本篇文章承接上文繼續介紹DDR內存的硬件原理，包括如何尋址，時序和時延以及可以為提高內存的效能可以有哪些方法。

上次雖然解決了小張的問題，卻引發了他對內存原理的興趣。這不他又來找我了，說我還欠他一個解釋。這次我們約在一個咖啡館見面，這次內容有點深入，我帶了些圖片，小張也點了一大杯美式，計劃大幹一場。看著他認真的樣子，我也決定毀人不倦，把他也帶入IT工程師的不歸路。。。

尋址(addressing)

為了了解前幾天說的幾個延遲參數，不得不介紹下DIMM的尋址方式。也許你發現了上次介紹Rank和chip的關系時，有個Bank/Column/row我們沒有講到，它們和如何尋址密切相關。還記得上次的圖片嗎？

這次我們來看看rank和Chip裏面有什麽，如下圖：

這是個DDR3一個Rank的示意圖。2GB的內存共有16個chip，每個chip容量為128MB。我們把左邊128MB Chip拆開來看，它是由8個Bank組成，每個Bank核心是個一個存儲矩陣，就像一個大方格子陣。這個格子陣有很多列（Column）和很多行（Row），這樣我們想存取某個格子，只需要告知是哪一行哪一列就行了，這也是為什麽內存可以隨機存取而硬盤等則是按塊存取的原因。

XXXX，CAS#和RAS#只有一根信號線。實際上每個格子的存儲寬度是內存顆粒（Chip）的位寬，在這裏由8個Chip組成一個Rank，而CPU尋址寬度是64bit,所以64/8=8bit，即每個格子是1個字節。16384rows*1024columns*8bank=128MB。每一個格子都是由一個晶體管和一個電容組成。

對於DDR3，我們通常說它是8n-prefetch(這兒n是指每個rank的bank數目)，因為DDR3，每個IC有8個bank，每個bank讀取數據的最小單位是8bit，一個byte。每次數據讀取request，都會讀取8*8bit=64bitdata，而不管這些數據是否都是我們所需要的，比如我們只需要其中的某個byte，但讀request會讀取8個byte。

選擇每個格子也不是簡單的兩組信號，是由一系列信號組成，以這個2GB DDR3為例：

1. 片選（Chip Select）信號，S0#和S1#，每個用於選擇是哪個Rank。

2. Bank地址線，BA0-BA2, 2^3=8,可以選擇8個Bank

3. 列選 (Column Address Select), CAS#,用於指示現在要選通列地址。

4. 行選（Row Address Select），RAS#用於指示現在要選通行地址。

5. 地址線，A0-A13，用於行和列的地址選擇（可並不都用於地址，本處忽略）。

6. 數據線，DQ0-DQ63，用於提供全64bit的數據。

7. 命令，COMMAND,用於傳輸命令，如讀或者寫等等。

註意這裏沒有內存顆粒的選擇信號線，只有Rank的選擇信號。在Rank選擇好後，8個內存顆粒一起被選中，共提供64bit的數據。

讀取和寫入數據也稍微復雜點，簡單來說分為以下三步：

1. 行有效。RAS#低電平，CAS#高電平。意味著現在行地址有效，同時在A0-A13傳送地址信號，即2^13個Row可以選擇。

2. 列有效。RAS#高電平，CAS#低電平。意味著列地址有效，這時在A0-A13上傳送的是列地址。沒錯，A0-A13是行列共用的，所以每個格子選擇需要有1和2兩步才能唯一確定。

3. 數據讀出或寫入。根據COMMAND進行讀取或者寫入。在選定好小方格後，就已經確定了具體的存儲單元，剩下的事情就是數據通過數據I/O通道（DQ）輸出到內存總線上了。

這裏只介紹隨機訪問， Burst模式這裏略過。下圖是個簡單的圖示：

時序（Timing）

一氣說了這麽多，我不禁口幹舌燥，停下來喝了一大口咖啡。小張以為我說完了，著急的問我：“我好像聽懂了，不過那好幾個數字還沒講呢。”。別著急啊，且聽我慢慢道來。正因為訪問一個數據需要大致三步，為了保證信號的完整性，步驟直接要有區隔，一起發出來會造成錯亂，間隔太近也會為采樣帶來難度，容易引入噪音。所以時序非常重要，

下面是個背對背(back-to-back)讀寫的時序圖：

時延（Latency）

小張一看到這個圖，不禁大叫:”太復雜了，看得我都犯密集恐懼癥了，看不懂！“。沒關系，我們拆開了一個個看。

1. CL: CAS Latency。CL是指CAS發出之後，仍要經過一定的時間才能有數據輸出，從CAS與讀取命令發出到第一筆數據輸出的這段時間，被定義為CL（CAS Latency，CAS時延）。由於CL只在讀取時出現，所以CL又被稱為讀取時延（RL，Read Latency）。也就是我們上面第3步讀取時需要的時間。CL是延遲裏面最重要的參數，有時會單獨在內存標簽上標出如CLx。它告訴我們多少個時鐘周期後我們才能拿到數據，CL7的內存會延遲7個周期才能給我們數據，CL9的則要等9個。所以越小我們越能更快的拿到數據。註意這裏的周期是真正的周期而不是標註的DDR3 1333MHz的周期，因為一個周期傳輸兩次，真正的周期只是1/2，這裏是666MHz。如下圖，是CL7和CL9的例子：

