内存的工作原理

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现代的PC（包括NB）都是以存储器为核心的多总线结构，即CPU只通过存储总线与主存储器交换信息（先在Cache里找数据，如果找不到，再去主存找）。输入输出设备通过I/O总线直接与主存储器交换信息。在I/O设备和主存储器之间配置专用的I/O处理器。CPU不直接参与I/O设备与主存储器之间的信息传送。

    存储器分为内部存储器和外部存储器（或者叫主存储器和辅助存储器）。内部存储器简称内存，也可称为主存。从广义上讲，只要是PC内部的易失性存储器都可以看作是内存，如显存，二级缓存等等。外部存储器也称为外存，主要由一些非易失性存储器构成，比如硬盘、光盘、U盘、存储卡等等。
内存作为数据的临时仓库，起着承上启下的作用，一方面要从外存中读取执行程序和需要的数据，另一方面还要为CPU服务，进行读写操作。所以主存储器快慢直接影响着PC的速度。下面我就从内存的原理开始谈起。

    一、原理篇

    内存工作原理

    1.内存寻址

    首先，内存从CPU获得查找某个数据的指令，然后再找出存取资料的位置时（这个动作称为“寻址”），它先定出横坐标（也就是“列地址”）再定出纵坐标（也就是“行地址”），这就好像在地图上画个十字标记一样，非常准确地定出这个地方。对于电脑系统而言，找出这个地方时还必须确定是否位置正确，因此电脑还必须判读该地址的信号，横坐标有横坐标的信号（也就是RAS信号，Row Address Strobe）纵坐标有纵坐标的信号（也就是CAS信号，Column Address Strobe），最后再进行读或写的动作。因此，内存在读写时至少必须有五个步骤：分别是画个十字（内有定地址两个操作以及判读地址两个信号，共四个操作）以及或读或写的操作，才能完成内存的存取操作。

    2.内存传输

    为了储存资料，或者是从内存内部读取资料，CPU都会为这些读取或写入的资料编上地址（也就是我们所说的十字寻址方式），这个时候，CPU会通过地址总线（Address Bus）将地址送到内存，然后数据总线（Data Bus）就会把对应的正确数据送往微处理器，传回去给CPU使用。

    3.存取时间

    所谓存取时间，指的是CPU读或写内存内资料的过程时间，也称为总线循环（bus cycle）。以读取为例，从CPU发出指令给内存时，便会要求内存取用特定地址的特定资料，内存响应CPU后便会将CPU所需要的资料送给CPU，一直到CPU收到数据为止，便成为一个读取的流程。因此，这整个过程简单地说便是CPU给出读取指令，内存回复指令，并丢出资料给CPU的过程。我们常说的6ns（纳秒，秒－9）就是指上述的过程所花费的时间，而ns便是计算运算过程的时间单位。我们平时习惯用存取时间的倒数来表示速度，比如6ns的内存实际频率为1／6ns＝166MHz（如果是DDR就标DDR333，DDR2就标DDR2 667）。

    4.内存延迟

    内存的延迟时间(也就是所谓的潜伏期，从FSB到DRAM)等于下列时间的综合：FSB同主板芯片组之间的延迟时间(±1个时钟周期)，芯片组同DRAM之间的延迟时间(±1个时钟周期)，RAS到CAS延迟时间：RAS(2-3个时钟周期,用于决定正确的行地址)，CAS延迟时间 (2-3时钟周期,用于决定正确的列地址)，另外还需要1个时钟周期来传送数据，数据从DRAM输出缓存通过芯片组到CPU的延迟时间(±2个时钟周期)。一般的说明内存延迟涉及四个参数CAS（Column Address Strobe 行地址控制器）延迟，RAS（Row Address Strobe列地址控制器）－to－CAS延迟，RAS Precharge（RAS预冲电压）延迟，Act-to-Precharge（相对于时钟下沿的数据读取时间）延迟。其中CAS延迟比较重要，它反映了内存从接受指令到完成传输结果的过程中的延迟。大家平时见到的数据3—3—3—6中，第一参数就是CAS延迟（CL＝3）。当然，延迟越小速度越快。

