深入了解内存(SRAM、DRAM、SDRAM).pdf

1、 深入了解内存 深入了解内存（SRAM、DRAM、SDRAM）目录目录 第一章 RAM 的基本原理 第一章 RAM 的基本原理 1.1 寻址原理概述 1.1 寻址原理概述 1.2 从“线”到“矩阵”1.2 从“线”到“矩阵”1.3 DRAM 基本存储单元结构 1.3 DRAM 基本存储单元结构 第二章 SRAM 的基本原理 第二章 SRAM 的基本原理 2.1 SRAM 芯片的引脚定义 2.1 SRAM 芯片的引脚定义 2.2 SRAM 芯片的读写操作概述 2.2 SRAM 芯片的读写操作概述 第三章 DRAM 的基本原理 第三章 DRAM 的基本原理 3.1 多路寻址技术 3.1 多路寻址技

2、术 3.2 DRAM 的读取过程和各种延时 3.2 DRAM 的读取过程和各种延时 3.3 DRAM 的刷新 3.3 DRAM 的刷新 3.4 快页模式 DRAM 3.4 快页模式 DRAM 3.5 扩展数据输出 DRAM 3.5 扩展数据输出 DRAM 第四章 SDRAM 的基本原理 第四章 SDRAM 的基本原理 4.1 SDRAM 芯片的引脚定义 4.1 SDRAM 芯片的引脚定义 4.2 SDRAM 芯片的初始化和模式寄存器的设置 4.2 SDRAM 芯片的初始化和模式寄存器的设置 4.3 SDRAM 的指令例表 4.3 SDRAM 的指令例表 4.4 SDRAM 的读取过程分析 4.

3、4 SDRAM 的读取过程分析 4.5 SDRAM 的 CAS 延迟 4.5 SDRAM 的 CAS 延迟 4.6 SDRAM 的写入过程分析 4.6 SDRAM 的写入过程分析 第一章 RAM 的基本原理 第一章 RAM 的基本原理 1.1 寻址原理概述 1.1 寻址原理概述 RAM 主要的作用就是存储代码和数据供 CPU 在需要的时候调用。但是这些数据并不是像用袋子盛米那么简单，更像是图书馆中用有格子的书架存放书籍一样，不但要放进去还要能够在需要的时候准确的调用出来，虽然都是书但是每本书是不同的。对于 RAM 等存储器来说也是一样的，虽然存储的都是代表 0 和 1 的代码，但是不同的组合就

4、是不同的数据。让我们重新回到书和书架上来，如果有一个书架上有 10 行和 10 列格子（每行和每列都有 0-9 的编号），有 100 本书要存放在里面，那么我们使用一个行的编号加一个列的编号就能确定某一本书的位置。如果已知这本书的编号 87，那么我们首先锁定第 8 行，然后找到第 7 列就能准确的找到这本书了。在 RAM 存储器中也是利用了相似的原理。现在让我们回到 RAM 存储器上，对于 RAM 存储器而言数据总线是用来传入数据或者传出数据的。因为存储器中的存储空间是如果前面提到的存放图书的书架一样通过一定的规则定义的，所以我们可以通过这个规则来把数据存放到存储器上相应的位置，而进行这种定位

5、的工作就要依靠地址总线来实现了。对于 CPU 来说，RAM 就象是一条长长的有很多空格的细线，每个空格都有一个唯一的地址与之相对应。如果 CPU 想要从 RAM 中调用数据，它首先需要给地址总线发送地址数据定位要存取的数据，然后等待若干个时钟周期之后，数据总线就会把数据传输给 CPU。下面的示意图可以帮助你很好的理解这个过程。上图中的小圆点代表 RAM 中的存储空间，每一个都有一个唯一的地址线同它相连。当地址解码器接收到地址总线送来的地址数据之后，它会根据这个数据定位 CPU 想要调用的数据所在的位置，然后数据总线就会把其中的数据传送到 CPU。上面所列举的例子中 CPU 在一行数据中每次只是

