随机存取存储器原理

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1、随机存取存储器（RAM）的工作原理随机存取存储器（RAM）是计算机存储器中最为人熟知的一种。之所以 RAM 被称为“随机存 储”，是因为您可以直接访问任一个存储单元，只要您知道该单元所在记忆行和记忆列的 地址即可。与 RAM 形成鲜明对比的是顺序存取存储器（SAM）。SAM 中的数据存储单元按照线性顺序排 列，因而只能依顺序访问（类似于盒式录音带）。如果当前位置不能找到所需数据，就必 须依次查找下一个存储单元，直至找到所需数据为止。SAM 非常适合作缓冲存储器之用， 一般情况下，缓存中数据的存储顺序与调用顺序相同（显卡中的质素缓存就是个很好的例 子）。而 RAM 则能以任意的顺序存取数据。在本

2、文中，您会了解到 RAM 究竟是什么，您应该购买哪一型的 RAM，以及 RAM 的安装方法。类似于微处理器，存储器芯片也是一种由数以百万计的晶体管和电容器构成的集成电路 （IC）。计算机存储器中最为常见的一种是动态随机存取存储器（DRAM），在 DRAM 中晶体 管和电容器合在一起就构成一个存储单元，代表一个数据位元。电容器保存信息位0 或 1（有关位的信息，请参见位和字节）。晶体管起到了开关的作用，它能让内存芯片上 的控制线路读取电容上的数据，或改变其状态。电容器就像一个能够储存电子的小桶。要在存储单元中写入 1，小桶内就充满电子。要写 入 0，小桶就被清空。电容器桶的问题在于它会泄漏。只需

3、大约几毫秒的时间，一个充满 电子的小桶就会漏得一干二净。因此，为了确保动态存储器能正常工作，必须由 CPU 或是 由内存控制器对所有电容不断地进行充电，使它们在电子流失殆尽之前能保持 1 值。为此， 内存控制器会先行读取存储器中的数据，然后再把数据写回去。这种刷新操作每秒钟要自 动进行数千次。动态 RAM 存储单元中的电容器就像是一个漏水的小桶。它需要定时刷新，否则电子泄漏会使它变为 0 值。动态 RAM 正是得名于这种刷新操作。动态 RAM 需要不间断地进行刷新，否则就会丢失它所 保存的数据。这一刷新动作的缺点就是费时，并且会降低内存速度。存储单元由硅晶片蚀刻而成，位于由记忆列（位线位线）和

4、记忆行（字线字线）组成的阵列之中。 位线和字线相交，就形成了存储单元的地址地址。 将位元排列在二维栅格中，就构成了内存。在上图中，红色的存储单元代表 1 值，而白色的存储单元代表 0 值。在演示动画片中，先选出一个记忆列，然后对记忆行进行充电以将数据写入指定的记忆列中。DRAM 工作时会向选定的记忆列（CAS）发送电荷，以激活该记忆列上每个位元处的晶体管。 写入数据时，记忆行线路会使电容保持应有状态。读取数据时，由灵敏放大器测定电容器中的电量水平。如果电量水平大于 50%，就读取 1 值；否则读取 0 值。计数器会跟踪刷新 序列，即记录下哪些行被访问过，以及访问的次序。完成全部工作所需的时间极

5、短，需要 以纳秒（十亿分之一秒）计算。存储器芯片被列为 70 纳秒级的意思是，该芯片读取单个存 储单元并完成再充电总共需要 70 纳秒。如果没有读写信息的策略作为支持，存储单元本身是毫无价值的。所以存储单元拥有一整 套由其他类型的专用电路构成的底层设施。这些电路具有下列功能：判别记忆行和记忆列的地址（行选址和列选址） 记录刷新序列（计数器） 从存储单元中读取、恢复数据（灵敏放大器） 告知存储单元是否接受电荷（写保护） 内存控制器要执行其他一些任务，包括识别存储器的类型、速度和容量，以及检错等等。静态 RAM 使用了截然不同的技术。静态 RAM 使用某种触发器来储存每一位内存信息（有关 触发器的

