作为一个程序员，你居然不知道内存（DRAM）的工作原理，这样能跟上时代的进步吗？

前言：内存是PC配件中结构最简单的，但在BIOS中却是最难调的，很多玩家超频都卡在内存上。并且，内存的原理、结构与时序多年不会改变，无论将来内存技术如何进步，相信这篇文章的存在价值都不会打折扣。本文亦希望能通过对DRAM基本原理以及时序的介绍，在内存设置以及XMP的制作上有所帮助。

一，DRAM基本组成

内存是由DRAM（动态随机存储器）芯片组成的。DRAM的内部结构可以说是PC芯片中最简单的，是由许多重复的“单元”——cell组成，每一个cell由一个电容和一个晶体管（一般是N沟道MOSFET）构成，电容可储存1bit数据量，充放电后电荷的多少（电势高低）分别对应二进制数据0和1。由于电容会有漏电现象，因此过一段时间之后电荷会丢失，导致电势不足而丢失数据，因此必须经常进行充电保持电势，这个充电的动作叫做刷新，因此动态存储器具有刷新特性，这个刷新的操作一直要持续到数据改变或者断电。而MOSFET则是控制电容充放电的开关。DRAM由于结构简单，可以做到面积很小，存储容量很大。

二，内存地址

内存中的cell按矩阵形排列，每一行和每一列都会有一个对应的行地址线路（正规叫法叫做word line）和列地址线路（正规叫法是bit line），每个具体的cell就挂接在这样的行地址线路和列地址线路上，对应一个唯一的行号和列号，把行号和列号组合在一起，就是内存的地址。

上图是Thaiphoon Burner的一个SPD dump，每个地址是一个字节。不过我们可以把这些数据假设成只有一个bit，当成是一个简单的内存地址表，左边竖着的是行地址，上方横着的是列地址。例如我们要找第七行、倒数第二列（地址为7E）的数据，它就只有一个对应的值：FD。当然了，在内存的cell中，它只能是0或者1。

(1)寻址
数据要写入内存的一个cell，或者从内存中的一个cell读取数据，首先要完成对这个cell的寻址。寻址的过程，首先是将需要操作的cell的对应行地址信号和列地址信号输入行/列地址缓冲器，然后先通过行解码器（Row Decoder）选择特定的行地址线路，以激活特定的行地址。每一条行地址线路会与多条列地址线路和cell相连接，为了侦测列地址线路上微弱的激活信号，还需要一个额外的感应放大器（Sense Amplifier）放大这个信号。当行激活之后，列地址缓冲器中的列地址信号通过列解码器（Column Decoder）确定列地址，并被对应的感应放大器通过连接IO线路，这样cell就被激活，并可供读写操作，寻址完成。从行地址激活，到找到列地址这段时间，就是tRCD。

(2)内存cell的基本操作

内存中的cell可以分为3个基本操作，数据的储存、写入与读取。为了便于理解，我不打算直接从电路控制上对cell操作进行说明，而是希望通过模型类比来达到说明问题的目的，如有不严谨之处，高手勿怪。要对内存cell进行读写操作，首先要完成上述寻址过程，并且电容的充电状态信号要被感应放大器感应到，并且放大，然后MOSFET打开，电容放电，产生电势变化，把电荷输送到IO线路，导致线路的电势也变化。当然，这只是个简单的描述，以下我们先来了解硅晶体中“电容”的结构和MOSFET的控制原理。
(3)硅晶体中的“电容”

这里之所以“电容”两个字被打上引号，是因为硅晶体中并没有真正意义上的电容。硅晶体中的电容是由两个对置的触发器组成的等效电容。例如两个非门（Nor Gate）用如下图的方式对接。它可以通过周期性施加特定的输入信号，以把电荷保留在电路中，充当电容的作用。如下图，两个非门的输入端R和S互相交替做0和1输入，就可以把电荷储存在电路中。整个动态过程就是这样：

而R和S的波形就是如下图所示，刚好互为反相，差半个周期：

要让电容放电，我们只需要把R和S同时输入1或者0即可。因此这种电容的逻辑关系很简单：在同一时刻R和S输入状态不同（即存在电势差）时，电容为充电状态；在同一时刻R和S输入状态相同（即电势差为0）时，电容为放电状态。

