正常啟動，有找不到內存的報警聲，插入debug偵錯卡顯示C1不動。

原因分析：計算機運行一直正常，最近經常出現電腦不能正常啟動，說明各部件正常，不存在硬件故障，但內存條未通過自檢，故存在內存接觸不良的問題。

解決辦法：內存條通過金手指與主板插槽觸點接觸，形成連接通路，問題只可能出現在金手指和內存插槽這兩個地方。測試方法：第一，重插內存條；第二，插入其他內存槽；第三，用橡皮擦清潔內存條金手指。

主存在計算機系統中處于十分重要的地位，與計算機系統的性能密切相關。盡管對單一存儲單元寫入和讀出的性能改善不大，但通過適當的內存組織架構，采用預提取技術或并行處理技術，使得內存條(內存模組)的整體性能有了很大的提高，基本上跟上了CPU的發展步伐，確保了內存條(內存模組)接口與CPU之間的有效帶寬。4.4內存技術如果只要選擇和安裝內存條，前面的知識內容基本夠了；如果想具有一定的分析和解決問題的能力，可以自主學習如下內容。4.4.1內存模組技術

早期的內存直接插在主板上的插座(socket)上，這些內存采用DIP(DualIn-linePackage)封裝，容量只有64KB、256KB等(見圖4-11)。

圖4-11DIPDRAM及安裝腳座

386時代主要使用30線SIMM(SingleIn-lineMemoryModule)，即單邊接觸內存模組，有256KB、1MB、4MB、8MB等多種容量。每根30線SIMM內存條有8位(1個字節)數據位。由于386/486CPU的外部數據線是32位，所以這類內存條必須同時插4條(見圖4-12)。

圖4-1230線SIMM

486時代主要使用72線SIMM，容量有4

MB、8

MB、16

MB等，每根72線SIMM內存條有32位(4個字節)數據位(見圖4-13)。由于486

CPU的外部數據線是32位，所以72線SIMM只插1條就行了，586

CPU的外部數據線是64位，所以72線SIMM必須插2條。現在SIMM內存已經很少見。

586時代主要使用168線DIMM(見圖4-14)，而168線內存條的容量大多為16

MB、32

MB、64

MB、128

MB等，一般為EDO類型。每根168線DIMM內存條有64位(8個字節)數據位，所以586CPU的168線DIMM內存只插1條就行。

圖4-1372線SIMM

圖4-14168線DIMM隨著CPU前端總線頻率(FSB)的進一步提高，內存的速度成為系統性能進一步提高的瓶頸，隨后就出現了SDRAM、DDR、RDRAM、DDR2、DDR3等技術。

DDRSDRAM是一種繼SDRAM后出現的內存技術。DDR(見圖4-15)英文原意為“DoubleDataRate”，顧名思義，相對SDRAM而言，其具有兩倍的數據傳輸率。以前使用的SDRAM都是“單倍數據傳輸模式”，即在一個外部時鐘周期中，只在時鐘方波上升沿時進行一次操作(讀或寫)，而DDR在一個外部時鐘(I/O緩沖輸出)周期的方波上升沿、下降沿(雙沿系統)時各進行一次操作。所以，在相同的數據傳輸外部時鐘頻率下，DDR一個周期可以完成SDRAM兩個周期才能完成的任務，可以簡單理解為：數據傳輸外部時鐘頻率為100

MHz的DDR的數據傳輸率相當于200MHzSDR的數據傳輸率。

圖4-15184線DIMMDDR500為保持DDR內存較高的數據傳輸率，降低功耗，DDR采用了電壓為2.5

V的SSTL2信號標準。盡管DDR的內存條依然保留原有的尺寸(5.25英寸)，但插腳的數目已從168線增加到184線，且內存條的凹位也移到了新的位置，所以根本無法把這些DIMM的DDRSDRAM插到168線的SDRAM插槽中。DDR內存采用184線結構，不向后兼容SDRAM，而要求專為DDR設計的主板。

