内存儲器

内存儲器

計算機主要部件
内存又稱為内存儲器,通常也泛稱為主存儲器,是計算機中的主要部件。内存儲器包括寄存器、高速緩沖存儲器(Cache)和主存儲器。寄存器在CPU芯片的内部,高速緩沖存儲器也制作在CPU芯片内,而主存儲器由插在主闆内存插槽中的若幹内存條組成。二是RAM隻能用于暫時存放信息,一旦斷電,存儲内容立即消失,即具有易失性。不可在線改寫内容的ROM包括掩膜ROM(Mask ROM)、可編程ROM(PROM)和可擦除可編程ROM(EPROM);可在線改寫内容的ROM包括電可擦除可編程ROM(EEPROM)和快擦除ROM(Flash ROM)。
    中文名:内存儲器 外文名:Memory 所屬品牌: 産品類型: 所屬:計算機配套硬件 接口類型:DIP、SIMM、DIMM 技術指标:内存容量、存取時間、延遲

分類

一般常用的微型計算機的存儲器有磁芯存儲器和半導體存儲器,微型機的内存都采用半導體存儲器。

半導體存儲器從使用功能上分,有随機存儲器(Random Access Memory,簡稱RAM),又稱讀寫存儲器;隻讀存儲器(Read Only Memory,簡稱為ROM)。

1.随機存儲器(Random Access Memory)

随機存儲器是一種可以随機讀∕寫數據的存儲器,也稱為讀∕寫存儲器。RAM有以下兩個特點:一是可以讀出,也可以寫入。讀出時并不損壞原來存儲的内容,隻有寫入時才修改原來所存儲的内容。二是RAM隻能用于暫時存放信息,一旦斷電,存儲内容立即消失,即具有易失性。RAM通常由MOS型半導體存儲器組成,根據其保存數據的機理又可分為動态(Dynamic RAM)和靜态(Static RAM)兩大類。DRAM的特點是集成度高,主要用于大容量内存儲器;SRAM的特點是存取速度快,主要用于高速緩沖存儲器。

2.隻讀存儲器(Read Only Memory)

ROM是隻讀存儲器,顧名思義,它的特點是隻能讀出原有的内容,不能由用戶再寫入新内容。原來存儲的内容是采用掩膜技術由廠家一次性寫入的,并永久保存下來。它一般用來存放專用的固定的程序和數據。隻讀存儲器是一種非易失性存儲器,一旦寫入信息後,無需外加電源來保存信息,不會因斷電而丢失。

按照是否可以進行在線改寫來劃分,又分為不可在線改寫内容的ROM,以及可在線改寫内容的ROM。不可在線改寫内容的ROM包括掩膜ROM(Mask ROM)、可編程ROM(PROM)和可擦除可編程ROM(EPROM);可在線改寫内容的ROM包括電可擦除可編程ROM(EEPROM)和快擦除ROM(Flash ROM)。

3.CMOS存儲器(Complementary Metal Oxide Semiconductor Memory,互補金屬氧化物半導體内存)

CMOS内存是一種隻需要極少電量就能存放數據的芯片。由于耗能極低,CMOS内存可以由集成到主闆上的一個小電池供電,這種電池在計算機通電時還能自動充電。因為CMOS芯片可以持續獲得電量,所以即使在關機後,他也能保存有關計算機系統配置的重要數據。

接口

内存的接口類型分DIP,SIMM和DIMM三種(RDRAM又增加了RMM),其中後兩種就是我們要重點論述的内容。

DIP是"Dualn-Line Package"的縮寫,即雙列直插内存芯片,它的常見單片容量有256KB,IMB等幾種。但現在内存發展這麼快,哪裡還會是幾百KB和幾兆容量的内存?因此DIP接口早已經是淘汰了的内存接口。

在SIMM和DIMM接口類型的内存條上,多個RAM芯片焊在一塊小電路闆上,通過專用插座裝在主闆或内存擴充闆上,因此它們也可以看作是一個内存芯片。

SIMM是"Singleln-Line Memory Module"的縮寫,即單列直插内存模塊,這是5x86及較早的PC機中常用的内存接口方式。在更早的PC機中(486以前),多采用30針的SIMM接口,而在Pentium級别的機器中,應用更多的則是72針的SIMM接口,或者是與DIMM接口類型并存。72線的内存條體積稍大,并提供32位的有效數據位,常見容量有4MB.8MB,16MB和32MB。

DIMM是"Dual In-Line Memory Module"縮寫,即雙列直插内存模塊,也就是說這種類型接口的内存的插闆的兩邊都有數據接口觸片(俗稱為金手指)。