    二、外观篇

    由于笔记本的空间设计要求，笔记本内存比台式机内存条要窄，通常采用SO－DIMM模组规范，布线也比较紧凑，针脚也为标准的200Pin。我们经常看到的内存上，一般的元件有内存颗粒、电路板、SPD芯片、排阻（终结电阻）和针脚。下面我来分别介绍一下。

    1.颗粒

    内存颗粒就是大家平时见到内存上一个个的集成电路块。颗粒是内存的主要组成部分，颗粒性能可以说很大程度上决定了内存的性能，常见的颗粒有以下一些参数。

    A.厂商

    市场上生产内存颗粒的厂商主要有Hynix（现代电子），Samsung Electronics（***电子），Micro（美光），Infineon（英飞凌），Kingmax（胜创）等等。不过需要注意的一点是，“内存颗粒”和“内存条”是完全不同的两回事。能够生产内存颗粒的厂商全球没几个，而有了内存颗粒后内存条的生产就要简单得多，生产者自然要多得多。充斥市场的杂牌内存条与品牌内存条有着根本的区别，它们在成本上也有很多不同。Kingston、Kingmax、金邦等大的品牌内存条采用的都是符合Intel规定的6层PCB板和现代、***等内存大厂的内存颗粒，按照严格的工艺进行生产；而那些杂牌内存条虽然号称“***”、“现代”，其实就是一些小厂和作坊，他们拿来大厂内存颗粒的切割角料，焊到劣质的PCB板上就下了线，品质完全没有保证，而且经常与一些大的经销商结成联盟来生产和销售，价格波动也更容易受到渠道因素的影响。

    B.内存芯片类型

    内存芯片类型分SDRAM，DDR SDRAM，DDRⅡ SDRAM、SDRAM、DDR SDRAM和DDR SDRAM同出一门，都属SDRAM系，因此三者的颗粒在外观上不容易分辨，。但是由于采用的物理技术不同，三者在电路，延迟，带宽上还是有很大区别的，区分三者一般都是看颗粒的参数或者针脚和缺口位置，后面我会重点讲DDR和DDRⅡ技术。

    C.内存工艺和工作电压

    SDRAM内存工艺主要以CMOS为主，内存的工作电压和内存的芯片类型有很大关系，在JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council 电子元件工业联合会）的规范中，SDRAM的工作电压是3.3V，DDR是2.5V，DDRⅡ是1.8V。

    D.芯片密度

    位宽及刷新速度芯片的密度一般都会用bit为单位进行表示（1B＝8bit），比如16Mbit是16Mbit÷ 8bit＝2MB也就是单颗芯片是2MB的。还有一个参数就是位宽，SDRAM系的位宽是64bit，采用多少个颗粒（一般为偶数）组成64bit也是不一样的。比如一个芯片是4bit的，那么要用16个同样的芯片才能组成64bits的，如果芯片是16bit那么只须4个就可以了。举个例子，256MB的内存可以用512bits÷8×4颗＝256MB，4颗×16bit＝64bit来组成，一般表示为512Mbits×16bit或64MB×16bit。刷新速度，内存条是由电子存储单元组成的，刷新过程对以列方式排列在芯片上的存储单元进行充电。刷新率是指被刷新的列的数目。两个常用的刷新率是2K和4K。2K模式能够在一定的时间内刷新较多的存储单元并且所用时间较短，因此2K所用的电量要大于4K。4K模式利用较慢的时间刷新较少的存储单元，然而它使用的电量较少。一些特殊设计的SDRAM具有自动刷新功能，它可自动刷新而不借助CPU或外部刷新电路。建立在DRAM内部的自动刷新，减少了电量消耗，被普遍应用于笔记本电脑。

