计算机组织中的 DRAM

动态随机存取存储器 (DRAM) 是一种半导体存储器，通常用于计算机处理器运行所需的数据或程序代码。DRAM 是个人计算机 (PC)、工作站和服务器中常用的随机存取存储器 (RAM) 类型。

RAM 是计算机主内存的一部分，CPU 可直接访问。随机存取允许 PC 处理器直接访问内存的任何部分，而不是从起始位置顺序进行。RAM 靠近计算机的处理器，比硬盘驱动器和固态驱动器等存储介质可以更快地访问数据。RAM 用于存储 CPU 当前正在处理的数据。大多数可修改的程序和数据都存储在 RAM 中。集成 RAM 芯片有两种形式

1. SRAM (静态 RAM)
2. DRAM (动态 RAM)

动态随机存取存储器将每个数据位存储在集成电路中的单独电容器中。电容器的充电和放电代表 0 和 1，即位中可以存储的两个可能值。

DRAM 被广泛用于需要低成本和高容量内存的数字电子产品中。

DRAM 如何工作？

内存由数据位或程序代码组成，这些数据位或程序代码排列在二维网格中。

• DRAM 将数据位存储在由电容器和晶体管组成的存储器单元中。
• 存储单元通常以矩形配置组织。当电荷通过列发送时，列处的晶体管会被激活。
• DRAM 存储单元是动态的，这意味着它需要每隔几毫秒刷新一次或给予新的电子电荷，以补偿电容器中的电荷泄漏。
• 内存单元将与其他电路一起工作，这些电路可用于识别行和列，跟踪刷新过程，并指示单元是否接受电荷以及是否从单元读取或恢复数据。
• DRAM 是系统设计者在构建计算机时可用的半导体存储器选项之一。其他内存选择包括静态 RAM (SRAM)、电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)、NOR Flash 和 NAND Flash。许多系统使用多种类型的内存。

DRAM 类型

设备中可以使用多种类型的 DRAM。以下是一些常见的 DRAM 类型，例如

1. 异步 DRAM：内存访问未与系统时钟同步。因此称其为异步。它是最早使用的 DRAM 类型，但逐渐被同步 DRAM 取代。

• 仅 RAS 刷新：ROR 是一种经典的异步 DRAM 类型，通过依次打开每一行来刷新。需要一个外部计数器来顺序刷新行。刷新周期分布在整个刷新间隔内。
• CAS 前 RAS 刷新：CBR 用于减少外部电路。用于刷新的计数器被集成到主芯片中。它成为异步 DRAM 刷新的标准格式。（它也是 SDRAM 通常使用的唯一格式）。
• FPM DRAM：FPM DRAM 或快速分页模式 DRAM 被设计为比传统 DRAM 类型更快。因此，它是 PC 中使用的主要 DRAM 类型，尽管它现在已经过时，因为它只能支持高达约 66 MHz 的内存总线速度。
• 扩展数据输出 DRAM：EDO DRAM 缩短了像 Intel Pentium 这样的微处理器从内存中读取数据的时间。EDO DRAM 是一种 DRAM，与 FPM DRAM 相比提供了性能提升。但是，这种类型的 DRAM 仍然只能以高达约 66 MHz 的速度运行。

2. 同步 DRAM：在同步 DRAM (SDRAM) 中，时钟与内存接口同步。所有信号在时钟的上升沿进行处理。同步 DRAM 将内存速度与 CPU 时钟速度同步，让内存控制器了解 CPU 时钟周期。它允许 CPU 一次处理更多指令。SDRAM 今天在大多数计算机系统中都有使用。

• 单数据速率 SDRAM：单数据速率 SDRAM (SDR SDRAM 或 SDR) 是 SDRAM 的原始一代。它每个时钟周期进行一次数据传输。
• 双数据速率 SDRAM：DDR SDRAM 通过使用双引脚几乎将其数据速率提高了两倍。此过程允许数据在时钟信号的上升沿和下降沿传输。
  随着时间的推移，它已有不同版本，包括 DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM 和 DDR4 SDRAM。
• Rambus DRAM：RDRAM 在 2000 年代初期被更广泛地用于显卡。RDRAM 通过狭窄的 CPU-内存总线提供非常高的数据传输速率。它使用各种加速机制，例如同步内存接口、DRAM 芯片内的缓存以及非常快的信号时序。Rambus 数据总线宽度为 8 或 9 位。
• 低延迟 DRAM：低延迟 DRAM (RLDRAM) 是一种高性能双数据速率 (DDR) SDRAM，它结合了快速的随机访问和高带宽，主要用于网络和缓存应用。