6、存取一个字节的数据，但是在现实世界中是不同的，通常 CPU 每次需要调用 32bit 或者是 64bit 的数据（这是根据不同计算机系统的数据总线的位宽所决定的）。如果数据总线是 64bit 的话，CPU 就会在一个时间中存取 8 个字节的数据，因为每次还是存取 1 个字节的数据，64bit 总线将不会显示出来任何的优势，工作的效率将会降低很多。1.2 从“线”到“矩阵”1.2 从“线”到“矩阵”如果 RAM 对于 CPU 来说仅仅是一条“线”的话，还不能体现实际的运行情况。因为如果实际情况真的是这样的话，在实际制造芯片的时候，会有很多实际的困难，特别是在需要设计大容量的 RAM 的时候。所以

7、，一种更好的能够降低成本的方法是让存储信息的“空格”排列为很多行每个“空格”对应一个 bit 存储的位置。这样，如果要存储 1024bits 的数据，那么你只要使用 32x32 的矩阵就能够达到这个目的了。很明显，一个 32x32 的矩阵比一个 1024bit 的行设备更紧凑，实现起来也更加容易。请看下图 1：图 1图 1 图 2 图 2 知道了 RAM 的基本结构是什么样子的，下面我们就谈谈 RAM 存储字节的过程是怎样的：上面的示意图 1 显示的也仅仅是最简单状态下的情况，也就是当内存条上仅仅只有一个 RAM 芯片的情况。对于 X86 处理器，它通过地址总线发出一个具有 22 位二进制数字

8、的地址编码其中 11 位是行地址，另外 11 位是列地址，这是通过 RAM 地址接口进行分离的。行地址解码器（row decoder）将会首先确定行地址，然后列地址解码器（column decoder）将会确定列地址，这样就能确定唯一的存储数据的位置，然后该数据就会通过 RAM 数据接口将数据传到数据总线。另外，需要注意的是，RAM 内部存储信息的矩阵并不是一个正方形的，也就是行和列的数目不是相同的行的数目比列的数目少。(后面我们在讨论 DRAM 的过程中会讲到为什么会这样)上面的示意图 2 粗略的概括了一个基本的 SRAM 芯片是如何工作的。SRAM 是“staticRAM（静态随机存储器）

9、”的简称，之所以这样命名是因为当数据被存入其中后不会消失（同 DRAM 动态随机存储器是不同，DRAM 必须在一定的时间内不停的刷新才能保持其中存储的数据）。一个 SRAM 单元通常由 4-6 只晶体管组成，当这个 SRAM 单元被赋予 0 或者 1 的状态之后，它会保持这个状态直到下次被赋予新的状态或者断电之后才会更改或者消失。SRAM 的速度相对比较快，而且比较省电，但是存储 1bit 的信息需要 4-6 只晶体管制造成本太高了（DRAM 只要 1 只晶体管就可以实现）。1.3 DRAM 基本存储单元结构 1.3 DRAM 基本存储单元结构 不管你相信不相信，目前主流内存中的 RDRAM(

10、Rambus)、DDR SDRAM、SDRAM 甚至是 EDO RAM 的基本结构都是相同的，它们都是属于 DRAM（Dynamic RAM：动态随机访问存储器）。所有的 DRAM 基本存储单元都是由一个晶体管和一个电容组成。这样的基本存储单元的架构是目前最经济的方式，电容的状态决定着内存基本存储单元的逻辑状态是“0”还是“1”充满电荷的电容器代表逻辑“1”，“空”的电容器代表逻辑“0”，不过正是因为使用了电容器所以产生了一些局限性。电容存储的电荷一般是会慢慢泄漏的，这也就是为什么内存需要不时的刷新的缘故。电容需要电流进行充电，而电流充电的过程也是需要一定时间的，一般是 0.2-0.18 微秒

11、（由于内存工作环境所限制，不可能无限制的提高电流的强度），在这个充电的过程中内存是不能被访问的。从技术上讲，实现内存的定时刷新并不是什么难事，DRAM 厂商指出这种刷新操作必须每64ms 进行一次，这也就意味着 DRAM 基本存储单元大约有 1的时间用在了刷新上。对于 DRAM 来说最大的问题是，读取内存会造成内存基本存储单元中的电荷丢失,所以每当DRAM 被访问之后都要进行刷新，以维持访问之前的状态，否则就会造成数据丢失。当然拿出专门的时间进行刷新，也就增加了访问时间，提高了延迟。SRAM（Static RAM）则不存在刷新的问题。一个 SRAM 基本存储单元由 4 个晶体管和两个电阻器构成