    E.Bank

    内存的Bank一般分为物理Bank和逻辑Bank。物理Bank体现在SDRAM内存模组上，"Bank 数"表示该内存的物理存储体的数量。（等同于"行"/Row）。逻辑Bank表示一个SDRAM设备内部的逻辑存储库的数量。（现在通常是4个bank）。此外，对于主板，它还表示DIMM连接插槽或插槽组，例如Bank 0 或 Bank A。这里的Bank是内存插槽的计算单位，它是电脑系统与内存之间数据总线的基本工作单位。只有插满一个BANK，电脑才可以正常开机。举个例子，1个SDRAM线槽一个Bank为64bit，而老早以前的EDO内存是32bit的，必须要安装两根内存才能正常工作。主板上的Bank编号从Bank 0开始，必须插满Bank 0才能开机，Bank 1以后的插槽留给日后升级扩充内存用。

    F.电气接口类型

    一般的电气接口类型与内存类型对应，如SDRAM是SSTL_3（3.3V）、DDR是 SSTL_2（2.5V）、DDRⅡ是SSTL_18（1.8V）。

    G.内存的封装

    现在比较普遍的封装形式有两种BGA和TSOP两种，BGA封装分FBGA，μBGA，TinyBGA（KingMAX）等等，TSOP分TSOPⅠ和TSOPⅡ。BGA封装具有芯片面积小的特点，可以减少PCB板的面积，发热量也比较小，但是需要专用的焊接设备，无法手工焊接。另外一般BGA封装的芯片，需要多层PCB板布线，这就对成本提出了要求。此外，BGA封装还拥有芯片安装容易、电气性能更好、信号传输延迟低、允许高频运作、散热性卓越等许多优点，它成为DDRⅡ官方选择也在情理之中。而TSOP相对来说工艺比较成熟，成本低，缺点是频率提升比较困难，体积较大，发热量也比BGA大。

    H.速度及延迟

    一般内存的速度都会用频率表示。比如大家常常看到的SDRAM 133、DDR 266、DDRⅡ 533其实物理工作频率都是133MHz，只是采用了不同的技术，理论上相当于2倍或4倍的速率运行，还有一种表示速度方法是用脉冲周期来表示速度，一般是纳秒级的。比如1／133MHz＝7ns，说明该内存的脉冲周期是7ns。内存延迟我前面说过了，参数一般为4个，也有用3个的，数字越小表示延迟越小，速度越快。

    I.工作温度

    工作温度：工业常温（-40 - 85度）；扩展温度（-25 - 85度）

    2.电路板

    电路板也称PCB版，是印刷电路板电子板卡的基础，由若干层导体和绝缘体组成的平板。电路图纸上的线路都蚀刻在其上，然后焊接上电子元件。由于所有的内存元件都焊在电路版上，因此电路板的布线是决定内存稳定性的重要方面，跟据Intel的规范，DDR内存必须使用6层PCB版才能保证内存的电气化功能和运行的稳定性。所以建议大家购买大厂的产品，不要使用来历不明的山寨货。

    3.SPD及SPD芯片

    SPD（Serial Presence Detect）— 串行存在侦测，SPD是一颗8针的EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM 电子可擦写程序式只读内存）, 容量为256字节~2KB，里面主要保存了该内存的相关资料，如容量、芯片厂商、内存模组厂商、工作速度、是否具备ECC校验等。SPD的内容一般由内存模组制造商写入。支持SPD的主板在启动时自动检测SPD中的资料，并以此设定内存的工作参数。当开机时PC的BIOS将自动读取SPD中记录的信息，如果没有 SPD，就容易出现死机或致命错误的现象。建议大家购买有SPD芯片的内存。

    4.排阻

    排阻，也称终结电阻（终结器）是DDR内存中比较重要的硬件。DDR内存对工作环境提出很高的要求，如果先前发出的信号不能被电路终端完全吸收掉而在电路上形成反射现象，就会对后面信号的影响从而造成运算出错。因此目前支持DDR主板都是通过采用终结电阻来解决这个问题。 由于每根数据线至少需要一个终结电阻，这意味着每块DDR主板需要大量的终结电阻，这也无形中增加了主板的生产成本,而且由于不同的内存模组对终结电阻的要求不可能完全一样，也造成了所谓的“内存兼容性问题”。由于DDR II内部集成了终结器，这个问题上得到了比较完美的解决。

