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- 标题挥发性内存分2种，SRAM和DRAM
- 主内存子系统
- channel 和 DIMM
- rank 和 chip
- bank、row、column
- 内存的读写方式
- 越多越好，加速读写能力

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图解RAM结构与原理，系统内存的Channel、Chip与Bank

其它内容参考：

深入浅出DDR系列(一)–DDR原理篇
内存条的逻辑BANK和RANK（物理BANK）概念
计算机-内存】 Channel > DIMM > Rank > Chip > Bank > Row /Column

个人理解的几点，先记录在这。

DDR，全称Double Data Rate，双数据速率。即上下时钟沿采样。
双通道，是指两个channel，每个channel有单独控制器。比如SOC/CPU的ddr接口是64bit位宽，两个channel都是32bit位宽即可。因为依赖channel独立DDR控制器，可以并行采样，互不干扰，所以能达到双倍DDR位宽效果。台式机都是采用双通道DDR。
为什么SOC不用双通道DDR技术？个人理解，管脚多了，布线复杂，功耗也会上去。没有便携，小型化需求，成本比重等考虑是可以用双通道的。
本文没说DIMM和rank的区别。DIMM是插槽技术，rank是指8个chip芯片颗粒组合而成，与CPU/SOC DDR位宽保持一致的。

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bank、rank、channel这些关于内存的名词是否已困绕许久，疑似了解却又说不出个所以然来。就让我们一步步拆解内存的面纱，从架构到读写方式逐步揭开内存的秘密。

标题挥发性内存分2种，SRAM和DRAM

RAM（Ramdom Access Memory）随机存取内存，之所以称作「随机存取」，是因为相较于早期的线性储存媒体（磁带）而言，因为磁带的存取是线性的，存取时间会依目前磁带位置和欲存取位置的距离而定，需转动磁带至应有的位置，距离越长、转得越久、存取时间也就越久。而 RAM 没有这种烦恼，存取时间为固定值，不会因为数据在内存的位置而影响存取时间。

而 RAM 在电脑里又可大致上分为 2 种：SRAM 和 DRAM，两者的基础原理差不多，都是将电荷储存至内部，藉由改变不同的电荷储存 0 或是 1。 SRAM（Static Random Access Memory）静态随机存取内存和DRAM（Dynamic Random Access Memory）有着几点不同，SRAM的结构较复杂、单位面积的容量较少、存取速度快，DRAM则是构造简单、单位面积内的容量较多、存取时间较SRAM慢，同时DRAM也因为构造较简单的关系，储存的电荷会随着时间渐渐消失，因此需要有个再充电（Refresh）的动作保持电容储存的数据。

▲SRAM 单一位储存区的构造

▲DRAM 单一位储存区的构造。

由图中SRAM和DRAM构造可得知，SRAM采用正反器（flip-flop）构造储存，DRAM则是采用电容储存。因为 SRAM 和 DRAM 种种的特性不同，SRAM 适合作为暂存器和 CPU 缓取使用，DRAM 则是适合做为主内存或是其他设备间的快取使用。

挥发与非挥发性内存
挥发性存储器（Volatile Memory）和非挥发性内存（Non-Volatile Memory）之间的差异在于，断电之后是否可保存内部资料，挥发性存储器的数据会随着失去电力供应而消失，而非挥发性内存依然可以保有内部资料。

挥发性内存包含了SRAM和DRAM，而非挥发性内存包含ROM（Read-Only Memory）和Flash Memory闪存。

主内存子系统

DRAM 由于制造简单、高密度，作为电脑内部的主内存再适合不过了。但是由于主内存摆放在CPU之外，从工厂出来的晶粒需要封装和组合之后才可和CPU连结，因此从CPU至DRAM晶粒之间依据层级由大至小为channel>DIMM>rank>chip>bank>row/column，接下来就一一说明这些部分。

▲主内存由大至小，由上往下可做这样的拆分。

▲主内存从 channel 至 chip 的相对应关系。

▲chip 往下拆分为 bank。

▲bank 往下拆就是 1 个个的储存单元，横向 1 排称之为 row，直向 1 排称之为 column，每排 column 的下方都有个 row buffer，用以暂存读出来的 row 排资料。