DDR2(DoubleDataRate2)SDRAM是由JEDEC(電子設備工程聯合委員會)推出的內存技術標準，它與上一代DDR內存技術標準最大的區別是：雖然都采用了在數據傳輸外部時鐘的上升沿、下降沿進行數據傳輸，但DDR2(見圖4-16)內存卻擁有兩倍于上一代DDR內存的預讀取能力(即4

bit數據預讀取)。因為DDR和DDR2都在數據傳輸外部時鐘的上升沿、下降沿進行數據傳輸，可以簡單理解為：DDR內存數據傳輸外部時鐘頻率和內存系統頻率相同，DDR2內存數據傳輸外部時鐘頻率是內存系統頻率的2倍。

DDR3SDRAM(DoubleDataRate3)是一種高帶寬存儲技術接口，它仍屬于SDRAM技術范疇，只是DRAM的一種接口規范。其存儲數據的DRAM陣列與其他型號的DRAM沒有什么兩樣，只是工作電壓更低，預提取位數更多，同其他DRAM具有類似的性能。

以上介紹的是臺式微機上的內存模組。其實內存條的應用非常廣泛，還用于筆記本電腦、路由器、打印機、服務器等其他設備中，種類很多，如圖4-17所示。

圖4-16240線DIMMDDR2內存

圖4-17不同形態的內存條4.4.2快速動態隨機存儲技術

前面提到單一存儲單元寫入和讀出的性能提升并不大，為了跟上了CPU速度提升的發展步伐，研究人員想了不少辦法，如采用預提取技術或并行處理技術，基本上確保了內存接口與CPU接口之間的有效帶寬。

人們采用了FPMDRAM(FastPageModeDRAM)、擴展數據輸出動態隨機存儲器(ExtendedDataOutDRAM，EDO

DRAM)、同步動態隨機存儲器SDRAM(SynchronizedDynamicRAM)、雙數據率同步動態隨機存儲器DDR(DoubleDataRateSDRAM)、DDR2以及DDR3等技術，不斷滿足CPU速度提升的需要。

1.

FPMDRAM(快速頁模式DRAM)

FPMDRAM是一種比較老的DRAM，與早期的頁面模式內存技術相比，它的優勢是在訪問同一行(頁)的數據時速度比較快，一般為30線或72線內存。若CPU所需訪問數據的地址在同一行內，在送出行地址后，就可以連續送出列地址，而不必再輸出行地址。一般來講，程序或數據在內存中排列的地址是連續的，那么輸出行地址后連續輸出列地址，可得到所需數據。這和以前DRAM存取方式(必須送出行地址、列地址才可讀寫數據)相比要先進一些。

2.

EDODRAM(也叫HyperPageMode)

EDO(ExtendedDataOut)DRAM的讀取方式取消了擴展數據輸出內存與傳輸內存兩個存儲周期之間的時間間隔，在把數據發送給CPU的同時去訪問下一個頁面，從而提高了工作效率(約比傳統的DRAM快15%～30%)。EDO內存一般為72線(SIMM)，也有168線(DIMM)的。

3.

SDRAM

SDRAM(SynchronousDRAM)是動態隨機存儲器的一種。早期DRAM的讀、寫等控制信號沒有與系統時鐘頻率同步，而SDRAM可以與CPU系統時鐘同步工作。SDRAM的輸入/輸出信號同步于系統時鐘頻率，工作(如突發(burst)模式)時能簡化和規范系統設計、提高數據傳輸性能。

4.