    5.针脚（Pin）

    Pin－针状引脚，是内存金手指上的金属接触点。由于不同的内存的针脚不同，所以针脚也是从外观区分各种内存的主要方法。内存针脚分为正反两面，例如笔记本DDR内存是200Pin，那么正反两面的针脚就各为200÷2＝100个。此外，有些大厂的金手指使用技术先进的电镀金制作工艺，镀金层色泽纯正，有效提高抗氧化性。保证了内存工作的稳定性。

三、技术篇

    1.DDR、DDRⅡ技术

    DDR技术

    DDR SDRAM是双倍数据速率（Double Data Rate）SDRAM的缩写。从名称上可以看出，这种内存在技术上，与SDRAM有着密不可分的关系。事实上，DDR内存就是SDRAM内存的加强版。DDR运用了更先进的同步电路，使指定地址、数据的输送和输出主要步骤既独立执行，又保持与CPU完全同步；DDR使用了DLL(Delay Locked Loop，延时锁定回路提供一个数据滤波信号)技术，当数据有效时，存储控制器可使用这个数据滤波信号来精确定位数据，每16次输出一次，并重新同步来自不同存储器模块的数据。DDL本质上不需要提高时钟频率就能加倍提高SDRAM的速度，它允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿读出数据，理论上使用原来的工作的频率可以产生2倍的带宽。同速率的DDR内存与SDR内存相比，性能要超出一倍，可以简单理解为133MHZ DDR="266MHZ" SDR。从外形体积上DDR与SDRAM相比差别并不大，他们具有同样的尺寸和同样的针脚距离。DDR内存采用的是支持2.5V电压的SSTL2标准，而不是SDRAM使用的3.3V电压的LVTTL标准。但是DDR存在自身的局限性—DDR只是在SDRAM基础上作简单改良，并行技术与生俱来的易受干扰特性并没有得到丝毫改善，尤其随着工作频率的提高和数据传输速度加快，总线间的信号干扰将造成系统不稳定的灾难性后果；反过来，信号干扰也制约着内存频率的提升——当发展到DDR400规范时，芯片核心的工作频率达到200MHz，这个数字已经非常接近DDR的速度极限，只有那些品质优秀的颗粒才能够稳定工作于200MHz之上，所以DDRⅡ标准就成了一种进一步提高内存速度的解决方法。

    DDR Ⅱ技术

    DDRⅡ相对于DDR有三大技术革新，4位预取（DDR是2位）、Posted CAS、整合终结器（ODT）、FBGA/CSP封装。要解释预取的概念，我们必须从内存的频率说起。大家通常说的“内存频率”其实是一个笼统的说法，内存频率实际上应细分为数据频率、时钟频率和DRAM核心频率三种。数据频率指的是内存模组与系统交换数据的频率；时钟频率则是指内存与系统协调一致的频率；而DRAM核心频率指的是DRAM内部组件的工作频率，它只与内存自身有关而不受任何外部因素影响。对SDRAM来说，这三者在数字上是完全等同的，也就是数据频率=时钟频率=核心频率；而DDR技术却不是如此，它要在一个时钟周期内传输两次数据，数据频率就等于时钟频率的两倍，但核心频率还是与时钟频率相等。由于数据传输频率翻倍（传输的数据量也翻倍），而内部核心的频率并没有改变，这意味着DDR芯片核心必须在一个周期中供给双倍的数据量才行，实现这一任务的就是所谓的两位预取（2bit Prefect）技术；DDRⅡ采用的4位预取。这项技术的原理是将DRAM存储矩阵的位宽增加一（两）倍，这样在一个时钟周期内就可以传输双（四）倍的数据，这些数据接着被转化为宽度为1/2（1／4）的两道数据流、分别从每个时钟周期的上升沿和下降沿传送出去。Posted CAS：DDRⅡ通过引入“Posted CAS”功能来解决带宽利用变低的问题，所谓Posted CAS，指的是将CAS（读/写命令）提前几个周期、直接插到RAS信号后面的一个时钟周期，这样CAS命令可以在随后的几个周期内都能保持有效，但读/写操作并没有因此提前、总的延迟时间没有改变。这样做的好处在于可以彻底避免信号冲突、提高内存使用效率，但它只有在读写极其频繁的环境下得到体现，若是普通应用，Posted CAS功能反而会增加读取延迟、令系统性能下降，因此我们可以根据需要、通过BIOS将Posted CAS功能开启或关闭（关闭状态下DDRⅡ的工作模式就与DDR完全相同）。  芯片整合终结器，提高了内存工作的稳定性，增强的内存的兼容性。FBGA封装和CSP封装，封装虽然无法直接决定内存的性能，但它对内存的稳定工作至关重要。 FBGA封装是DDRⅡ的官方选择，FBGA属于BGA体系（Ball Grid Array，球栅阵列封装），前面已经讲过了。CSP封装最大的特点在于封装面积与芯片面积异常接近，两者比值仅有1.14：1，它也是目前最接近1：1理想状况的芯片封装技术。这样在同样一条模组中就可以容纳下更多数量的内存芯片，有利于提升模组的总容量。

