这串数字，暗藏了内存工作的秘密

GRcSXZPy · 发表于 2019-6-11 02:41:00

一台电脑的性能怎么样，很多人会看处理器、显卡，而除了这两者，内存的重要性紧跟其后。内存也是我们平常接触最频繁的计算机硬件之一，它的容量的大小、频率的高低，与电脑运行的快慢有密切的关系。相信大部分消费者在购买内存时看且仅看容量、频率这两项参数。但事实上，影响内存性能的还有一项重要参数，就是内存时序。

那么什么是内存时序？这是小编在本文想和大家探讨的。我们暂且抛开定义，从内存的一些运行原理说起。
首先，内存是什么？内存是与CPU直接沟通的桥梁。打个比方，如果把CPU比作一个工厂，它是负责处理数据的。数据从哪里来？当然是从硬盘中来，所以硬盘相当于一个原料产地。

早期的电脑是没有内存的，CPU直接从硬盘中读取数据，就像工厂直接从原料产地采集数据原料。但是随着技术的发展，CPU工厂的处理能力极大提升，远远甩开了硬盘的运力，但是数据还是要从硬盘中读取啊，需要迁就硬盘的运力，所以CPU的发挥空间被大大限制了。

怎么办？这个时候，人们想到了一个方法——临时仓库。
你硬盘不是追不上CPU的速度吗？那就不让CPU直接找硬盘了，我们可以在工厂和原料产地之间设立一个前置的临时仓库，先屯一批货在仓库里，这个临时仓库，就是内存。
CPU需要数据，直接从临时仓库中读取，不再直接读取硬盘了。而这个临时仓库的运转速度是硬盘的几十倍不等，能够满足CPU处理速度的需要，所以它就会不断将CPU需要处理的数据预存在仓库里，这样，整个电脑的性能、效率都大大提高。
讲到这里，相信大家对这个临时仓库就很感兴趣了，很想走进仓库，看看它自己是怎么运转的，和工厂之间又是怎样工作的。
先说说临时仓和工厂之间是怎样沟通的吧。
我们知道，在CPU里面，都有一个内存控制器，它就是工厂中负责和临时仓库直接沟通物流的窗口。

当CPU需要处理“XXX小姐姐”的数据，就大喊一声“我要XXX小姐姐的数据！”然后这条指令在工厂内部各个部门之间传递、转化，到达内存控制器，内存控制器负责和仓库沟通“XXX小姐姐”的数据在哪里。
插一句，具体工厂内部这个指令是怎么传递的，比较复杂。简单来说，指令首先会被传递到内存管理单元，在这里进行虚实转换，然后发往总线，总线再把命令传递给内存控制器，内存控制器接到命令后，对命令进行分析，了解自己的任务，然后找到临时仓库。

内存控制器和内存之间沟通的物流线路，就是内存通道（Channel）。很显然，这样的通道多多益善，毕竟多一条通道，就可以增加一倍的流通效率。不过，一个内存控制器只能控制一个内存通道，就目前消费级数据处理的需求来讲，两个通道基本也就足够了，当然也有三通道、四通道的，根据大家的需求和预算来吧。

顺着内存通道，就可以找到内存，也就是临时仓库了。那么这个临时仓库是什么样的呢？它是以怎样的方式存在？
我们知道，数据是被存在内存颗粒里的，内存颗粒我们叫Chip。内存颗粒是内存的关键部件，就好像仓库里一个个库房，只不过打造这样的库房需要很高的技术，不是随便一个厂商都能生产出来的，毕竟它装载的货物非常独特，像三星、海力士等等，就是打造这样的库房的高手。

说起来，早期这个“临时仓库”是比较简陋的，直接以库房的形式存在，即内存颗粒是直接被插在主板上的，后来才被焊在一块模块化的电路板上，这个电路板，其实就是内存条。早期的叫SIMM，在内存发展进入SDRAM时代后，SIMM逐渐被DIMM取代。两者的区别和发展过程，这里就不方便展开啦。
这么说吧，现在来讲，DIMM就是内存条的基本形态，在上面打的比方中，其实就是临时仓库的实体形态。内存条上一排黑色的小芯片，就是内存颗粒（Chip），也就是库房。数据，就是从不同的库房里取出，然后发往CPU这个工厂的。很多时候，我们看到一个内存条上有8个内存颗粒，当然也有四个或者16个的，这是巧合吗？

