存储器的主要功能是存储程序和各种数据,并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。本次给大家介绍存储器的发展历程。

一、ROM和RAM的概念理解

常见存储器分类图示

首先,要了解一下存储的基础部分:ROM和RAM。

RAM:随机存取存储器(random access memory)又称作"随机存储器",是与CPU直接交换数据的内部存储器,也叫主存(内存)。它可以随时读写,而且速度很快,通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。当电源关闭时RAM不能保留数据。如果需要保存数据,就必须把它们写入一个长期的存储设备中(例如硬盘)。RAM和ROM相比,两者的最大区别是RAM在断电以后保存在上面的数据会自动消失,而ROM不会自动消失,可以长时间断电保存。

ROM:只读存储器。ROM所存数据,一般是装入整机前事先写好的,整机工作过程中只能读出,而不像随机存储器那样能快速地、方便地加以改写。ROM所存数据稳定,断电后所存数据也不会改变。

RAM(随机存储器)可以分为SRAM(静态随机存储器)和DRAM(动态随机存储器)。

SRAM(Static Random Access Memory,静态随机存储器),它是一种具有静止存取功能的内存,不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。优点是速度快,不必配合内存刷新电路,可提高整体的工作效率。缺点是集成度低,功耗较大,相同的容量体积较大,而且价格较高,少量用于关键性系统以提高效率。

DRAM(Dynamic Random Access Memory,动态随机存储器)是最为常见的系统内存。DRAM只能将数据保持很短的时间。为了保持数据,DRAM使用电容存储,所以必须隔一段时间刷新(refresh)一次,如果存储单元没有被刷新,存储的信息就会丢失。

SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步动态随机存取存储器),是在DRAM的基础上发展而来,为DRAM的一种,同步是指Memory工作需要同步时钟,内部命令的发送与数据的传输都以时钟为基准;动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失;随机是指数据不是线性依次存储,而是由指定地址进行数据读写。

DDR SDRAM又是在SDRAM的基础上发展而来,这种改进型的DRAM和SDRAM是基本一样的,不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据,这样就使得数据传输速度加倍了。这是目前电脑中用得最多的内存,而且它有着成本优势。

二、SDRAM发展历程介绍

在最初的个人电脑上是没有内存条的,内存是直接以DIP芯片的形式安装在主板的DRAM插座上面,需要安装8到9颗这样的芯片,容量只有64KB到256KB,要扩展相当困难,但这对于当时的处理器以及程序来说这已经足够了,直到80286的出现硬件与软件都在渴求更大的内存,只靠主板上的内存已经不能满足需求了,于是内存条就诞生了。

远古的30pin SIPP (Single In-line Pin Package) 接口,针脚的定义其实与30pin SIMM一样的SIPP很快就被SIMM(Single In-line Memory Modules)取代了,两侧金手指传输相同的信号,早期的内存频率与CPU外频是不同步的,是异步DRAM,细分下去的话包括FPM DRAM(Fast Page Mode DRAM)与EDO DRAM(Extended data out DRAM),常见的接口有30pin SIMM与72pin SIMM,工作电压都是5V。

第一代SIMM内存有30个引脚,单根内存数据总线只有8bit,所以用在16位数据总线处理器上(286、386SX等)就需要两根,用在32位数据总线处理器上(386DX、486等)就需要四根30pin SIMM内存,采购成本一点都不低,而且还会增加故障率,所以30pin SIMM内存并不是完全被大家所接受。

有趣的是DIP芯片形式的内存与内存条共存了一段比较长的时间,在不少286的主板上你可以同时看到DIP与30pin SIMM内存插槽,它们是可以一齐工作的。

随后诞生了72pin SIMM内存,单根内存位宽增加到32位,一根就可以满足32位数据总线处理器,拥有64位数据总线的奔腾处理器则需要两根,内存容量也有所增加,它的出现很快就替代了30pin SIMM内存,386、486以及后来的奔腾、奔腾Pro、早期的奔腾II处理器多数会用这种内存。

(1)FPM DRAM【快速页模式动态存储器】

FPM DRAM称为快速页模式动态存储器,是从早期的Page Mode DRAM上改良过来的,当它在读取同一列数据是,可以连续传输行位址,不需要再传输列位址,可读出多笔资料,这种方法当时是很先进的,不过现在看来就很没效率。

FPM DRAM有30pin SIMM和72pin SIMM两种,前者常见于286、386和486的电脑上,后者则常见于486与早期型的奔腾电脑上,30pin的常见容量是256KB,72pin的容量从512KB到2MB都有。

(2)EDO DRAM【扩展数据输出内存】

EDO DRAM是72pin SIMM的一种,它拥有更大的容量和更先进的寻址方式,这内存简化了数据访问的流畅,读取速度要FPM DRAM快不少,主要用在486、奔腾,奔腾Pro、早期的奔腾II处理器的电脑上面。

在1991到1995年EDO内存盛行的时候,凭借着制造工艺的飞速发展,EDO内存在成本和容量上都有了很大的突破,单条EDO内存容量从4MB到16MB不等,数据总线依然是32位,所以搭配拥有64位数据总线的奔腾CPU时基本都成对的使用。

(3)SDR SDRAM【同步型动态存储器】

然而随着CPU的升级EDO内存已经不能满足系统的需求了,内存技术也发生了大革命,插座从原来的SIMM升级为DIMM(Dual In-line Memory Module),两边的金手指传输不同的数据,SDR SDRAM内存插座的接口是168Pin,单边针脚数是84,进入到了经典的SDR SDRAM(Single Data Rate SDRAM)时代。