    2.双通道内存控制器技术

    所谓双通道DDR，简单来说，就是芯片组可以在两个不同的数据通道上分别寻址、读取数据。这两个相互独立工作的内存通道是依附于两个独立并行工作的，位宽为64-bit的内存控制器下，因此使普通的DDR内存可以达到128-bit的位宽，如果是DDR333的话，双通道技术可以使其达到DDR667的效果，内存带宽陡增一倍。双通道DDR有两个64bit内存控制器，双64bit内存体系所提供的带宽等同于一个128bit内存体系所提供的带宽，但是二者所达到效果却是不同的。双通道体系包含了两个独立的、具备互补性的智能内存控制器，两个内存控制器都能够在彼此间零等待时间的情况下同时运作。例如，当控制器B准备进行下一次存取内存的时候，控制器 A就在读/写主内存，反之亦然。两个内存控制器的这种互补“天性”可以让有效等待时间缩减50%，双通道技术使内存的带宽翻了一翻。双通道DDR的两个内存控制器在功能上是完全一样的，并且两个控制器的时序参数都是可以单独编程设定的。这样的灵活性可以让用户使用三条不同构造、容量、速度的DIMM内存条，此时双通道DDR简单地调整到最低的密度来实现128bit带宽，允许不同密度/等待时间特性的DIMM内存条可以可靠地共同运作。双通道DDR技术带来的性能提升是明显的，DDR266能够提供2.1GB/s的带宽，而双通道DDR266则能提供4.2GB/s的带宽。以此类推，双通道DDR333和DDR400能够达到5.4GB/s和6.4GB/s。

    3.CPU集成内存控制器技术

    这是AMD公司提高CPU与内存性能的一项技术，这项技术是一种将北桥的内存控制器集成到CPU的一种技术，这种技术的使用使得原来，CPU－北桥－内存三方传输数据的过程直接简化成CPU与内存之间的单项传输技术，并且降低了它的延迟潜伏期，提高了内存工作效率。这么做得的目的是为了解放系统的北桥，众所周知，显卡也是通过北桥向CPU传输数据的，虽然说早在GeForce256时代就有了GPU的说法，但是随着现在游戏的进步，画面的华丽，不少数据还是需要CPU来做辅助处理的。这些数据传输到CPU必然要经过系统的北桥，由于AMD64系统将内存控制集成到主般中来了，所以压力减小的北桥便可以更好地为显卡服务。另外，缺少了中间环节，内存和CPU之间的数据交换显得更为流畅。但是这项技术也有缺点，当新的内存技术出现时，必须要更换CPU才能支持。这在无形间增加了成本。

