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RAM的工作原理


RAM 的工作原理
随机存取存储器(RAM)是计算机存储器中最为人熟知的一种。之所以 RAM 被 称为"随机存储",是因为您可以直接访问任一个存储单元,只要您知道该单元 所在记忆行和记忆列的地址即可。 与 RAM 形成鲜明对比的是顺序存取存储器(SAM)。SAM 中的数据存储单元按 照线性顺序排列,因而只能依顺序访问(类似于盒式录音带)。如果当前位置

不 能找到所需数据,就必须依次查找下一个存储单元,直至找到所需数据为止。 SAM 非常适合作缓冲存储器之用,一般情况下,缓存中数据的存储顺序与调用 顺序相同(显卡中的质素缓存就是个很好的例子)。而 RAM 则能以任意的顺序存 取数据。 在本文中,您会了解到 RAM 究竟是什么,您应该购买哪一型的 RAM,以及 RAM 的安装方法。 类似于微处理器,存储器芯片也是一种由数以百万计的晶体管和电容器构 成的集成电路(IC)。计算机存储器中最为常见的一种是动态随机存取存储器 (DRAM),在 DRAM 中晶体管和电容器合在一起就构成一个存储单元,代表一个数 据位元。电容器保存信息位--0 或 1(有关位的信息,请参见位和字节)。晶体管 起到了开关的作用,它能让内存芯片上的控制线路读取电容上的数据,或改变 其状态。 电容器就像一个能够储存电子的小桶。要在存储单元中写入 1,小桶内就 充满电子。要写入 0,小桶就被清空。电容器桶的问题在于它会泄漏。只需大 约几毫秒的时间,一个充满电子的小桶就会漏得一干二净。因此,为了确保动 态存储器能正常工作,必须由 CPU 或是由内存控制器对所有电容不断地进行充 电,使它们在电子流失殆尽之前能保持 1 值。为此,内存控制器会先行读取存 储器中的数据,然后再把数据写回去。这种刷新操作每秒钟要自动进行数千次。

动态 RAM 正是得名于这种刷新操作。动态 RAM 需要不间断地进行刷新,否 则就会丢失它所保存的数据。这一刷新动作的缺点就是费时,并且会降低内存 速度。 存储单元由硅晶片蚀刻而成,位于由记忆列(位线)和记忆行(字线)组成的 阵列之中。位线和字线相交,就形成了存储单元的地址。 存储单元由硅晶片蚀刻而成,位于由记忆列(位线)和记忆行(字线)组成的 阵列之中。位线和字线相交,就形成了存储单元的地址。 将位元排列在二维栅格中,就构成了内存。 在上图中,红色的存储单元代表 1 值,而白色的存储单元代表 0 值。 在演示动画片中,先选出一个记忆列,然后对记忆行进行充电以将数据写 入指定的记忆列中。 DRAM 工作时会向选定的记忆列(CAS)发送电荷,以激活该记忆列上每个位 元处的晶体管。写入数据时,记忆行线路会使电容保持应有状态。读取数据时, 由灵敏放大器测定电容器中的电量水平。如果电量水平大于 50%,就读取 1 值; 否则读取 0 值。计数器会跟踪刷新序列,即记录下哪些行被访问过,以及访问 的次序。完成全部工作所需的时间极短,需要以纳秒(十亿分之一秒)计算。存 储器芯片被列为 70 纳秒级的意思是,该芯片读取单个存储单元并完成再充电总 共需要 70 纳秒。 如果没有读写信息的策略作为支持,存储单元本身是毫无价值的。所以存 储单元拥有一整套由其他类型的专用电路构成的底层设施。这些电路具有下列 功能: 动态 RAM 存储单元中的电容器就像是一个漏水的小桶。 它需要定时刷新,否则电子泄漏会使它变为 0 值。 判别记忆行和记忆列的地址(行选址和列选址)记录刷新序列(计数器)从存 储单元中读取、恢复数据(灵敏放大器)告知存储单元是否接受电荷(写保护)内