SDRAM其实就是同步DRAM的意思,内存频率与CPU外频同步,这大幅提升了数据传输效率,再加上64bit的数据位宽与当时CPU的总线一致,只需要一根内存就能让电脑正常工作了,这降低了采购内存的成本。

第一代SDR SDRAM频率是66MHz,通常大家都称之为PC66内存,后来随着Intel与AMD的CPU的频率提升相继出现了PC100与PC133的SDR SDRAM,还有后续的为超频玩家所准备的PC150与PC166内存,SDR SDRAM标准工作电压3．3V,容量从16MB到512MB都有。

SDR SDRAM的存在时间也相当的长,Intel从奔腾2、奔腾3与奔4(Socket 478),以及Slot 1、Socket 370与Socket 478的赛扬处理器,AMD的K6与K7处理器都可以SDR SDRAM。

三、DDR内存发展历程介绍

(1)DDR SDRAM【双倍数据率同步动态随机存取存储器】

DDR SDRAM:Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory,双倍数据率同步动态随机存取存储器,它是SDR SDRAM的升级版,DDR SDRAM在时钟周期的上升沿与下降沿各传输一次信号,使得它的数据传输速度是SDR SDRAM的两倍,而且这样做还不会增加功耗,至于定址与控制信号与SDR SDRAM相同,仅在上升沿传输,这是对当时内存控制器的兼容性与性能做的折中。

DDR SDRAM采用184pin的DIMM插槽,防呆缺口从SDR SDRAM时的两个变成一个,常见工作电压2．5V,初代DDR内存的频率是200MHz,随后慢慢的诞生了DDR-266、DDR-333和那个时代主流的DDR-400,至于那些运行在500MHz,600MHz、700MHz的都算是超频条了,DDR内存刚出来的时候只有单通道,后来出现了支持双通芯片组,让内存的带宽直接翻倍,两根DDR-400内存组成双通道的话基本上可以满足FBS 800MHz的奔腾4处理器,容量则是从128MB到1GB。

(2)DDR2 SDRAM【Double Data Rate 2】

DDR2/DDR II(Double Data Rate 2)SDRAM是由JEDEC(电子设备工程联合委员会)进行开发的新生代内存技术标准,它与上一代DDR内存技术标准最大的不同就是,虽然同是采用了在时钟的上升/下降沿同时进行数据传输的基本方式,但DDR2内存却拥有两倍于上一代DDR内存预读取能力(即:4bit数据读预取)。换句话说,DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据,并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。

DDR2的标准电压下降至1．8V,这使得它较上代产品更为节能,DDR2的频率从400MHz到1200MHz,当时的主流的是DDR2-800,更高频率其实都是超频条,容量从256MB起步最大4GB,不过4GB的DDR2是很少的,在DDR2时代的末期大多是单条2GB的容量。

(3)DDR3 SDRAM

DDR3提供了相较于DDR2 SDRAM更高的运行效能与更低的电压,是DDR2SDRAM(同步动态动态随机存取内存)的后继者(增加至八倍),也是现时流行的内存产品规格。

和上一代的DDR2相比,DDR3在许多方面作了新的规范,核心电压降低到1．5V,预取从4-bit变成了8-bit,这也是DDR3提升带宽的关键,同样的核心频率DDR3能够提供两倍于DDR2的带宽,此外DDR3还新增了CWD、Reset、ZQ、STR、RASR等技术。

DDR3内存与DDR2一样是240Pin DIMM接口,不过两者的防呆缺口位置是不同的,不能混插,常见的容量是512MB到8GB,当然也有单条16GB的DDR3内存,只不过很稀少。频率方面从800MHz起步,目前比较容量买到最高的频率2400MHz,实际上有厂家推出了3100MHz的DDR3内存,只是比较难买得到,支持DDR3内存的平台有Intel的后期的LGA 775主板P35、P45、x38、x48等,LGA 1366平台,LGA 115x系列全都支持还有LGA 2011的x79,AMD方面AM3、AM3+、FM1、FM2、FM3接口的产品全都支持DDR3。

(4)DDR4 SDRAM

从DDR到DDR3,每一代DDR技术的内存预取位数都会翻倍,前三者分别是2bit、4bit及8bit,以此达到内存带宽翻倍的目标,不过DDR4在预取位上保持了DDR3的8bit设计,因为继续翻倍为16bit预取的难度太大,DDR4转而提升Bank数量,它使用的是Bank Group(BG)设计,4个Bank作为一个BG组,可自由使用2-4组BG,每个BG都可以独立操作。使用2组BG的话,每次操作的数据16bit,4组BG则能达到32bit操作,这其实变相提高了预取位宽。

DDR4相比DDR3最大的区别有三点:16bit预取机制(DDR3为8bit),同样内核频率下理论速度是DDR3的两倍;更可靠的传输规范,数据可靠性进一步提升;工作电压降为1．2V,更节能。

DDR4内存的针脚从DDR3的240个提高到了284个,防呆缺口也与DDR3的位置不同,还有一点改变就是DDR4的金手指是中间高两侧低有轻微的曲线,而之前的内存金手指都是平直的,DDR4既在保持与DIMM插槽有足够的信号接触面积,也能在移除内存的时候比DDR3更加轻松。

四、不同类型DDR内存性能参数对比

从DDR到DDR4,不同性能参数差异主要体现在2个地方:电源电压、数据传输速率。电源电压值越来越低,而数据传输速率却是呈几何倍数增长。