DDRSDRAM

DDRSDRAM(DoubleDataRateSDRAM)從理論上講，可把DRAM的速度提升一倍，它在數據傳輸外部時鐘的上升沿、下降沿存取數據，是SDRAM速度的2倍。雖說DDR建立在SDRAM的基礎上，但在速度和容量上有所提高。它使用了更多、更先進的同步電路。DDR使用了Delay-LockedLoop(DLL，延時鎖定回路)來提供一個數據選通信號(DQSDataStrobeSignal)，當數據有效時，存儲控制器可用這個數據選通信號精確定位數據。DDR允許在數據傳輸外部時鐘脈沖的上升沿和下降沿存取數據，不需提高數據傳輸外部時鐘頻率就能提高數據傳輸速度，因此其速度是標準SDRAM的兩倍。

DDRSDRAM按其傳輸速率可分為DDR200、DDR266、DDR333以及DDR400，其對應的數據傳輸外部時鐘頻率(與內存系統頻率相同)分別為100

MHz、133

MHz、166

MHz和200

MHz，對應的內存傳輸帶寬分別為1.6

GB/s(200MT/s×

64

bits/8

bits/Byte)、2.12

GB/s、2.66GB/s和3.2GB/s。MT/s即每秒傳輸兆次，1MT/s即每秒傳輸106次。DDR266和PC2100其實是一回事，只是表述方法不同罷了。DDR266指該內存的數據傳輸率為266MT/s(實際數據傳輸外部時鐘頻率為133

MHz，等效于266

MHz的SDRAM)，而PC2100則是指其內存傳輸帶寬為2100

MB/s。在內存架構上，傳統SDRAM屬于

×8組式，即內存核心中的I/O寄存器有8位數據I/O，但對于×

8組的DDRSDRAM而言，內存核心中的I/O寄存器卻是16位，即在數據傳輸外部時鐘信號上升沿輸出8位數據，在下降沿輸出8位數據，一個時鐘周期總共可傳輸16位數據。

為了保持較高的數據傳輸率和較低的功耗，DDR采用電壓為2.5V的SSTL2信號標準。

5.

DDR2

DDR2是在DDR的基礎之上發展起來的。由于DDR架構的局限性，DDR數據傳輸率達到400MT/s(內存系統頻率200MHz)后，單個內存顆粒的速度提升很難，所以很快就推出了DDR2。DDR2作為DDR繼任者，在總體上仍保留了DDR的大部分特性，相對DDR設計變動不大，主要進行了以下幾點改進：

(1)改進針腳設計。DDR2是在DDR的基礎之上改進的，其外觀、尺寸與目前的DDR內存幾乎一樣，但為了保持較高的數據傳輸率，適合電信號的要求，DDR2對針腳進行了重新定義，采用了雙向數據控制針腳，針腳數也由DDR的184線變為240線(DDR2針腳數量有200線、220線、240線三種，其中240線的DDR2用于桌面PC系列)。

(2)更低的工作電壓。DDR2內存采用0.09

μm的制作工藝，內存單顆容量可以達到1～2

Gb，而隨后采用更先進的0.065

μm制作工藝的DDR2內存的容量可以達到4

Gb。DDR2內存改進了芯片核心，把工作電壓降到1.8

V，這預示著DDR2內存的功耗和發熱量都有所降低。

(3)更小的封裝。DDR2采用先進的CSP(FBGA)無鉛封裝技術，這是比TSOP2更為貼近芯片尺寸的封裝方法，其晶圓上已做好封裝布線，可靠性有所提高。DDR2有兩種封裝形式，如果數據位寬度是4

bit/8

bit，則采用64-ball的FBGA封裝；如果數據位寬度是16

bit，則采用84-ball的FBGA封裝。

(4)采用了4

bitPrefect架構。DDR2在DDR的基礎上采用了4位數據預取功能(現在DRAM內部都采用了4bank的結構)。內存顆粒內部單元稱為Cell，它是由一組MemoryCellArray構成的，也就是內存單元陣列。內存所指頻率分成三種，一種是DRAM系統(核心)頻率，一種是數據傳輸外部時鐘頻率，還有一種是數據傳輸率。圖4-18終端電阻器的作用

