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从零开始讲DDR（0）——DDR的前世今生

news 来源：原创 2024/9/20 15:30:58

一、计算机组成

计算机组成结构（Computer Architecture）是计算机系统的核心，它定义了计算机的基本工作原理和设计模式。计算机的组成可以分成以下3大类：中央处理器（CPU）、存储器和输入/输出子系统。

1.1 中央处理器（CPU）

CPU用于数据的运算，在大部分的体系结合中，它有3个组成部分：算数运算单元（ALU）、控制单元、寄存器组。

控制单元（Control Unit）：负责指挥整个计算机系统的操作，解释并执行指令，控制其他硬件的工作。
算术逻辑单元（ALU）：执行所有算术运算（如加减乘除）和逻辑运算（如与、或、非等），是计算机执行指令的核心部分。
寄存器（Registers）：这是CPU中用于存储数据的高速存储器，用来临时存放指令、数据和操作结果。

1.2 存储器

存储器是存储单元的集合，每一个存储单元都有唯一的表示，称为地址。数据以“byte”位组的形式在存储器中进行传入和传出。对于计算机系统，存储器可以分成主存储器和辅存储器两种。

主存储器（Primary Memory）：也称为内存（RAM），用于临时存储当前正在执行的程序和数据。
辅存储器（Secondary Memory）：如硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD），用于永久存储数据和程序。

1.3 输入/输出设备（I/O Devices）

输入/输出设备用于实现计算机与外界的通信。

输入设备：如键盘、鼠标等，用于将用户的指令输入到计算机中。
输出设备：如显示器、打印机等，用于将计算机的处理结果展示给用户。

二、主存储器（内存）

2.1 RAM与ROM

我们的主角DDR显然是属于存储器的一部分，而主存储器是计算机的重要组成部分，其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、自动完成程序或数据的出存取。主要有2种类型的存储器：RAM和ROM。

类型	作用	特点	示例
RAM（random access memory）：随机存取存储器	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。	系统断电时RAM不能保留数据	SDRAM、DRAM、DDR
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（相对于用户来说），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。	flash、HDD、SSD

而RAM技术又可以分成2大类：SRAM和DRAM：

类型	实现	作用	特点
静态RAM（SRAM）	传统的触发器门电路	门电路保持状态（0或1），通电时数据始终存在，不需要刷新	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。
动态RAM（DRAM）	电容器	如果电容器充电，则此时的状态是1，如果放电，则状态是0,。因为电容器会随着时间而漏掉一部分电，所以内存单元需要周期性地刷新	必须刷新，后面衍生出DDR，DDR2，DDR3，DDR4，速度较慢，但是比较便宜

2.2 发展历程

内存容量的发展，从最初KB到GB的跃进，从单条1GB到如今单条16GB或者32GB的进化，经历了漫长的过程。从最初的时候，个人电脑和嵌入式系统对于功能的实现都比较简单，内存的容量和储存容量都比较小，只有64K到256KB，对于嵌入式系统上甚至更小。

内存的发展历程反映了计算机技术的进步和需求的变化，随着计算能力和数据存储需求的增长，内存技术不断演进。以下是内存发展的几个关键阶段：

2.2.1 早期阶段：延迟线存储器与磁鼓存储器

延迟线存储器：20世纪40年代后期，早期的计算机使用延迟线存储器，它基于声波或电信号在延迟线中传播来存储数据。每次读写数据都必须等到信号循环到达，这导致了较高的延迟。

磁鼓存储器：1948年发明的磁鼓存储器是早期计算机的主要存储器之一，它利用旋转的磁鼓表面存储数据，存取速度较慢，容量较小。

2.2.2 磁芯存储器（1950年代-1970年代）

磁芯存储器是使用小型磁环（铁氧体材料）存储二进制数据的非易失性存储技术。每个磁环表示一个比特，利用磁场方向来存储“0”或“1”。磁芯存储器具有较快的存取速度和较高的可靠性，在1950年代末期到1970年代中期广泛应用。但它的体积大，制造复杂，存储容量有限，随着半导体技术的发展逐渐被淘汰。

2.2.3 半导体存储器的兴起（1970年代-至今）

随着科技的发展，半导体存储器成为了现代计算机存储器的主流，分为两类主要类型：

静态随机存储器（SRAM）：SRAM利用晶体管存储数据，速度非常快，但每个比特需要更多的晶体管，导致成本高，密度低。主要应用在需要高速缓存的场景，如CPU的缓存（L1、L2、L3）。