    4.其他技术

    A.ECC内存

    全称Error Checkingand Correcting。它也是在原来的数据位上外加位来实现的。如8位数据，则需1位用于Parity检验，5位用于ECC，这额外的5位是用来重建错误的数据的。当数据的位数增加一倍，Parity也增加一倍，而ECC只需增加一位，当数据为64位时所用的ECC和Parity位数相同(都为。在那些Parity只能检测到错误的地方，ECC可以纠正绝大多数错误。若工作正常时，你不会发觉你的数据出过错，只有经过内存的纠错后，计算机的操作指令才可以继续执行。当然在纠错时系统的性能有着明显降低，不过这种纠错对服务器等应用而言是十分重要的，ECC内存的价格比普通内存要昂贵许多。

    B.（Un）Buffered Memory 内存

    （Un）Buffered Memory，（不）带有缓存的内存条。缓存能够二次推动信号穿过内存芯片，而且使内存条上能够放置更多的内存芯片。带缓存的内存条和不带缓存的内存条不能混用。电脑的内存控制器结构，决定了该电脑上带缓存的内存还是上不带缓存的内存。

  四、总结篇 Q&A

    伴随着整个PC工业的发展，内存的发展朝着速度更快，功耗更低，成本更低的方向发展，老一代DDR内存正在面临着更多新技术的挑战，不管是同门DDRⅡ、还是Rambus的XDR，VIA的QBM都有一定竞争力。作为普通的本本用户，我们更关心的是技术成熟，产品性价比高的产品，由于本本内存的扩展相对于其他硬件容易些，建议大家在资金允许的范围内最好还是增加内存容量。尤其是集成显卡的本本，还可考虑升级到双通道，提高显卡和系统整体的性能。

    1.组成双通道有哪些条件。

    首先，组成双通道内存需要主板或CPU集成双通道内存控制器才可以，其次，需要两条内存插槽，我在前面讲过，一个DDR SDRAM插槽是64bit的，要组成128bit的双通道必须两条内存插槽才行。第三，需要强调的是对内存条的要求，Intel官方文档对组建双通道的内存条有着严格的限制，必须是相同容量、相同结构（如单面、双面或内存颗粒的数量、每个颗粒的位宽等参数必须相同）和相同品牌（不同品牌内存的SPD信息有可能不同）的内存才行。当然，这只是Intel为了保证双通道正常运行提出的要求。事事无绝对，也会存在一些其他的组合，大家如果有这方面的经验，可以回帖交流。

    2.笔记本怎样升级内存。

    笔记本的内存的升级，原则上可以“韩信点兵，多多益善”。但是需要考虑几个方面的问题。

    类型：由于DDR和DDRⅡ针脚定义不同，工作电压也不同，所以不能混插，否则会烧毁内存或内存插槽。
    容量：尽量选择单条容量比较大的，如果不是组成双通道，尽量选择单条512MB以上的。
    速度：首先要考虑芯片组的规格，尽量符合芯片组的最大要求购买，其次，保证两条内存的频率相同，如果原来的内存是DDR266的，买一条DDR333的内存只能在DDR266的频率上运行，发挥不了真实的性能。

    结构：从理论上讲，无论是扩充性、稳定性还是兼容性，单面结构都比双面结构稍胜一筹。从发热量上考虑，单面内存比双面的要小。单、双面内存它们的本身没有好坏，区别也很小，同等容量的内存，单面比双面的集成度要高，生产日期要靠后，所以工作起来就更稳定。
PS：关于各芯片组内存控制器的规格，请看上一篇浅谈笔记本主流芯片组
关于内存升级的问题还可以参考版主帅鼠的帖笔记本内存升级！

    3.内存颗粒如何识别。

    由于没有相对统一的标准，各个厂商的颗粒都不大相同，我给出几个常见的颗粒厂商的百度搜索结果，大家可以根据自己的需要查看。


Hynix（现代电子）
Samsung Electronics（***电子）
Micro（美光）
Infineon（英飞凌）
Kingmax（胜创）
GEIL（金邦）
Mosel（台湾茂矽）
Nanya（南亚）
Apacer（宇瞻）
V（A）－data（威刚科技）
TOSHIBA（东芝）