(5)終端電阻。DDR內存對工作環境要求高，如果先前發出的信號不能被電路終端完全吸收，就會在電路上形成反射現象，從而影響后面的信號并造成運算出錯。因此，支持DDR的主板都是采用終端電阻來解決這個問題的。

每根數據線至少需要一個終端電阻，這意味著每塊DDR主板需要大量的終端電阻，這樣不僅增加了主板的生產成本，而且不同的內存模組對終端電阻的要求不可能完全一樣，這就是所謂的“內存兼容性問題”。

DDR2中加入了ODT(OnDieTerminator，片內終端器)功能，即將終端電阻設計在芯片內，如圖4-18所示。DRAM模組工作時把終端電阻器關掉；不工作的DRAM模組則接通終端電阻，起到減少信號反射的作用。ODT的功能由北橋芯片(現在已集成至CPU內部)控制，在開機時設置EMRS(ExtendedModeRegistersSet，DDR2中終端電阻的通斷可通過EMRS設置)。ODT的作用對象包括DQS、RDQS、DQ等。這樣可產生更干凈的高品質信號，使內存穩定工作于更高的時鐘頻率。終端電阻設計在內存芯片上可簡化主板設計，降低主板成本，而且終端電阻可和內存顆粒的“特性”相符，從而減少內存與主板的兼容問題。

6.

SDRAM、DDR、DDR2、DDR3時鐘頻率比較

SDRAM是同步DRAM，數據傳輸率同系統頻率。SDRAM的DRAM系統頻率、數據傳輸外部時鐘頻率以及數據傳輸率都一樣。以PC-133SDRAM為例，它的系統(核心)頻率、數據傳輸外部時鐘頻率、數據傳輸率分別是133

MHz、133

MHz、133

Mb/s(對1位而言)。

DDRSDRAM中，系統(核心)頻率和數據傳輸外部時鐘頻率是一樣的，而數據傳輸率是數據傳輸外部時鐘頻率的兩倍。DDR(DoubleDataRate)內存可在每個時鐘周期的上升沿和下降沿傳輸數據，一個時鐘周期可傳輸2bit數據，因此DDR的數據傳輸率是數據傳輸外部時鐘頻率的兩倍。以DDR266SDRAM為例，它的系統時鐘(核心)頻率、數據傳輸外部時鐘頻率、數據傳輸率分別是133

MHz、133

MHz、266

Mb/s。

目前JEDEC標準中的DDRSDRAM的最高標準是DDR400，它的系統(核心)頻率、數據傳輸外部時鐘頻率、數據傳輸率分別是200

MHz、200

MHz、400

Mb/s。

在DDR2SDRAM中，系統(核心)頻率和數據傳輸外部時鐘頻率不一樣，因為DDR2采用了4bitPrefetch技術。Prefetch為“數據預取”技術，它是端口數據傳輸率和內存Cell之間數據讀/寫之間的倍率，如DDR為2bitPrefetch，因此DDR的數據傳輸率是核心工作頻率的兩倍。DDR2采用了4bitPrefetch架構，它的數據傳輸率是系統時鐘(核心)頻率的四倍。實際上數據先輸入到I/O緩沖寄存器，再從I/O寄存器輸出。DDR2400的系統時鐘(核心)頻率、數據傳輸外部時鐘頻率、數據傳輸率分別是100

MHz、200

MHz、400

Mb/s。要注意的是，DDR2400和DDR200的核心頻率是一樣的，但DDR2400的數據傳輸率是DDR200的2倍。DDR3采用了8bitPrefetch架構，它的數據傳輸率是系統時鐘(核心)頻率的8倍。