6、详细信息，请查见布尔逻辑的应用）。存储单元使用的触发器是由引线将 4-6 个 晶体管连接而成，但无须刷新。这使得静态 RAM 要比动态 RAM 快得多。但由于构造比较复 杂，静态 RAM 单元要比动态 RAM 占据更多的芯片空间。所以单个静态 RAM 芯片的存储量会 小一些，这也使得静态 RAM 的价格要贵得多。静态 RAM 速度快但价格贵，动态 RAM 要便宜一些，但速度更慢。因此，静态 RAM 常用来组 成 CPU 中的高速缓存，而动态 RAM 能组成容量更大的系统内存空间。台式机所用的内存芯片最早采用一种称为双列直插式封装（DIP）的引脚构造。这种引脚构 造可以焊接到计算机主板上的焊孔内

7、，也可以将其插入焊接在主板上的插槽内。采用这种 方法，在主机只有一两兆字节的内存时还能运转良好，但随着内存需求的增加，所需的芯 片数目就要增加，因而会占据更多的主板空间。解决这一问题的方法是，将内存芯片连同其支持组件一起，装配到一快单独的印刷电路板 （PCB）上，而这块板可以插入主板上一种特定的连接器（内存插槽）中。这类芯片中的绝 大多数采用小外形 J 接脚（SOJ）构造，但还是有少数生产商采用薄型小外形封装 （TSOP）构造。新型的引脚构造同早先的 DIP 构造相比，最关键的区别在于 SOJ 和 TSOP 芯 片是贴装到 PCB 板上的。换言之，引脚是直接焊接到电路板上的，而非插入槽中或孔中

8、。通常内存芯片只能以部分内存卡的形式出售，称之为模组。您也许见到过一些标注着 8x32 或 4x16 的内存。这些数字代表着芯片的数目乘以每片芯片的容量，以兆比特（Mb，即一百 万比特）为单位。将乘积除以 8，就能得到该模组的兆字节数。举例来说，4x32 意味着模 组有 4 片 32 兆比特的芯片。4 乘以 32 得到 128 兆比特。我们知道 1 字节等于 8 比特，所 以还需将乘积 128 再除以 8。结果是 16 兆字节！在过去几年间，台式机使用的 RAM 内存条及其引线技术有了长足的进步。最早几型的内存 享有专利权，亦即不同的电脑生产商依其特有的技术体系进行内存条的研发。随后出现了 S

9、IMMSIMM，意为单列直差式内存模组单列直差式内存模组。这种内存条采用 30 针引脚，大小约为 9 x 2 厘米。对于 多数的计算机来说，您应当安装一对容量相同、速度相等的 SIMM 内存条。这是因为总线的带宽大于单个 SIMM 内存条的带宽。例如，您可以安装两条 8 兆字节（MB）的 SIMM 内存条 以获得 16MB 的 RAM 容量。单个 SIMM 内存条一次可以传送 8 位数据，而系统每次可以处理 16 位数据。后期的 SIMM 内存条要略大一些，约为 11x2.5 厘米，使用 72 针引脚以获取更 大的带宽，并把 RAM 容量提升到 256MB。 由上而下依次是：SIMM、DIMM

10、 和 SODIMM 内存模组随着处理器速度和处理带宽的提升，计算机行业采用了一种新的内存标准双列直插式双列直插式 内存模组内存模组（DIMM）。DIMM 采用加长的 168 针或 184 针引脚，大小约为 14x2.5 厘米，每个 模组的容量从 8MB 到 1GB 不等，还能支持单模组安装，无需配对使用。多数 PC 机内存模组 以及 Mac G5 系统使用的内存模组的工作电压为 2.5 伏，而老一些的 Mac G4 系统工作电压 一般为 3.3 伏。另一种标准是 RambusRambus 直插式内容模组直插式内容模组（RIMM），在大小和引脚构造方面同 DIMM 区别不大，但 RIMM 采用了

11、独特的内存总线设计，大大提高了处理速度。很多笔记本电脑品牌都使用享有专利权的内存模组，但还是有几家生产商采用了小外形双小外形双 列直插式内存模组列直插式内存模组（SODIMM）的 RAM 构造。SODIMM 内存卡很小，只有约 5x2.5 厘米，采用 144 针或 200 针引脚。每个模组的容量范围从 16MB 到 1GB。为了节省空间，苹果 iMac 台 式电脑采用了 SODIMM 内存条，以替代传统的 DIMM 内存条。亚笔记本电脑采用更小的 DIMM 内存条，称为 MicroDIMM，有 144 针或 172 针两种引脚。目前市面上可见的多数内存是非常可靠的。多数内存系统只是靠内存控制器