如果相同頻率的內存，CL7可以比CL9有22%的效能提高。

2. tRCD：RAS到CAS時延。在發送列讀寫命令時必須要與行有效命令有一個間隔，這是根據芯片存儲陣列電子元件響應時間所制定的延遲。即步驟1和2要間隔的時間。這個間隔當然也是越快越好了，下面是個tRCD=3的例子：

你也可以看出這個時間也是激活命令和讀命令的間隔。

3. tRP: 預充電有效周期（Precharge command Period）。在上一次傳輸完成後到下一次行激活前有個預充電過程，要經過一段充電時間才能允許發送RAS。也就是步驟1的準備工作要做多久。下面是個例子：

還有兩個類似的時延tRAS和CMD，我看到小張都快睡著了就不講了。總之，所有這些時延共同構成了整體時延，而時延是越小越好。

SPD

說了這麽多，小張總算搞懂內存標簽條上的4-4-4-8, 5-5-5-15, 所代表的 CL-tRCD-tRP-tRAS-CMD都是啥意思了。不過小張有點搞不懂，這些數據印在紙上消費者是看懂了（實際上似乎沒多少人了解），可電腦又沒長眼睛，它是怎麽知道的呢?其實，每個DIMM在板子上都有塊小的存儲芯片（EEPROM），上面詳細記錄了包括這些的很多參數，還有生產廠家的代碼等等，這也是BIOS為什麽能知道我們插了哪種內存的原因。在小張的內存條上，我指給了他看:

實際上隨著DDR的一步步進化，這些延遲的時鐘周期個數也在步步提高，但由於頻率的加快，實際上是在時間是在慢慢的減少的。

效能提高的其他手段

看時間還早，我和小張聊起了除了提高頻率，還有什麽辦法能夠提高內存存取速度。

1。多通道（Channel）

現代內存控制器都從北橋移入CPU內部，而且內存控制器都可以同時操作多個通道。典型的臺式機和筆記本CPU很早就支持雙通道，現在還加入了三通道。如果數據分布在插在不同的通道上的內存條上，內存控制器可以不管上面這些延遲啊時序啊，同時可以讀取他們，速度可以翻倍甚至三倍！小張聽了跳了起來:”我也要翻倍！”。別急，要啟用多通道，首先要插對插槽。現在主板制造商為了讓小白用戶插對內存條，通常用顏色標識內存通道。註意同一個通道顏色不同！所以要把內存插在顏色相同的內存插槽裏，才能讓內存占據不同的通道。最好有主板手冊檢查一下，插好後進入BIOS裏面看看現在內存狀態是不是多通道模式。

2。Interleave

看著小張躍躍欲試的樣子，我不禁給他潑了盆冷水。幻想美妙，現實殘酷。多通道在很多時候用處並不明顯！因為程序的局部性，一個程序並不會把數據放到各個地方，從而落入另一個DIMM裏，往往程序和數據都在一個DIMM裏，加上CPU的Cache本身就會把數據幫你預取出來，這個提高就個不明顯了。除非你運行很多巨型任務才行。

“啊，我都是開一個遊戲打，對我來說沒啥用處啊，簡直是雞肋！”，小張說。也不盡然，還有種辦法，就是讓同一塊內存分布到不同的通道中去，這種技術叫做Interleaving。這樣無論Cache命中與否都可以同時存取，多通道的技術才能發揮更大的用處。“太好了，要怎麽才能開啟這個interleave呢？”，我不禁呵呵了，這個功能一般只有服務器CPU才有，你的i5要是有了，誰去買幾千上萬的服務器CPU呢？

3。Overclock

“你這不是廢話嗎，我要怎麽樣才能搭建個發燒機才配有的高速內存呢？”。其實小張可以購買發燒級的內存條。這些內存條DDR3標註達到2133以上！但是要註意，如果我們把這些內存插入一般主板，很有可能會運行在1333或者1600上面，因為這是DDR3規定的最高頻率。好馬配好鞍，要有個能支持超頻內存的主板，在主板BIOS裏面升壓升頻才能真正用好這些發燒內存條。

尾聲

時間差不多了，我向小張保證下次還會介紹神秘的BIOS如何初始化內存，正要離去。小張拉住了我，說：“你上次挖的坑還沒填呢！”“什麽坑？”也許是我挖坑太多，記不住了。“就是上次你讓我回去想的三個問題。第一個我知道了，DIMM有防呆口，幾代DDR防呆口位置不同，插不進去，我在網上google過了，後面兩個實在想不出來”。好吧，那我們長話短說，實際上兩個問題可以一起回答，今天我們知道DDR每代的各種時延參數是上升的，所以如果兩代一樣的頻率，實際上性能有可能還會下降！譬如DDR2 800在很多時候比DDR3 800的時延要小。我們可以認為每代的起點比前一代的低，有一段重合期，在頻率上去後會彌補時延的時鐘個數差異，比較時延是clock個數，而不是時間，clock快了，有可能時延會更小。而這段重合期，也為不同的商業策略留下了空間。

小張還是抓住我，他不知道從哪裏查了些名詞，什麽預取個數每代增加，而內核頻率不同於外部頻率等等。我希望他能自己找找資料看看，也順便挖了個新坑:

1. 為什麽每代DDR要升級，不直接把頻率向上提高就行了，為什麽沒有DDR2 3200的內存？

2. DDR的內存還是並行的數據，串行似乎可以更高速，比格更高，為什麽不弄個串行訪問的內存呢？

小張陷入了沈思，我也暗喜又騙到一頓咖啡下午茶。不過回去還要準備些材料才能繼續混吃混喝，下次介紹完內存的BIOS部分，還有啥題目可以繼續吸引小張呢？

內存系列二：深入理解硬件原理