存儲器的主要功能是存儲程序和各種數據,并能在計算機運行過程中高速、自動地完成程序或數據的存取。本次給大家介紹存儲器的發展歷程。

一、ROM和RAM的概念理解

常見存儲器分類圖示

首先,要了解一下存儲的基礎部分:ROM和RAM。

RAM:隨機存取存儲器(random access memory)又稱作"隨機存儲器",是與CPU直接交換數據的內部存儲器,也叫主存(內存)。它可以隨時讀寫,而且速度很快,通常作為操作系統或其他正在運行中的程序的臨時數據存儲媒介。當電源關閉時RAM不能保留數據。如果需要保存數據,就必須把它們寫入一個長期的存儲設備中(例如硬盤)。RAM和ROM相比,兩者的最大區別是RAM在斷電以后保存在上面的數據會自動消失,而ROM不會自動消失,可以長時間斷電保存。

ROM:只讀存儲器。ROM所存數據,一般是裝入整機前事先寫好的,整機工作過程中只能讀出,而不像隨機存儲器那樣能快速地、方便地加以改寫。ROM所存數據穩定,斷電后所存數據也不會改變。

RAM(隨機存儲器)可以分為SRAM(靜態隨機存儲器)和DRAM(動態隨機存儲器)。

SRAM(Static Random Access Memory,靜態隨機存儲器),它是一種具有靜止存取功能的內存,不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據。優點是速度快,不必配合內存刷新電路,可提高整體的工作效率。缺點是集成度低,功耗較大,相同的容量體積較大,而且價格較高,少量用于關鍵性系統以提高效率。

DRAM(Dynamic Random Access Memory,動態隨機存儲器)是最為常見的系統內存。DRAM只能將數據保持很短的時間。為了保持數據,DRAM使用電容存儲,所以必須隔一段時間刷新(refresh)一次,如果存儲單元沒有被刷新,存儲的信息就會丟失。

SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步動態隨機存取存儲器),是在DRAM的基礎上發展而來,為DRAM的一種,同步是指Memory工作需要同步時鐘,內部命令的發送與數據的傳輸都以時鐘為基準;動態是指存儲陣列需要不斷的刷新來保證數據不丟失;隨機是指數據不是線性依次存儲,而是由指定地址進行數據讀寫。

DDR SDRAM又是在SDRAM的基礎上發展而來,這種改進型的DRAM和SDRAM是基本一樣的,不同之處在于它可以在一個時鐘讀寫兩次數據,這樣就使得數據傳輸速度加倍了。這是目前電腦中用得最多的內存,而且它有著成本優勢。

二、SDRAM發展歷程介紹

在最初的個人電腦上是沒有內存條的,內存是直接以DIP芯片的形式安裝在主板的DRAM插座上面,需要安裝8到9顆這樣的芯片,容量只有64KB到256KB,要擴展相當困難,但這對于當時的處理器以及程序來說這已經足夠了,直到80286的出現硬件與軟件都在渴求更大的內存,只靠主板上的內存已經不能滿足需求了,于是內存條就誕生了。

遠古的30pin SIPP (Single In-line Pin Package) 接口,針腳的定義其實與30pin SIMM一樣的SIPP很快就被SIMM(Single In-line Memory Modules)取代了,兩側金手指傳輸相同的信號,早期的內存頻率與CPU外頻是不同步的,是異步DRAM,細分下去的話包括FPM DRAM(Fast Page Mode DRAM)與EDO DRAM(Extended data out DRAM),常見的接口有30pin SIMM與72pin SIMM,工作電壓都是5V。

第一代SIMM內存有30個引腳,單根內存數據總線只有8bit,所以用在16位數據總線處理器上(286、386SX等)就需要兩根,用在32位數據總線處理器上(386DX、486等)就需要四根30pin SIMM內存,采購成本一點都不低,而且還會增加故障率,所以30pin SIMM內存并不是完全被大家所接受。