12、在启动时进行 检错工作，并且相当依赖这种机制。具有内置检错功能的内存芯片通常会采用一种称为奇奇 偶校验偶校验的检错机制。奇偶校验芯片在每 8 位数据后会附加一位数据。其工作原理很简单。 我们先来看偶校验偶校验。当芯片接收到一个字节中的 8 位数据时，就会计算其中 1 的总数。如果 1 的总数是奇数， 奇偶校验位就设为 1。如果总数为偶数，校验位就设为 0。再次读取数据时，系统还会计算 总和，并将其同奇偶校验位作比较。如果总和是奇数，而校验位为 1，则数据被判为有效， 并将其传送给 CPU。但如果总和是奇数，而校验位为 0，芯片就会知道在这 8 位数据中的某一位出现了错误，数据则会被丢弃。奇校验

13、奇校验的工作方式与此相似，只是当每个字节中有偶 数个 1 时，校验位会设为 1。奇偶校验的问题是，它只能检错而没有纠错的能力。如果一个字节的数据没有通过奇偶校 验，那么这一字节会被丢弃，并且系统会重试一次。重要部门的计算机需要更高的容错容错水 平。高端服务器通常会采用一种称为纠错码纠错码（ECC）的检错方式。类似于奇偶校验，ECC 同 样采取附加校验位的方法来监测每个字节的数据。区别在于 ECC 的校验位有好几位（具体 数目取决于总线宽度），而不是 1 位。ECC 内存采用特定的算法，不仅能检测出一位错误， 而且还能纠正之。ECC 内存还能检测出一个字节中出现超过一位错误的情形。这种错误非 常

14、罕见，即便使用 ECC 也难以纠正。目前市面上的电脑主要采用非奇偶校验非奇偶校验内存芯片。这些芯片不提供任何内置的检错机制， 而是依靠内存控制器进行检错。下面是常见的几种 RAM 类型：SRAMSRAM：静态随机存取存储器采取多重晶体管设计，通常每个存储单元使用 4-6 只晶 体管，但没有电容器。SRAM 主要用于缓存。 DRAMDRAM：动态随机存取存储器动态随机存取存储器中每个存储单元由配对出现的晶体管和电容器构成，需 要不断地刷新。 FPMFPM DRAMDRAM：快速页模式动态随机存取存储器快速页模式动态随机存取存储器是最早的一种 DRAM。在存储器根据行 列地址进行位元定位的全程中，

15、FPM DRAM 必须处于等待状态，数据读取之后才能 开始处理下一位数据。向二级缓存的最高传输速率约为 176MB 每秒。 EDOEDO DRAMDRAM：扩展数据输出动态随机存取存储器扩展数据输出动态随机存取存储器在处理前一位数据的过程中无需全程 等待，就可以开始处理下一位数据。只要前一位数据的地址定位成功，EDO DRAM 就开始为下一位数据寻址。它比 FPM 快 5%左右。向二级缓存的最高传输速率约为 264MB 每秒。 SDRAMSDRAM：同步动态随机存取存储器同步动态随机存取存储器利用了爆发模式的概念，大大提升了性能。这种 模式在读取数据时首先锁定一个记忆行，然后迅速扫过各记忆列，

16、与此同时读取列 上的位元数据。之所以有这种设计思想，是因为多数时候 CPU 请求的数据在内存中 的位置是相邻的。SDRAM 比 EDO RAM 快 5%左右，已成为当今台式机内存中应用最广 的一种。向二级缓存的最高传输速率约为 528MB 每秒。 DDRDDR SDRAMSDRAM：双倍速率同步动态双倍速率同步动态 RAMRAM 与 SDRAM 相似，但带宽更高，即速度更快。向 二级缓存的最高传输速率约为 1064MB 每秒。（133 兆赫兹 DDR SDRAM）。 RDRAMRDRAM：RambusRambus 动态随机存取存储器动态随机存取存储器同先前的 DRAM 体系有着根本性的区别。由 Rambus 公司设计的 RDRAM 采用了 RambusRambus 直插式内存模组（直插式内存模组（RIMMRIMM），在外形尺寸和 引脚构造方面类似于标准的 DIMM。RDRAM 与众不同之处在于它采取一种特殊的高速 数据总线设计，称为 Rambus 信道。RDRAM 内存芯片在并行模式下工作频率可达 800 兆赫（数据速率 1600 兆字节）。由于操作