這種接口模式的内存廣泛應用于現在的計算機中,通常為84針,但由于是雙邊的,所以一共有168針,也就是人們常說的168線内存條。168線内存條的體積較大,提供64位有效數據位。

DRAM内存通常為72線的,SDRAM内存通常為168線的,而EDO RAM内存則既有72線的,也有168線的。人們經常用内存的管線數來稱呼内存。但需要注意的是,并非隻有SDRAM内存是168線的,某些SIMM型内存也具有168線。SIMM的工作電壓是5v,DIMM的工作電壓是3.3v。

發展

計算機誕生初期并不存在内存條的概念。最早的内存是以磁芯的形式排列在線路上,每個磁芯與晶體管組成的一個雙穩态電路作為一比特(BIT)的存儲器。

每一比特都要有玉米粒大小,可以想象一間機房隻能裝下不超過百k字節左右的容量。後來才出現了焊接在主闆上的集成内存芯片,以内存芯片的形式為計算機的運算提供直接支持。

那時的内存芯片容量都特别小,最常見的莫過于256K×1bit、1M×4bit。雖然如此,但對于那時的運算任務來說卻綽綽有餘了。内存芯片的狀态一直沿用到286初期。鑒于它存在着無法拆卸更換的弊病,這對計算機的發展造成了現實的阻礙。

有鑒于此,内存條便應運而生了。将内存芯片焊接到事先設計好的印刷線路闆上,電腦主闆上也改用内存插槽。這樣,把内存難以安裝和更換的問題徹底解決了。

在80286主闆發布之前,内存沒有被世人重視。這個時候的内存直接固化在主闆上,容量隻有64~256KB。對于當時PC所運行的工作程序來說,這種内存的性能以及容量足以滿足當時軟件程序的處理需要。

随着軟件程序和新一代80286硬件平台的出現,程序和硬件對内存性能提出了更高要求。為了提高速度并擴大容量,内存必須以獨立的封裝形式出現,因而誕生了“内存條”的概念。

80286主闆剛推出時,内存條采用了SIMM(Single In-lineMemory Modules,單邊接觸内存模組)接口,容量為30pin、256kb,必須是由8片數據位和1片校驗位組成1個bank。

正因如此,我們見到的30pin SIMM一般是四條一起使用。自1982年PC進入民用市場一直到現在,搭配80286處理器的30pin SIMM内存是内存領域的開山鼻祖。

随後,在1988~1990年當中,PC技術迎來另一個發展高峰,也就是386和486時代。此時,CPU已經向16bit發展,所以30pin SIMM内存再也無法滿足需求,其較低的内存帶寬已經成為急待解決的瓶頸,所以此時72pin SIMM内存出現了。

72pin SIMM支持32bit快速頁模式内存,内存帶寬得以大幅度提升。72pin SIMM内存單條容量一般為512KB~2MB,而且僅要求兩條同時使用。

由于其與30pin SIMM内存無法兼容,因此這個時候PC業界毅然将30pin SIMM内存淘汰出局了。EDO DRAM(Extended Date Out RAM外擴充數據模式存儲器)内存,這是1991年到1995年之間盛行的内存條。EDO DRAM同FPM DRAM(Fast Page Mode RAM快速頁面模式存儲器)極其相似,它取消了擴展數據輸出内存與傳輸内存兩個存儲周期之間的時間間隔,在把數據發送給CPU的同時去訪問下一個頁面。

故而速度要比普通DRAM快15~30%。工作電壓為一般為5V,帶寬32bit,速度在40ns以上,其主要應用在當時的486及早期的Pentium電腦上。

1991年至1995年期間,内存技術發展比較緩慢,幾乎停滞不前。我們看到此時EDO DRAM有72pin和168pin并存的情況,事實上EDO内存也屬于72pin SIMM内存的範疇。

不過它采用了全新的尋址方式。EDO在成本和容量上有所突破,憑借着制作工藝的飛速發展。此時單條EDO内存的容量已經達到4~16MB。由于Pentium及更高級别的CPU數據總線寬度都是64bit甚至更高,所以EDO DRAM與FPM DRAM都必須成對使用。

自Intel Celeron系列以及AMD K6處理器以及相關的主闆芯片組推出後,EDO DRAM内存性能再也無法滿足需要了。内存技術必須徹底得到革新才能滿足新一代CPU架構的需求,此時内存開始進入比較經典的SDRAM時代。

第一代SDRAM内存為PC66規範,但很快由于Intel和AMD的頻率之争将CPU外頻提升到了100MHz。所以PC66内存很快就被PC100内存取代,接着,133MHz外頻的PIII以及K7時代的來臨,PC133規範也以相同的方式進一步提升SDRAM的整體性能,帶寬提高到1GB/sec以上。