动态随机存储器（DRAM）：DRAM利用电容存储数据，电容逐渐放电，因此需要不断刷新来维持数据存储。相对于SRAM，DRAM的存储密度更高，成本较低，因此广泛用于主内存（RAM）。随着集成电路制造技术的进步，DRAM容量和性能持续提升。比如1970年英特尔发布的1103 DRAM是第一款商业化的DRAM芯片，标志着半导体内存开始主导市场。

2.3 现代内存技术的发展

DDR（双倍数据速率）内存：从DDR到如今的DDR5，随着数据传输速度和功耗的改进，DDR系列内存成为计算机和服务器的主流内存。DDR技术从2000年开始引入，持续更新，DDR5的带宽和容量比早期版本有了大幅提升。

闪存（Flash Memory）：20世纪80年代末，闪存技术开始兴起。它是一种非易失性存储器，广泛应用于SSD、U盘和存储卡中。NAND闪存和NOR闪存是两种常见类型，NAND闪存更适合大容量存储。

LPDDR（低功耗DDR）：随着移动设备的普及，低功耗内存技术成为了关键，LPDDR（低功耗双倍数据速率）内存在手机、平板等设备上应用广泛，从LPDDR1发展到LPDDR5，强调功耗和性能之间的平衡。

HBM（High Bandwidth Memory，高带宽内存）：HBM是一种高性能DRAM，具有更高的带宽和更低的功耗，主要用于图形处理器（GPU）和高性能计算（HPC）领域。HBM通过垂直堆叠的方式来提升存储密度和传输速度，减少了延迟和能耗。

最早期的个人电脑内存是以DIP（Dual In-line Package）封装的芯片形式安装在主板上的。由于早期的计算需求较低，这些芯片能够提供64KB到256KB的内存容量，足以满足当时的处理器和软件需求。然而，随着技术的进步，特别是80286处理器的推出，计算机对内存的需求大大增加，主板上有限的插座和内存容量已无法满足应用的需求。

内存条的诞生解决了这一问题。通过将内存以模块化的形式制作成内存条（DIMM），不仅方便了内存的扩展，也提高了系统的灵活性和容量。在这种新形式下，用户只需插拔内存条即可扩展内存容量，这大大简化了操作，并提高了计算机的性能。

内存的发展不仅体现在外在的形态上，其内部的架构与实现也经历了翻天覆地的变化。

2.3.1 异步内存

异步内存的工作不依赖系统时钟。内存模块和处理器之间的通信基于请求和响应。当处理器发出内存访问请求时，内存模块需要一定的时间来完成这次访问，处理器必须等待内存准备好数据。这种机制没有统一的节奏和时序，因此内存访问的时延可能会有所变化。由于异步内存不与CPU同步，内存访问的时序可能与CPU不匹配。CPU可能不得不等待较长的时间才能获取所需的数据，这会导致系统性能下降，尤其是当内存访问频繁时。

2.3.1.1 FPM DRAM（Fast Page Mode DRAM） - EDO DRAM的前身

在EDO DRAM诞生之前，FPM DRAM（快速页面模式DRAM）是1980年代到1990年代早期主流的DRAM技术。FPM DRAM通过在同一行内存中以更快的速度访问连续的数据，提升了数据访问的效率。然而，它仍然存在一个关键的瓶颈：在读取完当前数据后，必须等待一段时间才能发起下一次数据访问。这种停顿限制了内存带宽的提升。

2.3.1.2 EDO DRAM（Extended Data Output DRAM）的引入

为了解决FPM DRAM的这些局限性，EDO DRAM于1994年推出。其主要技术突破在于扩展数据输出机制，允许内存可以在读取一个数据的同时准备下一个数据，使数据访问的停顿减少，提升了内存带宽。

EDO DRAM的设计允许在当前数据传输仍在进行时，就可以开始准备下一条数据的访问请求。这种重叠的数据访问机制相比FPM DRAM有了更高的效率。与FPM DRAM相比，EDO DRAM通常可以将存取周期缩短为70纳秒，而FPM DRAM通常需要80纳秒或更长。虽然在整体系统中带来的性能提升相对有限（约5%-10%），但在多任务操作和图形处理等对带宽要求较高的应用场景下，表现明显更好。EDO DRAM以SIMM模块的形式广泛使用，其制造工艺相对简单，成本较为适中，因此迅速普及并成为中低端计算机的标准配置。