表4-2所示為DDR3、DDR2與DDR的對比。DDR3、DDR2、DDR和SDRAM各頻率間的關系見圖4-19。

DDR3、DDR2、DDR、SDRAM的頻率關系見表4-3，圖4-20所示為EDO、SDR、DDRSDRAM時序波形圖。表4-2DDR3、DDR2與DDR的對比

圖4-19SDRAM、DDR、DDR2、DDR3各種頻率間的關系表4-3DDR3、DDR2、DDR、SDRAM的頻率比較

圖4-20EDO、SDR、DDRSDRAM時序波形圖

DDRSDRAM能進行管線輸出，它能與數據傳輸外部時鐘同步輸入/輸出一組固定長度的數據。

在管線架構下，從列地址輸入到數據輸入/輸出被分成幾個基本的處理塊，處理塊之間并行工作以提升數據傳輸能力。

預取操作就是預先提取和鎖定存儲單元陣列(DRAM)，將要輸出的數據送到I/O緩沖器中，當I/O緩沖器的處理速度比存儲單元陣列快的時候，在相同的預取操作時鐘周期里，DDRSDRAM能夠傳輸更多的數據量，同時要確保傳輸安全可靠。

目前預取操作主要有三種：2bit預取、4bit預取和8bit預取。DDRSDRAM采用2bit預取，DDR2SDRAM采用4bit預取，DDR3SDRAM采用8bit預取。4.4.3訪問時間

高速DRAM的訪問時間可分成兩種：隨機訪問時間(RandomAccessTime，RAT)和突發訪問時間(BurstAccessTime，BAT)，不同存儲器的典型訪問時間見表4-4。表4-4不同存儲器的典型訪問時間

隨機訪問時間：訪問與上次不同的行地址和列地址定位的存儲單元所需的時間。

突發訪問時間：訪問相同的行地址和不同列地址定位的存儲單元所需的時間。

下面比較一下EDODRAM、SDRSDRAM和DDRSDRAM讀周期的訪問時間。

圖4-21為EDODRAM、SDRSDRAM和DDRSDRAM突發讀周期的時序波形圖，突發長度(BurstLength，BL)為8。

圖4-21EDODRAM、SDRSDRAM和DDRSDRAM突發讀周期的時序波形圖表4-5EDODRAM、SDRSDRAM和DDRSDRAM突發訪問時間表

第一種：SDRSDRAM和DDRSDRAM的系統時鐘頻率為66MHz，EDO的時間為60

ns，所有存儲器第一個

時間為60ns，近似相等，這是因為所有DRAM存儲器的內部結構幾乎是一樣的。

第二種：SDRSDRAM和DDRSDRAM的系統時鐘頻率為100MHz，此時EDO的時間為50ns， 為20ns；SDRSDRAM和DDRSDRAM存儲器第一個 時間為50ns，突發傳輸時與時鐘頻率(DDR時為時鐘頻率的上、下沿)同步。第三種：SDRSDRAM和DDRSDRAM的系統時鐘頻率為133MHz，SDRSDRAM和DDRSDRAM存儲器第一個 時間為45ns，突發傳輸時與時鐘頻率(DDR時為時鐘頻率的上、下沿)同步。

通過比較就會發現：突發長度越大，不同存儲器的第二、三、四、五、六、七、八個輸出數據的時間差就越大。

注意EDODRAM是非同步的。下面比較一下66

MHzSDRAM和早期的EDODRAM-60ns不同傳輸次數的傳輸時間。

66MHzSDRAM和早期的EDODRAM-60ns的第一次訪問時間是相同的。

66MHzSDRAM

1staccess=60ns

2ndaccess=75ns=1staccess(60ns)+15ns

3rdaccess=90ns=2ndaccess(75ns)+15ns

4thaccess=105ns=3rdaccess(90ns)+15ns

…

依此類推。

EDODRAM

1staccess=60ns

2ndaccess=85ns=1staccess(60ns)+25ns

3rdaccess=110ns=2ndaccess(85ns)+25ns

4thaccess=135ns=3rdaccess(110ns)+25ns

…

依此類推。

比較以上的SDRAM和EDODRAM可知：

SDRAM和EDODRAM的第一次訪問時間是相同的；第二次SDRAM比EDODRAM快10ns；第三次SDRAM比EDODRAM快20ns；第四次SDRAM比EDODRAM快30ns……隨著突發位數的增加，相對EDODRAM而言，SDRAM的速度就越快。