由于SDRAM的帶寬為64bit,正好對應CPU的64bit數據總線寬度,因此,它隻需要一條内存便可工作,便捷性進一步提高。在性能方面,由于其輸入輸出信号保持與系統外頻同步,速度明顯超越EDO内存。

SDRAM内存由早期的66MHz,發展至後來的100MHz、133MHz。盡管沒能徹底解決内存帶寬的瓶頸問題,但此時的CPU超頻已成為DIY用戶永恒的話題。

不少用戶将品牌好的PC100品牌内存超頻到133MHz使用以獲得CPU超頻成功。為了方便一些超頻用戶的需求,市場上出現了一些PC150、PC166規範的内存。

SDRAM PC133内存的帶寬可提高到1064MB/S,加上Intel已開始着手最新的Pentium 4計劃,所以SDRAM PC133内存不能滿足日後的發展需求。

Intel為了達到獨占市場的目的,與Rambus聯合在PC市場推廣Rambus DRAM内存(稱為RDRAM内存)。與SDRAM不同的是,其采用了新一代高速簡單内存架構,基于一種類RISC(Reduced Instruction Set Computing,精簡指令集計算機)理論,這個理論可以減少數據的複雜性,使得整個系統性能得到提高。

在AMD與Intel的競争中,這屬于頻率競備時代。這時CPU的主頻不斷提升,Intel為了蓋過AMD,推出高頻PentiumⅢ以及Pentium 4處理器。

Rambus DRAM内存被Intel看着是未來自己的競争殺手锏。Rambus DRAM内存以高時鐘頻率來簡化每個時鐘周期的數據量,内存帶寬在當時相當出色。如:PC1066MHz32bits帶寬可達到4.2GByte/sec,Rambus DRAM曾一度被認為是Pentium 4的絕配。

Rambus RDRAM内存生不逢時,依然要被更高速度的DDR“掠奪”其寶座地位。當時,PC600、PC700的Rambus RDRAM内存因出現Intel820芯片組“失誤事件”、PC800 Rambus RDRAM因成本過高而讓Pentium 4平台高高在上,無法獲得大衆用戶擁戴。

發生的種種問題讓Rambus RDRAM胎死腹中,Rambus曾希望具有更高頻率的PC1066規範RDRAM來力挽狂瀾,但最終也是拜倒在DDR内存面前。

DDRSDRAM(Double Data Rate SDRAM)簡稱DDR,也是“雙倍速率SDRAM”的意思。DDR可說是SDRAM的升級版本。DDR在時鐘信号上升沿與下降沿各傳輸一次數據,使得DDR的數據傳輸速度為傳統SDRAM的兩倍。

由于僅多采用了下降緣信号,不會造成能耗增加。至于定址與控制信号則與傳統SDRAM相同,僅在時鐘上升緣傳輸。DDR内存作為一種性能與成本間折中的解決方案,其目的是迅速建立起牢固的市場空間,繼而一步步在頻率上高歌猛進,最終彌補内存帶寬上的不足。

第一代DDR200規範沒有得到普及,第二代PC266 DDR SRAM(133MHz時鐘×2倍數據傳輸=266MHz帶寬)是由PC133SDRAM内存所衍生出的。它将DDR内存帶向第一個高潮。

目前還有不少賽揚和AMD K7處理器都在采用DDR266規格的内存,其後來的DDR333内存也屬于一種過渡。而DDR400内存成為目前的主流平台選配,雙通道DDR400内存已經成為800FSB處理器搭配的基本标準,随後的DDR533規範則成為超頻用戶的選擇對象。

随着CPU性能的不斷提高,大衆對内存性能的要求也逐步提高。依高頻率提升帶寬的DDR遲早會力不從心,因此JEDEC組織很早就開始醞釀DDR2标準,加上LGA775接口的915/925以及最新的945等新平台開始對DDR2内存的支持,所以DDR2内存将開始演義内存領域的今天。

DDR2能夠在100MHz的發信頻率基礎上提供每插腳最少400MB/s的帶寬,而且其接口将運行于1.8V電壓上,從而進一步降低發熱量,以便提高頻率。

此外,DDR2将融入CAS、OCD、ODT等新性能指标和中斷指令,提升内存帶寬的利用率。從JEDEC組織者闡述的DDR2标準來看,針對PC等市場的DDR2内存将擁有400、533、667MHz等不同的時鐘頻率。