三，MOSFET的控制原理——水库模型

要说明这个MOSFET的控制原理，我们借助一个水库的模型来说明。MOSFET有三个极，分别是源极（Source）、漏极（Drain）和栅极（Gate）。下图左边就是一个MOSFET的电路图，右边是我们画出的一个水库模型。

图中S为源极，D为漏极，G为栅极。S极连接着电容，D级连接列地址线路，并接到数据IO，G则是控制电荷流出的阀门，连接行地址线路。电容在充电后电势会改变，这样S极的电势就会跟着改变，与D极形成电势差，而G极的电势，就决定了S极有多少电荷可以流入D极。由于电子是带负电荷，因此电子越多电势就越低。为了不至于混淆概念，我们把水池顶部电势定为0V，水池底部电势定为5V（仅举例说明，DRAM中的电容实际电压未必是5V）。当电子数量越多时，电势越低，接近0V，电子数量越少时，电势越高，接近5V。

用水库模型说明，就是左边的水池水量升高（电容充电后），当阀门关闭时，左边的水是不会往右边流的。然后阀门打开（降低，电势升高），左边的水就可以往右边流，阀门的高度就决定了有多少水能流去右边的水道（但是在数字电路中，MOSFET只有开和关两种状态，因此下文提到的打开MOSFET就是全开）；同样道理如果右边水多，阀门打开之后也可以向左边流。因此在水库模型中，电容就充当了左边的水池，而MOSFET的栅极就充当了阀门，列地址线路和IO则充当了右边的水道。

四，储存数据

MOSFET栅极电势为0V时，电容的电荷不会流出，因此数据就可以保存我们可以用2.5V为参考分界线，电容电势低于2.5V时，表示数据0，电势高于2.5V时，表示数据1。例如上一楼水库模型的左图，电容中储存的电子数高于一半的高度，电势低于2.5V，因此可以表示数据0。但以上只是理论情况，实际上电容会自然漏电，电子数量会逐渐减少，电势就会逐渐升高，当电势升高到2.5V以上时，数据就会出错，因此每隔一段时间必须打开MOSFET往电容中充电，以保持电势，这就是刷新。因此，数据的储存主要就是对电容中电势的保持操作。

(1)写入数据

数据写入的操作分为写入0和写入1两种情况。写入前，电容原有的情况可能是高电势与低电势的状态，我们不用管它。写入0和写入1对cell的操作不尽相同，我们分别来看。

先来看写入0的操作。写入开始时，IO线路上电势为0（水道处于水位最高点），MOSFET栅极电势升高到5V（水库阀门降到最低），阀门打开，电容中的电势就跟着降低（水位升高），直到接近0V（水池被灌满），写入0完成，栅极电势降回0V，阀门关闭。

(2)读取数据

读取的时候，对漏极的电压操作跟写入有些不同。因为水道中的水比水池中的多，或者说水道的容量比水池要大得多。如果水道（漏极）的水为满或者空，在阀门打开的时候很容易出现水道的水倒灌进水池的现象，或是水池的水全部流去水道，这样就有可能导致电容中的电势状态改变，电容对应储存的0或者1也会改变。所以读取数据的时候，IO线路的电压应为1/2的满电势，即2.5V。

读取也同样分读取0和1两种情况。在读取之前，电容中的电势应该是大于或者小于2.5V的，分别代表存储了1和0。由于刷新机制的存在，应该不会允许出现等于2.5V的情况。

首先看读取0操作。电容中为低电势（假设为0V，水池为高水位），IO线路上电势升高至2.5V（这时水道水位比水池低），MOSFET栅极电势升高到5V（水库阀门降到最低），阀门打开，电容中电势升高（水位降低），但由于水道容量较大，因此水位不会升高太多，但是总归也会有个电势的变低，最终电容与IO线路上的电势都变成0-2.5V的一个中间值，并且接近2.5V（假设为2.3V）。这时候感应放大器检测到IO线路上电势低于2.5V，因此识别出0读出。

再看读取1操作。电容中为高电势（假设为5V，水池空），IO线路上电势升高至2.5V（这时候水道水位比水池高），MOSFET栅极电势升高到5V（水库阀门降到最低），阀门打开，电容中电势降低（水位升高），但由于水道容量较大，水位不会降低太多，不过多少也会降低一点（电势会升高），假设升高到2.7V。这时候感应放大器检测到IO线路的电势高于2.5V，识别出1读出。

以上讲述的只是从cell到内存IO线路的读写操作，至于CPU-IMC-内存的读写操作，不在本文讨论范围。