有趣的是DIP芯片形式的內存與內存條共存了一段比較長的時間,在不少286的主板上你可以同時看到DIP與30pin SIMM內存插槽,它們是可以一齊工作的。

隨后誕生了72pin SIMM內存,單根內存位寬增加到32位,一根就可以滿足32位數據總線處理器,擁有64位數據總線的奔騰處理器則需要兩根,內存容量也有所增加,它的出現很快就替代了30pin SIMM內存,386、486以及后來的奔騰、奔騰Pro、早期的奔騰II處理器多數會用這種內存。

(1)FPM DRAM【快速頁模式動態存儲器】

FPM DRAM稱為快速頁模式動態存儲器,是從早期的Page Mode DRAM上改良過來的,當它在讀取同一列數據是,可以連續傳輸行位址,不需要再傳輸列位址,可讀出多筆資料,這種方法當時是很先進的,不過現在看來就很沒效率。

FPM DRAM有30pin SIMM和72pin SIMM兩種,前者常見于286、386和486的電腦上,后者則常見于486與早期型的奔騰電腦上,30pin的常見容量是256KB,72pin的容量從512KB到2MB都有。

(2)EDO DRAM【擴展數據輸出內存】

EDO DRAM是72pin SIMM的一種,它擁有更大的容量和更先進的尋址方式,這內存簡化了數據訪問的流暢,讀取速度要FPM DRAM快不少,主要用在486、奔騰,奔騰Pro、早期的奔騰II處理器的電腦上面。

在1991到1995年EDO內存盛行的時候,憑借著制造工藝的飛速發展,EDO內存在成本和容量上都有了很大的突破,單條EDO內存容量從4MB到16MB不等,數據總線依然是32位,所以搭配擁有64位數據總線的奔騰CPU時基本都成對的使用。

(3)SDR SDRAM【同步型動態存儲器】

然而隨著CPU的升級EDO內存已經不能滿足系統的需求了,內存技術也發生了大革命,插座從原來的SIMM升級為DIMM(Dual In-line Memory Module),兩邊的金手指傳輸不同的數據,SDR SDRAM內存插座的接口是168Pin,單邊針腳數是84,進入到了經典的SDR SDRAM(Single Data Rate SDRAM)時代。

SDRAM其實就是同步DRAM的意思,內存頻率與CPU外頻同步,這大幅提升了數據傳輸效率,再加上64bit的數據位寬與當時CPU的總線一致,只需要一根內存就能讓電腦正常工作了,這降低了采購內存的成本。

第一代SDR SDRAM頻率是66MHz,通常大家都稱之為PC66內存,后來隨著Intel與AMD的CPU的頻率提升相繼出現了PC100與PC133的SDR SDRAM,還有后續的為超頻玩家所準備的PC150與PC166內存,SDR SDRAM標準工作電壓3．3V,容量從16MB到512MB都有。

SDR SDRAM的存在時間也相當的長,Intel從奔騰2、奔騰3與奔4(Socket 478),以及Slot 1、Socket 370與Socket 478的賽揚處理器,AMD的K6與K7處理器都可以SDR SDRAM。

三、DDR內存發展歷程介紹

(1)DDR SDRAM【雙倍數據率同步動態隨機存取存儲器】

DDR SDRAM:Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory,雙倍數據率同步動態隨機存取存儲器,它是SDR SDRAM的升級版,DDR SDRAM在時鐘周期的上升沿與下降沿各傳輸一次信號,使得它的數據傳輸速度是SDR SDRAM的兩倍,而且這樣做還不會增加功耗,至于定址與控制信號與SDR SDRAM相同,僅在上升沿傳輸,這是對當時內存控制器的兼容性與性能做的折中。

DDR SDRAM采用184pin的DIMM插槽,防呆缺口從SDR SDRAM時的兩個變成一個,常見工作電壓2．5V,初代DDR內存的頻率是200MHz,隨后慢慢的誕生了DDR-266、DDR-333和那個時代主流的DDR-400,至于那些運行在500MHz,600MHz、700MHz的都算是超頻條了,DDR內存剛出來的時候只有單通道,后來出現了支持雙通芯片組,讓內存的帶寬直接翻倍,兩根DDR-400內存組成雙通道的話基本上可以滿足FBS 800MHz的奔騰4處理器,容量則是從128MB到1GB。