3. 图形 DRAM：图形 DRAM 是异步和同步 DRAM，专为图形相关任务设计，例如视频卡上的纹理内存和帧缓冲器。

• 视频 DRAM：视频 DRAM (VRAM) 是 DRAM 的双端口变体，曾用于存储某些图形适配器中的帧缓冲器。
• 窗口 DRAM：窗口 DRAM (WRAM) 是 VRAM 的一种变体，曾用于 Matrox Millennium 和 ATI 3D Rage Pro 等图形适配器。WRAM 的设计比 VRAM 性能更好且成本更低。
  WRAM 提供了比 VRAM 高达 25% 的带宽，并加速了常用的图形操作，例如文本绘制和块填充。
• 多银行 DRAM：多银行 DRAM (MDRAM) 是一种由 MoSys 开发的专用 DRAM。它由 256kB 的小型内存银行组成，以交错方式运行，提供适合显卡的带宽，并且成本低于 SRAM 等内存。
  MDRAM 还允许在一个时钟周期内进行两次银行操作，如果访问是独立的，则允许多个并发访问发生。
  MDRAM 主要用于显卡，例如采用 Tseng Labs ET6x00 芯片组的显卡。基于该芯片组的板卡通常具有 2.25MB 的不寻常容量，这得益于 MDRAM 更容易实现此类容量。具有 2.25MB MDRAM 的显卡拥有足够的内存，可以在 1024×768 的分辨率下提供 24 位颜色——这在当时是一个非常流行的设置。
• 同步图形 RAM：同步图形 RAM (SGRAM) 是 SDRAM 的一种专用形式，用于图形适配器。它增加了位掩码和块写入等功能。
  与 VRAM 和 WRAM 不同，SGRAM 是单端口的。但是，它可以同时打开两个内存页面，这模拟了其他视频 RAM 技术的双端口特性。
• 图形双倍数据速率 SDRAM：图形双倍数据速率 SDRAM 是一种专用 DDR SDRAM，用作图形处理单元 (GPU) 的主内存。
  GDDR SDRAM 与 DDR3 等通用 DDR SDRAM 类型不同，尽管它们共享一些核心技术。它们的主要特点是 DRAM 核心和 I/O 接口的时钟频率更高，从而为 GPU 提供更高的内存带宽。

注意：主要的 DRAM 制造商包括三星、Rambus、PNY、OCZ Technology、Hynix、GEIL、SimpleTech、SK Hynix 等。

DRAM IC 封装

DRAM 内存芯片有各种 IC 封装。发现在计算机中使用的 DRAM 封装可能与在其他电子设备中发现的封装不同，因为它们的需求不同。

• 双列直插式或DIL封装是集成电路的标准引脚封装。
• SMT DRAM 有各种表面贴装封装。这些符合所有常规的 SMT 封装，尺寸和基本格式取决于硅芯片尺寸、所需引脚数量以及其预期用途。

DRAM 内存模块格式

尽管 DRAM 作为集成电路生产，通常采用表面贴装格式安装在印刷电路板上，但 PC 和其他计算机应用中使用的内存通常是包含许多不同 IC 的小型模块格式。这些多芯片模块有以下格式，例如

1. 单列直插式内存模块 (SIMM)：单列直插式内存模块封装现在已被淘汰，曾用于 1980 年代至 1990 年代。SIMM 有 30 针和 72 针套件，通常具有 32 位数据传输速率。

2. 双列直插式内存模块 (DIMM)：当前的内存模块采用 DIMM。 "双列直插式" 指的是模块两侧的引脚。DIMM 最初有一个 168 针连接器，支持 64 位数据总线，是 SIMM 数据宽度的两倍。

更宽的总线意味着更多的数据可以通过 DIMM，从而实现更快的整体性能。基于第四代双倍数据速率 (DDR4) SDRAM 的最新 DIMM 具有 288 针连接器，以提高数据吞吐量。

DIMM 进一步细分为以下类型，它们被设置为不同的集成电路架构。

• 无缓冲 DIMM (UDIMM) 常用于台式机和笔记本电脑。它们运行速度更快且成本更低，但不如注册内存稳定。命令直接从 CPU 中的内存控制器发送到内存模块。
• 全缓冲 DIMM (FB-DIMM) 用于更大的内存系统。它们更可靠，因为它们可以改进错误检测方法并保持信号完整性。
• 注册 DIMM (RDIMM) 常用于服务器。它们更稳定，并减轻了 CPU 内存控制器的负担。
• 负载降低 DIMM (LR-DIMM) 使用隔离内存缓冲器 (iMB) 技术，通过缓冲数据和地址通道来降低内存控制器的负载。

DRAM 的优点

DRAM 的主要优点包括以下几点

• 其设计简单，只需要一个晶体管。
• 与 SRAM 等替代内存类型相比，成本较低。
• 它在 DRAM 中提供了高集成密度。
• 它具有简单的内存单元结构。
• 使用 DRAM 可以存储更多数据。
• 可以在程序运行时刷新和删除内存。

DRAM 的缺点

以下是 DRAM 的主要缺点，例如

• 内存或 DRAM 是易失性的。
• DRAM 之间存在信号间干扰。
• 与其他选项相比，功耗较高。
• DRAM 的制造过程很复杂。
• 存储单元中的数据需要刷新。
• 它比 SRAM 慢。
• 其运行速度相对较低。

DRAM 和 SRAM 之间的区别

DRAM 是 SRAM 的后继者。内存设计者减少了每个位的元素数量并消除了差分位线，以节省芯片面积来创建 DRAM。因此，DRAM 的生产成本比 SRAM 低。

但是 SRAM 在某些方面优于 DRAM。SRAM 不需要刷新，因为它不是通过在存储单元中保持电荷，而是通过切换电流方向来工作的。SRAM 通常用于缓存内存，该内存比 DRAM 访问速度更快。

SRAM 能够进行字节级别读/写，并且比 DRAM 的读/写速度更快。DRAM 以字节级别写入数据，并以多字节页级别读取数据。

功耗差异取决于系统是处于非活动状态还是睡眠模式。DRAM 在活动状态下比 SRAM 功耗低，但在睡眠模式下，SRAM 的功耗远低于 DRAM。