高端的DDR2内存将擁有800、1000MHz兩種頻率。DDR-II内存将采用200-、220-、240-針腳的FBGA封裝形式。

最初的DDR2内存将采用0.13微米的生産工藝,内存顆粒的電壓為1.8V,容量密度為512MB。内存技術在2005年将會毫無懸念,SDRAM為代表的靜态内存在五年内不會普及。QBM與RDRAM内存也難以挽回頹勢,因此DDR與DDR2共存時代将是鐵定的事實。

PC-100的“接班人”除了PC一133以外,VCM(VirXual Channel Memory)也是很重要的一員。VCM即“虛拟通道存儲器”,這也是目前大多數較新的芯片組支持的一種内存标準。

VCM内存主要根據由NEC公司開發的一種“緩存式DRAM”技術制造而成。它集成了“通道緩存”,由高速寄存器進行配置和控制。

在實現高速數據傳輸的同時,VCM還維持着對傳統SDRAM的高度兼容性,所以通常也把VCM内存稱為VCM SDRAM。

VCM與SDRAM的差别在于不論是否經過CPU處理的數據,都可先交于VCM進行處理,而普通的SDRAM就隻能處理經CPU處理以後的數據,所以VCM要比SDRAM處理數據的速度快20%以上。

目前可以支持VCM SDRAM的芯片組很多,包括:Intel的815E、VIA的694X等。

Intel推出PC-100後,由于技術的發展,PC-100内存的800MB/s帶寬不能滿足更大的需求。而PC-133的帶寬提高并不大(1064MB/s),同樣不能滿足日後的發展需求。

Intel為了達到獨占市場的目的,與Rambus公司聯合在PC市場推廣Rambus DRAM(DirectRambus DRAM)。

Rambus DRAM是:Rambus公司最早提出的一種内存規格,采用了新一代高速簡單内存架構,基于一種RISC(Reduced Instruction Set Computing,精簡指令集計算機)理論,從而可以減少數據的複雜性,使得整個系統性能得到提高。

Rambus使用400MHz的16bit總線,在一個時鐘周期内,可以在上升沿和下降沿的同時傳輸數據,這樣它的實際速度就為400MHz×2=800MHz,理論帶寬為(16bit×2×400MHz/8)1.6GB/s,相當于PC-100的兩倍。

另外,Rambus也可以儲存9bit字節,額外的一比特是屬于保留比特,可能以後會作為:ECC(ErroI Checking and Correction,錯誤檢查修正)校驗位。Rambus的時鐘可以高達400MHz,而且僅使用了30條銅線連接内存控制器和RIMM(Rambus In-line MemoryModules,Rambus内嵌式内存模塊),減少銅線的長度和數量就可以降低數據傳輸中的電磁幹擾,從而快速地提高内存的工作頻率。

不過在高頻率下,其發出的熱量肯定會增加,因此第一款Rambus内存甚至需要自帶散熱風扇。

DDR3相比起DDR2有更低的工作電壓,從DDR2的1.8V降落到1.5V,性能更好更為省電;DDR2的4bit預讀升級為8bit預讀。

DDR3目前最高能夠達到2000Mhz的速度,盡管目前最為快速的DDR2内存速度已經提升到800Mhz/1066Mhz的速度,但是DDR3内存模組仍會從1066Mhz起跳。

DDR3在DDR2基礎上采用的新型設計:

1.8bit預取設計,而DDR2為4bit預取,這樣DRAM内核的頻率隻有接口頻率的1/8,DDR3-800的核心工作頻率隻有100MHz。

2.采用點對點的拓樸架構,以減輕地址/命令與控制總線的負擔。

3.采用100nm以下的生産工藝,将工作電壓從1.8V降至1.5V,增加異步重置(Reset)與ZQ校準功能。部分廠商已經推出1.35V的低壓版DDR3内存。

2012年,DDR4時代将開啟,工作電壓降至1.2V,而頻率提升至2133MHz,次年進一步将電壓降至1.0V,頻率則實現2667MHz。

新一代的DDR4内存将會擁有兩種規格。根據多位半導體業界相關人員的介紹,DDR4内存将會是Single-endedSignaling(傳統SE信号)方式DifferentialSignaling(差分信号技術)方式并存。其中AMD公司的PhilHester先生也對此表示了确認。

預計這兩個标準将會推出不同的芯片産品,因此在DDR4内存時代我們将會看到兩個互不兼容的内存産品。

針對5G超大網絡流量及傳輸速率所導緻的功耗問題,5G基帶芯片的低功耗研究具有重要研究價值。而存儲器在如今基帶芯片設計中占比已達60%,為了降低5G基帶芯片的功耗,對存儲器低功耗技術的研究對5G基帶芯片設計更是顯得尤為重要。

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