存控制器要执行其他一些任务,包括识别存储器的类型、速度和容量,以及检 错等等。 静态 RAM 使用了截然不同的技术。静态 RAM 使用某种触发器来储存每一位 内存信息(有关触发器的详细信息,请查见布尔逻辑的应用)。存储单元使用的 触发器是由引线将 4-6 个晶体管连接而成,但无须刷新。这使得静态 RAM 要比 动态 RAM 快得多。但由于构造比较复杂,静态 RAM 单元要比动态 RAM 占据更多 的芯片空间。所以单个静态 RAM 芯片的存储量会小一些,这也使得静态 RAM 的 价格要贵得多。 静态 RAM 速度快但价格贵,动态 RAM 要便宜一些,但速度更慢。因此,静 态 RAM 常用来组成 CPU 中的高速缓存,而动态 RAM 能组成容量更大的系统内存 空间。 台式机所用的内存芯片最早采用一种称为双列直插式封装(DIP)的引脚构造。 这种引脚构造可以焊接到计算机主板上的焊孔内,也可以将其插入焊接在主板 上的插槽内。采用这种方法,在主机只有一两兆字节的内存时还能运转良好, 但随着内存需求的增加,所需的芯片数目就要增加,因而会占据更多的主板空 间。 解决这一问题的方法是,将内存芯片连同其支持组件一起,装配到一快单 独的印刷电路板(PCB)上,而这块板可以插入主板上一种特定的连接器(内存插 槽)中。这类芯片中的绝大多数采用小外形 J 接脚(SOJ})构造,但还是有少数生 产商采用薄型小外形封装(TSOP)构造。新型的引脚构造同早先的 DIP 构造相比, 最关键的区别在于 SOJ 和 TSOP 芯片是贴装到 PCB 板上的。换言之,引脚是直接 焊接到电路板上的,而非插入槽中或孔中。 通常内存芯片只能以部分内存卡的形式出售,称之为模组。您也许见到过 一些标注着 8x32 或 4x16 的内存。这些数字代表着芯片的数目乘以每片芯片的 容量,以兆比特(Mb,即一百万比特)为单位。将乘积除以 8,就能得到该模组 的兆字节数。举例来说,4x32 意味着模组有 4 片 32 兆比特的芯片。4 乘以 32 得到 128 兆比特。我们知道 1 字节等于 8 比特,所以还需将乘积 128 再除以 8。 结果是 16 兆字节!在过去几年间,台式机使用的 RAM 内存条及其引线技术有了 长足的进步。最早几型的内存享有专利权,亦即不同的电脑生产商依其特有的

技术体系进行内存条的研发。随后出现了 SIMM,意为单列直差式内存模组。这 种内存条采用 30 针引脚,大小约为 9 x2 厘米。对于多数的计算机来说,您应 当安装一对容量相同、速度相等的 SIMM 内存条。这是因为总线的带宽大于单个 SIMM 内存条的带宽。例如,您可以安装两条 8 兆字节(MB)的 SIMM 内存条以获 得 16MB 的 RAM 容量。单个 SIMM 内存条一次可以传送 8 位数据,而系统每次可 以处理 16 位数据。后期的 SIMM 内存条要略大一些,约为 11x2.5 厘米,使用 72 针引脚以获取更大的带宽,并把 RAM 容量提升到 256MB。 由上而下依次是:SIMM、DIMM 和 SODIMM 内存模组 随着处理器速度和处理带宽的提升,计算机行业采用了一种新的内存标准-双列直插式内存模组(DIMM)。DIMM 采用加长的 168 针或 184 针引脚,大小约 为 14x2.5 厘米,每个模组的容量从 8MB 到 1GB 不等,还能支持单模组安装,无 需配对使用。多数 PC 机内存模组以及 Mac G5 系统使用的内存模组的工作电压 为 2.5 伏,而老一些的 Mac G4 系统工作电压一般为 3.3 伏。另一种标准是 Rambus 直插式内容模组(RIMM),在大小和引脚构造方面同 DIMM 区别不大,但 RIMM 采用了独特的内存总线设计,大大提高了处理速度。 很多笔记本电脑品牌都使用享有专利权的内存模组,但还是有几家生产商 采用了小外形双列直插式内存模组(SODIMM)的 RAM 构造。SODIMM 内存卡很小, 只有约 5x2.5 厘米,采用 144 针或 200 针引脚。每个模组的容量范围从 16MB 到 1GB。为了节省空间,苹果 iMac 台式电脑采用了 SODIMM 内存条,以替代传统的 DIMM 内存条。亚笔记本电脑采用更小的 DIMM 内存条,称为 MicroDIMM,有 144 针或 172 针两种引脚。 目前市面上可见的多数内存是非常可靠的。多数内存系统只是靠内存控制 器在启动时进行检错工作,并且相当依赖这种机制。具有内置检错功能的内存 芯片通常会采用一种称为奇偶校验的检错机制。奇偶校验芯片在每 8 位数据后 会附加一位数据。其工作原理很简单。我们先来看偶校验。 当芯片接收到一个字节中的 8 位数据时,就会计算其中 1 的总数。如果 1 的总数是奇数,奇偶校验位就设为 1。如果总数为偶数,校验位就设为 0。再次 读取数据时,系统还会计算总和,并将其同奇偶校验位作比较。如果总和是奇 数,而校验位为 1,则数据被判为有效,并将其传送给 CPU。但如果总和是奇数,

