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1SDRAM与内存基础概念一、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。2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3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。二、SDRAM内存芯片的内部结构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（LogicalBank，下文简称L-Bank）。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）。4L-Bank存储阵列示意图从前文可知，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。52、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86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7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。三、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。1、首先，我们知道内存控制器要先确定一个P-Bank的芯片集合，然后才对这集合中的芯片进行寻址操作。因此要有一个片选的信号，它一次选择一个P-Bank的芯片集（根据位宽的不同，数量也不同）。被选中的芯片将同时接收或读取数据，所以要有一个片选信号。2、接下来是对所有被选中的芯片进行统一的L-Bank的寻址，目前SDRAM中L-Bank的数量最高为4个，所以需要两个L-Bank地址信号（22=4）。3、最后就是对被选中的芯片进行统一的行/列（存储单元）寻址。地址线数量要根据芯片的组织结构分别设计了。但在相同容量下，行数不变，只有列数会根据位宽的而变化，位宽越大，列数越少，因为所需的存储单元减少了。4、找到了存储单元后，被选中的芯片就要进行统一的数据传输，那么肯定要有与位宽相同数量的数据I/O通道才行，所以肯定要有相应数量的数据线引脚。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。8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）9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：四、SDRAM的内部基本操作与工作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101、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，ModeRegister）的设置，简称MRS（MRSet），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112、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（RowAddressStrobe，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。123、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