不是，这其实和CPU有关。我们刚才说到，内存控制器是CPU中和内存对接的窗口，而这个窗口的运力是有限制的。目前，内存控制器和内存对接的接口位宽主要是64 bit，也就是一个时钟周期里可以向内存发送或读取64 bit的数据，而一个内存颗粒的位宽比较小，有4 bit的，8 bit的，也有16 bit的，当少数也会有32 bit的，所以，实际应用时需要把多个内存颗粒并联起来，成为一个64 bit的集合，从而来满足CPU的运力要求。
而这样的一个集合，叫做Rank。目前绝大多数的内存条都有1个或者2个Rank。通常同种内存颗粒下，Rank数越多，可做的内存容量就越大。例如通常我们在内存条上会看到1R×8或者2R×8的参数，其中R就代表Rank，8代表内存颗粒的位宽为8bit。1R×8代表这个DIMM上有1×（64÷8）=8个内存颗粒，2R×8代表这个DIMM上有2×（64÷8）=16个内存颗粒。注意，CPU一次只能对一个Rank进行访问和操作。

OK，我们想象一下，在这个内存这个临时仓库中，有一排（1个Rank）的库房（内存颗粒），它们负责与不远处的工厂（CPU）沟通、运输原材料。接下来，就该研究一下工厂到底是怎样和这些库房沟通的了，工厂想要哪些数据？这些数据在哪里取？这些总该弄清楚吧。
这就涉及到一个关键的步骤了：寻址。

前面我们说到当CPU喊出“我要XXX小姐姐的数据”时，其实发出的本质上是一个地址指令，根据这条地址在内存中可以找到对应的数据。再看内存这里，刚才我们已经讲到了库房，也就是内存颗粒了，数据就储藏在里面。干过仓储工作的人都知道，库房里的货物不是随便摆放的，需要遵循一定的排列体系。内存颗粒也是一样，所以我们接下来要看一下里面数据存取的逻辑结构，看看这个“库房”里的“货物”是怎样摆放的。

前面我们讲到的最小单元是Chip，也就是库房，现在我们走进这个库房里，你会看到库房里排列着一排一排的货架，而每一个货架中，有一个一个整齐划一的小方格抽屉组成的阵列，而货物，就分别放在这些小方格抽屉里。
初中我们就学过坐标系，OK，如果我们将这些小方格抽屉组成的阵列按照横轴和纵轴进行编号，那么每一个方格抽屉就有了自己的坐标，这样，拿货的时候就可以精确定位到每一个方格抽屉了。
这就是内存颗粒内部存取数据的逻辑。当然，你可能会问，为什么内存颗粒内部存取数据的逻辑要是这样的呢？这个解释起来相当复杂，简单来回答，主要是从降低成本的角度来考虑的，DRAM设计的目标之一就是降低晶体管使用的成本。

在内存颗粒内部，晶体管充放电时，电压和电荷需要管理，这个管理单元叫做Sense Amplifier（传感放大器），这种传感放大器本身由更多的晶体管组成，成本较高，所以在设计的时候，需要尽可能减少传感放大器，所以一个晶体管对应一个传感放大器就别想了，太高成本。科学家发现，当晶体管形成方格阵列时，就可以在不影响稳定性的前提下最大程度减少传感放大器的数量，所以，我们就能看到内存颗粒内部为由最小存储单元组成的存储阵列。

在内存中，这样的一个存储整列，我们把它称作一个逻辑Bank（L-Bank）或者直接叫做Bank，这一个Bank也就是我们前面说的货架。一个内存颗粒中，由多个Bank组成，具体有多少个Bank，这并非固定的，而是随着内存技术的发展而变化的。

再来看单一的Bank，其中我们刚才所说的最小存储单元，也就是一个方格抽屉，被称作“Cell”，它能存储的数据量，其实也就是内存颗粒的位宽。精确定位到这一个方格，很容易，我们只需要知道它在哪一个Bank的第几行（Row）第几列（Column）。
这就是寻址的过程。
有了这个做基础，接下来，我们终于要讲到内存时序了。