而校验位为 0,芯片就会知道在这 8 位数据中的某一位出现了错误,数据则会 被丢弃。奇校验的工作方式与此相似,只是当每个字节中有偶数个 1 时,校验 位会设为 1。 奇偶校验的问题是,它只能检错而没有纠错的能力。如果一个字节的数据 没有通过奇偶校验,那么这一字节会被丢弃,并且系统会重试一次。重要部门 的计算机需要更高的容错水平。高端服务器通常会采用一种称为纠错码(ECC)的 检错方式。类似于奇偶校验,ECC 同样采取附加校验位的方法来监测每个字节 的数据。区别在于 ECC 的校验位有好几位(具体数目取决于总线宽度),而不是 1 位。ECC 内存采用特定的算法,不仅能检测出一位错误,而且还能纠正之。 ECC 内存还能检测出一个字节中出现超过一位错误的情形。这种错误非常罕见, 即便使用 ECC 也难以纠正。 目前市面上的电脑主要采用非奇偶校验内存芯片。这些芯片不提供任何内 置的检错机制,而是依靠内存控制器进行检错。 下面是常见的几种 RAM 类型: SRAM:静态随机存取存储器采取多重晶体管设计,通常每个存储单元使用 4-6 只晶体管,但没有电容器。SRAM 主要用于缓存。DRAM:动态随机存取存储 器中每个存储单元由配对出现的晶体管和电容器构成,需要不断地刷新。FPM DRAM:快速页模式动态随机存取存储器是最早的一种 DRAM。在存储器根据行列 地址进行位元定位的全程中,FPM DRAM 必须处于等待状态,数据读取之后才能 开始处理下一位数据。向二级缓存的最高传输速率约为 176MB 每秒。EDO DRAM: 扩展数据输出动态随机存取存储器在处理前一位数据的过程中无需全程等待, 就可以开始处理下一位数据。只要前一位数据的地址定位成功,EDO DRAM 就开 始为下一位数据寻址。它比 FPM 快 5%左右。向二级缓存的最高传输速率约为 264MB 每秒。SDRAM:同步动态随机存取存储器利用了爆发模式的概念,大大提 升了性能。这种模式在读取数据时首先锁定一个记忆行,然后迅速扫过各记忆 列,与此同时读取列上的位元数据。之所以有这种设计思想,是因为多数时候 CPU 请求的数据在内存中的位置是相邻的。SDRAM 比 EDO RAM 快 5%左右,已成 为当今台式机内存中应用最广的一种。向二级缓存的最高传输速率约为 528MB 每秒。DDR SDRAM:双倍速率同步动态 RAM 与 SDRAM 相似,但带宽更高,即速度