12、,它并不利用电容器来存储数据，而是通过切换晶体管的状态来实现的，如同 CPU 中的晶体管通过切换不同的状态也能够分别代表0 和1 这两个状态。正是因为这种结构，所以SRAM 的读取过程并不会造成 SRAM 内存储的的信息的丢失，当然也就不存在什么刷新的问题了。SRAM 可以比 DRAM 高的频率来运行，主要是因为获取前 8 个字节的时间延迟大大缩短了。SRAM 需要 23 个时钟周期来得到想要的数据（这里我们暂时忽略 CPU、芯片组和内存 DIMM 控制电路之间的延迟），不过同样的过程 DRAM 需要大约 39 个时钟周期。当然因为构造不同，SRAM 和 DRAM 存储 1bit 数据的成本是

13、不同的，前者大约是后者的 4 倍因为它的所需要的晶体管数目是后者的 4 倍以上。SRAM 因为存取延迟时间非常的短，所以它的工作频率能够达到很高，因此可以带来更高的带宽。第二章 SRAM 的基本原理 第二章 SRAM 的基本原理 2.1 SRAM 芯片的引脚定义 2.1 SRAM 芯片的引脚定义 早期的 SRAM 芯片采用了 20 线双列直插（DIP：Dual Inline Package）封装技术，它们之所以具有这么多的针脚，是因为它们必须：每个地址信号都需要一根信号线 一根数据输入线和一根数据输出线 部分控制线(Write Enable,Chip Select)地线和电源线 下面的是一个

14、16K x 1-bit SRAM 芯片的针脚功能示意图：A0-A13 是地址输入信号引脚 /CS 是芯片选择引脚，在一个实际的系统中，一定具有很多片 SRAM 芯片，所以需要选择究竟从那一片 SRAM 芯片中写入或者读取数据 /WE 是写入启用引脚，当 SRAM 得到一个地址之后，它需要知道进行什么操作，究竟是写入还是读取，/WE 就是告诉 SRAM 要写入数据 Vcc 是供电引脚 Din 是数据输入引脚 Dout 是数据输出引脚 GND 是接地引脚 Output Enable（/OE）：有的 SRAM 芯片中也有这个引脚，但是上面的图中并没有。这个引脚同/WE 引脚的功能是相对的，它是让 S

15、RAM 知道要进行读取操作而不是写入操作。2.2 SRAM 芯片的读写操作概述 2.2 SRAM 芯片的读写操作概述 从 Dout 引脚读取 1bit 数据需要以下的步骤：SRAM 读取操作 1)通过地址总线把要读取的 bit 的地址传送到相应的读取地址引脚(这个时候/WE 引脚应该没有激活，所以 SRAM 知道它不应该执行写入操作)2)激活/CS 选择该 SRAM 芯片 3)激活/OE 引脚让 SRAM 知道是读取操作 第三步之后，要读取的数据就会从 DOut 引脚传输到数据总线。怎么过程非常的简单吧？同样，写入 1bit 数据的过程也是非常的简单的。SRAM 写入操作 1)通过地址总线确定

16、要写入信息的位置(确定/OE 引脚没有被激活)2)通过数据总线将要写入的数据传输到 Dout 引脚 3)激活/CS 引脚选择 SRAM 芯片 4)激活/WE 引脚通知 SRAM 知道要尽心写入操作 经过上面的四个步骤之后，需要写入的数据就已经放在了需要写入的地方。第三章 DRAM 的基本原理 第三章 DRAM 的基本原理 前面我们知道了在一个简单的 SRAM 芯片中进行读写操作的步骤了，然后我们来了解一下普通的 DRAM 芯片的工作情况。DRAM 相对于 SRAM 来说更加复杂，因为在 DRAM 存储数据的过程中需要对于存储的信息不停的刷新，这也是它们之间最大的不同。3.1 多路寻址技术 3.1 多路寻址技术 最早、最简单也是最重要的一款 DRAM 芯片是 Intel 在 1979 年发布的 2188，这款芯片是16Kx1 DRAM 18 线 DIP 封装。“16K x 1”的部分意思告诉我们这款芯片可以存储 16384 个 bit 数据，在同一个时期可以同时进行 1bit 的读取或者写入操作。上面的示意图可以看出，DRAM 和 SRAM 之间有着明显的不同。首先你会看到地址引脚从 1