(2)DDR2 SDRAM【Double Data Rate 2】

DDR2/DDR II(Double Data Rate 2)SDRAM是由JEDEC(電子設備工程聯合委員會)進行開發的新生代內存技術標準,它與上一代DDR內存技術標準最大的不同就是,雖然同是采用了在時鐘的上升/下降沿同時進行數據傳輸的基本方式,但DDR2內存卻擁有兩倍于上一代DDR內存預讀取能力(即:4bit數據讀預取)。換句話說,DDR2內存每個時鐘能夠以4倍外部總線的速度讀/寫數據,并且能夠以內部控制總線4倍的速度運行。

DDR2的標準電壓下降至1．8V,這使得它較上代產品更為節能,DDR2的頻率從400MHz到1200MHz,當時的主流的是DDR2-800,更高頻率其實都是超頻條,容量從256MB起步最大4GB,不過4GB的DDR2是很少的,在DDR2時代的末期大多是單條2GB的容量。

(3)DDR3 SDRAM

DDR3提供了相較于DDR2 SDRAM更高的運行效能與更低的電壓,是DDR2SDRAM(同步動態動態隨機存取內存)的后繼者(增加至八倍),也是現時流行的內存產品規格。

和上一代的DDR2相比,DDR3在許多方面作了新的規范,核心電壓降低到1．5V,預取從4-bit變成了8-bit,這也是DDR3提升帶寬的關鍵,同樣的核心頻率DDR3能夠提供兩倍于DDR2的帶寬,此外DDR3還新增了CWD、Reset、ZQ、STR、RASR等技術。

DDR3內存與DDR2一樣是240Pin DIMM接口,不過兩者的防呆缺口位置是不同的,不能混插,常見的容量是512MB到8GB,當然也有單條16GB的DDR3內存,只不過很稀少。頻率方面從800MHz起步,目前比較容量買到最高的頻率2400MHz,實際上有廠家推出了3100MHz的DDR3內存,只是比較難買得到,支持DDR3內存的平臺有Intel的后期的LGA 775主板P35、P45、x38、x48等,LGA 1366平臺,LGA 115x系列全都支持還有LGA 2011的x79,AMD方面AM3、AM3+、FM1、FM2、FM3接口的產品全都支持DDR3。

(4)DDR4 SDRAM

從DDR到DDR3,每一代DDR技術的內存預取位數都會翻倍,前三者分別是2bit、4bit及8bit,以此達到內存帶寬翻倍的目標,不過DDR4在預取位上保持了DDR3的8bit設計,因為繼續翻倍為16bit預取的難度太大,DDR4轉而提升Bank數量,它使用的是Bank Group(BG)設計,4個Bank作為一個BG組,可自由使用2-4組BG,每個BG都可以獨立操作。使用2組BG的話,每次操作的數據16bit,4組BG則能達到32bit操作,這其實變相提高了預取位寬。

DDR4相比DDR3最大的區別有三點:16bit預取機制(DDR3為8bit),同樣內核頻率下理論速度是DDR3的兩倍;更可靠的傳輸規范,數據可靠性進一步提升;工作電壓降為1．2V,更節能。

DDR4內存的針腳從DDR3的240個提高到了284個,防呆缺口也與DDR3的位置不同,還有一點改變就是DDR4的金手指是中間高兩側低有輕微的曲線,而之前的內存金手指都是平直的,DDR4既在保持與DIMM插槽有足夠的信號接觸面積,也能在移除內存的時候比DDR3更加輕松。

四、不同類型DDR內存性能參數對比

從DDR到DDR4,不同性能參數差異主要體現在2個地方:電源電壓、數據傳輸速率。電源電壓值越來越低,而數據傳輸速率卻是呈幾何倍數增長。

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