更快。向二级缓存的最高传输速率约为 1064MB 每秒。(133 兆赫兹 DDR SDRAM)。 RDRAM:Rambus 动态随机存取存储器同先前的 DRAM 体系有着根本性的区别。由 Rambus 公司设计的 RDRAM 采用了 Rambus 直插式内存模组(RIMM),在外形尺寸 和引脚构造方面类似于标准的 DIMM。RDRAM 与众不同之处在于它采取一种特殊 的高速数据总线设计,称为 Rambus 信道。RDRAM 内存芯片在并行模式下工作频 率可达 800 兆赫(数据速率 1600 兆字节)。由于操作速率很高,RDRAM 产生的热 量要大大多于其他类型的芯片。为了驱散多余的热量,Rambus 芯片配有散热器, 这种散热器看上去就像是又长又薄的圆片。正如 DIMM 有其小外形版本一样,生 产商还为笔记本电脑设计了小外形 RIMM。信用卡内存:信用卡内存是一种享有 专利权的独立 DRAM 内存模组,使用时要将其插入笔记本电脑的特制长槽中。 PCMCIA 内存卡:另一种用于笔记本电脑的独立 DRAM 内存模组,这种内存卡不 享有专利权,只要系统总线能与内存卡设置相互匹配,即可用于各种笔记本电 脑。CMOS RAM:CMOS RAM 这一术语是指用于电脑和其他设备中的一种小容量存 储器,用来存储硬盘设置等信息--有关详细信息,请查见为什么计算机需要电 池?一文。这种内存需要一个小型电池来供电,以维持存储器的内容。VRAM:视 频 RAM,亦称多端口动态随机存取存储器(MPDRAM),为显示适配器和 3D 加速卡 所专用。所谓"多端口"是指 VRAM 通常会有两个独立的访问端口,而非单一端口, 允许 CPU 和图形处理器同时访问 RAM。VRAM 位于图形卡上,且种类繁多,其中 很多享有专利权。VRAM 的大小往往能决定显示器的分辨率和色深度。VRAM 还可 以用来保存一些图形专用信息,例如 3D 几何数据和质素图。真正的多端口 VRAM 往往价格不菲,因而当今的图形卡使用 SGRAM(同步图形 RAM)作为替代品。 两种显存性能相差无几,而 SGRAM 价格更为便宜。常言道,银子永远不嫌多, 这同样适用于 RAM,对于那些从事高强度图形工作的人,还有电脑游戏玩家来 说,更是如此。RAM 是影响计算机性能的最重要因素之一,其重要性几乎不亚 于 CPU 本身。如果内存不足,增加 RAM 的效果比更换 CPU 还要明显!如果您的 系统响应迟缓,还要不停地访问硬盘,就应该增加 RAM。如果您使用 Windows XP 系统,微软公司向你建议的最低内存要求是 128MB。如果内存只有 64MB,使 用应用程序时您就会频繁地遇到问题。对于普通台式机应用程序使用者来说, 若想获得理想性能,建议使用 256MB 内存。如果您使用 Windows 95/98 系统, 您只需 32MB 内存,如果您的电脑内存有 64MB,性能就会大大提升。Windows NT/2000 系统最低内存要求为 64MB,而内存对于系统来说多多益善,所以您可 能需要 128MB 或更多的内存。