Elpida存儲器代碼的意義如下：

EDDxxxxxxxx-xx-x

第一位E代表ElpidaMemory；

第二位代表型號。其中：B表示內存條(Module)；C表示內存芯片(Barechip)；D表示單片電路。第三位代表產品系列。其中：D表示DDRSDRAM或DDRSDRAMModule；E表示DDR2或DDR2Module；K表示DDRMobileRAM；M表示Mobile；R表示RDRAM或RIMM；S表示SDRAM或SDRAMModule。

Elpida公司存儲器產品編號如圖4-22所示。

圖4-22Elpida公司存儲器產品編號不同廠家的產品編號不一樣，可從各廠家的網站找到其編號的意義。各廠家網址是：

/en/

/china/company/about.asp

/4.4.4動態隨機存儲器介紹

Elpida存儲器公司是日電(NEC)和日立(HITACHI)共同創辦的一家合資公司。下面以其生產的μPD45128163芯片為例，介紹動態隨機存儲器的技術性能指標，它的芯片引腳如圖4-23所示。

芯片引腳功能如下：

A0～A13：地址線輸入 UDQM：高8位數據屏蔽使能位

A12(BA1)：組地址選擇LDQM：低8位數據屏蔽使能位

A13(BA0)：組地址選擇CKE：時鐘使能

DQ0～DQ15：數據輸入/輸出位 CLK：系統時鐘輸入端

圖4-23μPD45系列引腳圖：芯片選擇Vcc：電源供應端

：行地址選通Vss：地

：列地址選通VccQ：數據接口電源供應端

：寫使能端VssQ：數據接口電源地

NC：沒有連接

地址線(A0～Ax)輸入，不同的x代表了不同的芯片容量。

<行地址>：ACT命令輸入時行地址由(A0～Ax)決定。

<列地址>：read或write輸入時列地址由(A0～Ax)決定。

<組地址(BA)>：電平的不同狀態決定哪一組被選定。

<預充電模式選擇(AP)>：當預充電命令輸入或讀寫命令輸入時，AP腳的不同功能取決于AP的輸入電平。①當預充電命令輸入或讀寫命令輸入時：

AP功能：AP輸入電平為H，對所有組預充電；AP輸入電平為L，只對開始選擇的組預充電。

②當讀/寫命令輸入時：

AP功能：AP輸入電平為H，則突發式讀存取后，自動預充電；AP輸入電平為L，預充電命令輸入后才開始。

1．芯片功能

μPD45128163功能框圖如圖4-24所示。從功能框圖可看出：A0～A11：定位4K行地址(字線)；A0～A8：定位512列(數據線)；16根I/O線；4個組。

圖4-24PD45128163SDRAM128Mb功能框圖

2．芯片容量

由BA指定存儲器組BankA、BankB、BankC、BankD；I/O數據線有16位。

μPD45128163芯片按存儲器單元陣列架構設計，每一個存儲器單元電路由一個晶體管和一個電容組成DRAM，一般用途的DRAM都是如此。μPD45128163(×16位架構)共有

128

Mb的容量，由4組構成，每組是由4096條字線和512條數據線構成的陣列，共有16位I/O數據線。

芯片容量=

212

×

29

×

16

×

4

=

221

×

24

×

22

=

227(b)

=

27(Mb)

=

128(Mb)圖4-25μPD45128163SDRAM128Mb單元陣列

3．存儲工作原理

單管單元寫入過程如下：對某單元寫入時，字線為高電平，V導通。若數據線為低電平(寫“1”)且C上無儲存電荷，則C上