▲单一 DRAM 芯片的内部功能区块图（图片取自Micron）。

channel 和 DIMM

从内存控制器出来之后，最先遇到的就是 channel，每个 channel 需要配有 1 组内存控制器、2 个 channel 配置 2 组… 以此类推。而每个 channel 中能够拥有许多组 DIMM（Dual In-line Memory Module），DIMM 也就是目前使用者能够在市场上买到的内存模块，因为多年前的主板必须购买内存颗粒（chip）直接插在主板上，而后发展出 SIMM（Single In-line Memory Module），将多组内存颗粒焊在 1 片电路板上，成为内存模块，再将此电路板插在主板上。接着为了增加数据吞吐量，将 1 条内存模块的带宽从 SIMM 的 32bit 改换成 DIMM 的 64bit，这设计依然沿用至今。

从内存颗粒过度到 SIMM 的时代，坊间出现了替用户将内存颗粒焊到 SIMM 电路板上的服务，因为当时内存非常昂贵，花一些小钱就可以把内存延用至新的电脑上。

rank 和 chip

rank 指的是链接到同 1 个CS（Chip Select）的内存颗粒 chip，内存控制器能够对同 1 rank 的 chip 进行读写操作，而在同 1 rank 的 chip 也分享同样的控制信号。以目前的电脑来说，因为 1 组 channel 的宽度为 64bit，所以能够同时读写 8byte 的数据，如果是具有 ECC 功能的内存控制器和 ECC 内存模块，那么 1 组 channel 的宽度就是 72bit。

▲rank 1 和 rank 2 共享同组 address/comand 讯号线，利用 chip select 线选择欲读取或是写入的那一组，之后将资料经由 MUX 多工器送出。

有些人会有错误观念，以 chip 的数量或是以内存模块的单、双面进行 rank 的判断，但其实要以内存控制器和内存颗粒的规格进行判断，目前家用 PC 的内存控制器通道绝大部分都是 64bit 宽，内存颗粒则是 8bit 宽，因此 8 颗并联即可满足内存控制器的需求，也就是 1 组 rank。但偶尔也有以 16bit 宽的内存颗粒制成的内存模块，此时 4 个 chip 就是 1 组 rank。

这在采用Intel H61/H81芯片组和传统单channel的主板时须特别注意，因为Intel限制H61/H81每个 channel仅能支持2组 rank，而不是4组 rank，部分主板每个 channel 又做了 2 组内存模块插槽，造成部分用户同组 channel 放入 2 条内存模块时能够识别全部的内存容量（双面单 rank 的内存模块），部分用户则是仅能识别一半的容量（双面双 rank 的内存模块）。

bank、row、column

bank 再往下分拆就是实际储存位元的电路，一般来说横向选择排数的线路称为 row（row enable、row select、word line），直向负责传递讯号的线路为column（bitline），每组 bank 的下方还会有个 row buffer（sense amplifier），负责将独出的 row 资料暂存，等待 column 地址送到后输出正确的位，以及判断储存的数据是 0 还是 1。

▲1 个 bank 的读取操作。

▲1 个 bank 的写入操作。

内存的读写方式

上图标明了内存的读写方式，读取时首先内存控制器会将 1 组地址由地址线传到内存上，控制线跟着传送控制信号;如果是多 rank 的安装情形，CS 也会送出对应的讯号选择目标 rank。接着由于每个 rank 由许多 chip 组成，1 个 chip 仅负责部分的数据读取，chip 接收到地址信号后，将地址丢入内部的 row/column 解码器找出相对应的 bank 地址（每家每款产品的内部 bank 组合有可能不同，因此对应也会有所不同），接着开启 row 线，同 1 排 row 的内部数据就会流到 row buffer 内部，row buffer 判断信号为 0 或是 1 之后就输出数据。

写入时除了地址资料外，还会传送欲写入的资料至芯片内部的 input buffer，同样的也是依照 row/column 解码器找出对应位置之后写入。

▲内存控制器和 DIMM 之间线路的关系。

越多越好，加速读写能力

家用计算机的内存控制器已经进入双通道内存控制器多年，加速原理为增加数据总线宽度，达到同时读写更多数据的能力。

另一种增加带宽的方法就是减少延迟，利用多个 chip 或是 bank 达成。一般的内存读取延迟为命令下达+内存读取延迟+输出数据，如果命令下达延迟为 2ns、内存读取延迟为 10ns、输出数据延迟为 2ns，那么读取 2 笔资料的总延迟就会是（2+10+2）×2=24ns。

如果现在能够将数据拆分至2颗内存上，那么2笔读取延迟将降低至16ns，因为不需等到前笔资料读取完成才发出下一笔的读取命令，在第一笔数据进入内存读取时即可发出。这种概念也可应用到目前最夯的SSD上，较多CE（Chip Enable）封装的闪存芯片，通常都比较少CE封装的芯片来得快。

▲由时序图可得知，下方此种尽量分拆内存空间的作法，可大幅减少延迟。

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