Linux 系统只需 4MB RAM 就能愉快地工作。如果您打算添加 X-Windows 或 是有更重要的工作要做,您可能需要 64MB。Mac OS X 系统的内存最低要求是 128MB,达到理想性能则需要 512MB。 以上列出的各系统所需 RAM 数量的估值,仅针对一般性的用途--访问互联 网、文字处理、普通家庭或办公应用程序以及较为简单的娱乐程序。如果您从 事计算机辅助设计(CAD)、3D 建模或动画、高强度数据处理,或者是一位发烧 级游戏玩家,那么您一定还要追加 RAM。如果您使用的电脑是一台服务器(包括 网页、数据库、应用程序、FTP、或网络等各类服务器),您同样需要更多 RAM。 另外一个问题是,您的显卡需要多少 VRAM。几乎所有您能买到的显卡都有 至少 16MB RAM。一般来讲,这足够应付普通的办公环境了。如果您想要做下面 的事情,最好还是购买 32MB 或显存更高的图形卡: 玩仿真电脑游戏采集、编辑视频创建 3D 图形在高分辨率、全彩色环境下工 作设计全彩色图示购买显卡时,切记一点:您的显示器和主机必须能支持您选 择的显卡。如何安装 RAM 多数情况,安装 RAM 是非常简单而又直截了当的过程。关键是要做好调研 功课。下面是您应该了解的几件事: 您有多少 RAM 内存您想要增加多少 RAM 内存形状系数 RAM 类型所需工具保 修协议内存条应安装在哪里 RAM 通常以 16 兆字节的倍数出售:16、32、64、 128、256、512、1024(相当于 1GB)。这意味着,如果您眼下使用的系统有 64MB 内存,而您想将内存总数添加到至少 100MB RAM,那么您应该再追加一个 64MB 的模组。 知道需要多少 RAM 之后,就该关注一下您所需内存的形状系数(内存条类 型)。在随机附送的操作手册中您应该能找到形状系数,如果找不到的话,可以 联系生产商。有一点须知:您的选择取决于你电脑的构造。当今市场上出售的 多数家用或办公用计算机采用 DIMM 插槽。高端系统开始普遍使用 RIMM 技术, 而这种技术终将占领普通台式机市场。由于 DIMM 和 RIMM 两种插槽外观十分接 近,所以请注意,一定要搞清楚您的电脑用的是哪一种。插入槽内的内存条如 果类型有误,就可能导致系统受损,还会毁掉内存条。

您还应当知道所需 RAM 的类型。有些计算机操作要求的 RAM 类型非常特殊。 例如,或许您的电脑只能使用 60-70 纳秒的奇偶校验 EDO RAM。多数电脑不会 如此苛刻,但多少还是有所限制。为了达到理想性能,添加到您电脑上的 RAM 应当同原有的 RAM 在速度、奇偶校验和类型等指标上能够匹配。当今市面上最 常见的内存类型是 SDRAM。 另外,有些电脑支持双通道 RAM 配置,这种配置有时是可选的,有时则是 必需的。双通道的含义是,RAM 模组必须配对地安装到电脑中去,也就是说如 果您安装了一个 512MB RAM 内存条,必须在旁边再安装一个 512MB 内存条。当 双通道是一个可选配置时,配对安装 RAM 能提升某些应用程序的性能。当双通 道为必需配置时,例如使用 Mac G5 芯片的计算机,如果不以配对形式安装 RAM 芯片,电脑就会发生功能异常。 打开机箱之前,应当确认一下您会不会违反保修协议。有些生产商将机箱 密封起来,用户必须经由授权的技术人员来安装 RAM。如果您执意要打开机箱, 要先断电,并且拔掉计算机电源。请使用防静电板或防静电腕带,将你身上的 静电放给大地。根据你电脑的实际情况,借助螺丝刀或螺母刀打开机箱。当今 市面上有很多系统采用免工具机箱,靠手旋螺母或简易扣栓来固定机箱盖。 安装更多 RAM 时,先要找到计算机主板上的内存模组。左图为 Macintosh G4,右图为 PC 机。实际中安装内存模组不需要任何工具。主板上有一排长槽, 称为内存插槽,RAM 就安装在这里。内存模组的一面有刻痕,如果安装的方向 有误,就无法将模组插入长槽。安装 SIMM 和部分 DIMM 时,您应当沿约 45 度角 将模组插入长槽。然后将其扶正,直至它与主板相垂直,并且要让两端的金属 夹能够卡紧。如果金属夹没能卡紧插槽,请检查一下内存上的刻痕在不在正确 的一端,还要看看内存条有没有固定好。很多 DIMM 模组没有金属夹;它们靠摩 擦力把自己固定在适当位置上。我们还是要请您再次确认一下模组有没有固定 好。 只要内存模组安装完毕,就可以盖上机箱盖、接通电源,然后开机。当计 算机开始进行 POST 自检时,就能自动识别内存。这就算是大功告成了!
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