EDO DRAM在1990年代中期被广泛用于搭配Intel 80486、Pentium等处理器。对于这些处理器，EDO DRAM提供了足够的带宽来满足CPU和内存之间的数据传输需求。

2.3.2 同步内存

        与系统时钟同步：同步内存与系统时钟信号保持同步。系统时钟是计算机中用于控制和协调各个部件的节奏器，所有部件（包括内存、处理器、总线等）都依据这个时钟进行数据传输。同步内存能够在时钟的上升沿和/或下降沿有规律地进行数据的读写操作。

        更高效的数据传输：由于内存的操作是与系统时钟同步的，处理器不再需要额外的等待时间来确认内存是否准备好。数据可以在固定的时钟周期内传输，从而实现更高的效率。

        双倍数据速率（DDR）：后来的同步内存（如DDR内存）能够在时钟的上升沿和下降沿都进行数据传输，这使得数据传输速度进一步翻倍。

2.3.2.1 SDRAM（Synchronous DRAM）的出现与取代

随着计算机技术的进一步发展，特别是更高性能处理器的引入（如Intel Pentium Pro、Pentium II），计算机对内存带宽的需求急剧上升。EDO DRAM的设计虽然比FPM DRAM有了改进，但其本质上仍然是异步内存，与CPU和系统时钟没有同步，导致在更高频率的系统中无法充分发挥潜力。想象一下，在异步内存系统中，处理器和内存就像两个不同步的人在传递球。处理器（传球者）在不知道内存（接球者）是否准备好的情况下传球，有时需要等待对方准备好再继续传递。而在同步内存系统中，处理器和内存就像两个人以相同的节奏传球，双方都清楚每次球的传递时间，球在固定的节奏下快速传递，效率更高。

内存技术在这个时代发生了大革命，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（Synchronous DRAM） 于1996年引入，并很快成为内存市场的主流。SDRAM其实就是同步DRAM的意思，“同步”是指内存工作需要同步时钟，内部命令的发送与数据的传输都以它为基准。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。其主要特点包括：

同步时钟：SDRAM依赖于系统时钟信号，与CPU同步，能够以更高的频率处理数据，减少了等待时间，极大提高了内存带宽。
更高的频率和带宽：SDRAM的时钟频率从最初的66MHz逐步提升到100MHz、133MHz，远高于EDO DRAM所能支持的频率。SDRAM的引入使得内存系统可以更快响应CPU的访问请求，满足当时多媒体和图形处理等高带宽应用的需求。
模块封装升级：SDRAM最早以168针的DIMM（双列直插式内存模块）封装形式推出，这种封装支持64位的数据总线，比EDO DRAM的32位更宽，进一步提高了数据传输效率。

到了1997年，随着SDRAM的大量普及，EDO DRAM逐渐被淘汰。尽管EDO DRAM在当时性能有所提升，但与SDRAM相比，其性能和带宽远远不够。特别是在高端计算和服务器领域，EDO DRAM很快失去了竞争力，退出了市场。

2.3.2.2 DDR SDRAM（Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory）

在SDRAM之后，内存技术继续发展，逐渐推出了更高效的DDR（双倍数据速率）SDRAM，以及后来的DDR2、DDR3、DDR4和如今的DDR5内存。每一代内存都在数据传输速度、功耗和容量方面实现了显著提升。

DDR（Double Data Rate）内存能够在时钟周期的上升沿和下降沿都进行数据传输，相比于早期的内存技术，DDR系列内存具有更高的带宽和性能。DDR对于SDRAM，主要优势在于它允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据，这样不需要提高时钟的频率就能实现双倍的SDRAM速度，例如DDR266内存与PC133 SDRAM内存相比，工作频率同样是133MHz，但在内存带宽上前者比后者高一倍。这种做法相当于把单车道更换为双车道，内存的数据传输性能自然可以翻倍。

DDR4和DDR5：现代内存技术不断追求更高的带宽、更低的延迟和更大的容量。当前的DDR4和最新的DDR5内存已经可以提供几乎百倍于EDO DRAM的带宽和数千倍的容量，满足了现代计算设备的需求。