以小编手上的这条内存为例，在它的标签上，有这样一组参数：CL 16-18-18-38。这一串数字，其实就是内存时序（不同的内存有不同的内存吧时序）。而这四个数据，对应四个性能参数，他们分别是CL、TRCD、TRP和TRAS。对于这四个参数，我们未必需哟啊了解它们对应的学名，但是需要知道他们分别表达什么意思。
首先是CL，它的意思是发送一个列地址到内存与数据开始响应之间时延。这是从已经打开正确行的DRAM读取第一比特内存所需的周期数。也就是说，当我们要找到一个数据时，确定在哪个Bank后，然后确定在哪一行，再确定在哪一列。

用之前的例子来说明，就是CPU工厂发出指令，包含行地址和列地址等信息，假设是在第q个货架的第n行第m列。临时仓库接到信息后，先派工作人员找到对应库房的第q个货架旁，找到这个数据（货物）所在的第n行，然后再看货物所在的第m列。注意，从你开始找第m列的那一刻开始，到这个货物被找到，并被运输出仓库，这个过程需要的时间，就是CL时延。显然，我们希望这个数字越小越好。

第二个数字TRCD，意思打开一行内存并访问其中的列所需的最小时延。这个很好理解。上面说的CL时延，是从你开始找第m列开始的，但是在这之前，你确定了货物所在的第n行，然后开始找其中的第m列，这两个行为之间，也是需要间隔的，这个间隔的时间，就是TRCD时延。

TRP是第三个数字，意思是发出预充电命令与打开下一行之间所需的最小时钟周期数。我们接着用上面的例子来说明。CPU工厂发出指令，不会一次只要一个货物，前面我们说过，是64bit的数据，所以工作人员在找到第一个货物的时候，还要接着找下一个货物。当然，找的方法和上一个一样，还是先从行开始定位。

但是，工作人员在找到上一个货物和开始找下一个货物之间，总是需要先休息一会。这个休息的时间在内存里叫做预充电。TRP时延就是从发出预充电指令，到开始找下一个货物的第n行，这个过程需要的时间。
最后一个数字是TRAS，它的解释是行活动命令与发出预充电命令之间所需的最小时延。我们仍然用上面的这个例子通俗去理解。其实这个数字，表达的就是一个总时间。是什么总时间呢？就是当工作人员找到第q个货架第n行开始，到系统发出预充电，即工作人员开始休息这个过程的总时间，不严谨地说，它就是CL+TRCD的时间之和，当然，在实际内存模块中，数字上并不是绝对的。

当对每个数字进行解释分析之后，相信大家也就了解内存时序这个参数所代表的含义了。客观上讲，我们希望内存时序的这一串数字都是越小越快，数字越小，代表时延越小，时延越小，说明内存运行的速度越快。
通常，内存时序中的第一个数字，也就是CL的参数是最重要的，很多厂商甚至也会在内存产品标签中单独标注CL的值，因为这个数字告诉我们要等待多少个时钟周期后才能拿到数据。
购买小建议：
介绍完了内存时序，相信大家也对内存内部的工作原理有了一个大概的了解。不过这里要说的是，内存时序并不是决定内存性能最关键的数据，这只是影响内存性能的重要因素之一。我们不能说内存时序更低，内存的性能就一定强，或者内存时序高，内存的性能就一定弱，因为我们不能抛开内存的标准和频率来孤立地看内存时序。

举个例子，如果一块DDR3的实际频率是800MHz。那么它的周期时间就是1/800MHz=1/（800×10^6Hz）=0.00125μs/周期=1.25ns/周期，我们假定CL都是10，那么这块内存的实际延迟就是12.5ns。
而我们再找一块实际频率更高的DDR3内存，为1600MHz，按照刚才的算法，周期时间就是0.625ns/周期，那么实际延迟就是6.25ns。显然，这个延迟是要比CL同为10的上一款内存更短，即便我们假设这款内存的CL是12，那么它的延迟也只有7.5ns。
所以，内存时序和频率等参数都不是孤立来考察的，如果你对内存有非常严苛的要求，或者用于发烧级的场景，那么在看了它的标准、频率后，也需要考察其内存时序，而如果你只是普通用户，那么通常优先考察频率是没问题的，因为它对内存性能的影响更大。当然，通常情况下，高频率、低内存时序的内存，性能自然也是更好的。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0MF2uaWP
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