操作系统基础知识介绍之内存技术和优化（一）（包含SRAM和DRAM、SDRAM、GDRAMs）-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了操作系统基础知识介绍之内存技术和优化（一）（包含SRAM和DRAM、SDRAM、GDRAMs）。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

使用 SRAM 可以满足最小化高速缓存访问时间的需要。然而，当缓存未命中时，我们需要尽快将数据从主存中移出，这就需要高带宽内存。这种高内存带宽可以通过将构成主内存的许多 DRAM 芯片组织成多个内存条并使内存总线更宽来实现，或者两者兼而有之。

高带宽内存是一种利用3D堆栈工艺将多个DRAM芯片垂直堆叠在一起的内存技术，可以提供高达1TB/s的带宽，适用于高性能计算、人工智能、图形处理等领域。高带宽内存与传统的DDR内存相比，具有以下优势：

体积更小，可以节省空间和成本。
能耗更低，每比特功耗只有DDR的一半左右。
带宽更高，可以满足大数据和并行计算的需求。
兼容性更好，可以与不同类型的处理器配合使用。

ps：DDR是一种内存技术，全称为双倍速率同步动态随机存取存储器（Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory）。它的特点是在每个时钟周期内能够传输两次数据，从而提高了内存的数据传输率。DDR主要用于个人电脑和服务器等设备的内存条，也有一些低功耗的版本用于移动设备。

随着现在广泛用于闪存和 DRAM 中的突发传输存储器的引入，存储器延迟使用两种度量来引用——访问时间和循环时间。访问时间是请求读取和所需字到达之间的时间，循环时间是不相关的内存请求之间的最短时间。

可以这样理解访问时间和循环时间的区别：访问时间是从发出请求到收到响应所花费的总时长，循环时间是从发出请求到可以发出下一个请求所花费的总时长。访问时间和循环时间都取决于内存的结构、工作方式和时钟频率等因素。一般来说，访问时间越短，循环时间越短，内存性能越好。

几乎所有计算机都将 DRAM 用作主存储器，将 SRAM 用作高速缓存，其中一到三层与 CPU 一起集成到处理器芯片上。

SRAM

SRAM是一种内存技术，全称为静态随机存取存储器（Static Random Access Memory）。它的特点是利用触发器（flip-flop）来存储每个数据位，只要有电源供应，就可以保持数据不变，不需要刷新。因此，SRAM的速度比DRAM（动态随机存取存储器）快，功耗也低。但是，SRAM的缺点是每个数据位需要多个晶体管来实现，导致芯片的容量较小，成本也较高。SRAM主要用于CPU的高速缓存（如L1、L2、L3缓存），以及一些特殊的设备和应用。

DRAM 中电路的动态特性要求数据在读取后写回——因此访问时间和循环时间之间存在差异，并且需要刷新。 SRAM 不需要刷新，因此访问时间非常接近循环时间。 SRAM 通常每位使用六个晶体管，以防止信息在读取时受到干扰。 SRAM 仅需极少的电量即可在待机模式下保持电量。

片上高速缓存 SRAM 通常按与高速缓存块大小相匹配的宽度组织，标签与每个块并行存储。这允许将整个块读出或写入单个周期。当将未命中后获取的数据写入缓存或写回必须从缓存中逐出的块时，此功能特别有用。缓存的访问时间（忽略集合关联缓存中的命中检测和选择）与缓存中的块数成正比，而能量消耗取决于缓存中的位数（静态功率）和块数（动态功率）。设置关联缓存减少了对内存的初始访问时间，因为内存的大小更小，但增加了命中检测和块选择的时间。

DRAM

DRAM是一种内存技术（Dynamic Random Access Memory）。它的特点是利用电容器来存储每个数据位，但是电容器会漏电，所以需要定期刷新，才能保持数据不变。因此，DRAM的速度比SRAM（静态随机存取存储器）慢，功耗也高。但是，DRAM的优点是每个数据位只需要一个晶体管和一个电容器来实现，导致芯片的容量较大，成本也较低。DRAM主要用于计算机的主存储器，以及一些特殊的设备和应用。

DRAM有不同的类型，如SDRAM（同步动态随机存取存储器），DDR SDRAM（双倍速率同步动态随机存取存储器），RDRAM（Rambus动态随机存取存储器），FPM DRAM（快速页模式动态随机存取存储器），EDO DRAM（扩展数据输出动态随机存取存储器）等。

操作系统基础知识介绍之内存技术和优化（一）（包含SRAM和DRAM、SDRAM、GDRAMs）

现代 DRAM 是按库组织的，DDR4 最多有 16 个。每个bank由一系列行组成。发送 ACT（激活）命令打开一个存储体和一行并将该行加载到行缓冲区中。当行在缓冲区中时，它可以通过连续的列地址在任何 DRAM 的宽度（在 DDR4 中通常为 4、8 或 16 位）或通过指定块传输和起始地址来传输。 Precharge 命令 (PRE) 关闭 bank 和 row 并准备好进行新的访问。每个命令以及块传输都与时钟同步。

随着早期 DRAM 容量的增长，具有所有必要地址线的封装的成本成为一个问题。解决方案是多路复用地址线，从而将地址引脚的数量减半。

为了在每个芯片上封装更多位，DRAM 仅使用一个有效充当电容器的晶体管来存储位。这有两个含义：首先，检测电荷的传感线必须预充电，这将它们设置为逻辑 0 和 1 之间的“中间”，允许存储在电池中的小电荷导致 0 或 1 被检测到读出放大器。、

此外，为了防止由于单元中的电荷泄漏（假设未读取或写入）而丢失信息，每个位必须定期“刷新”。因此，内存系统中的每个 DRAM 都必须在特定时间窗口（例如 64 毫秒）内访问每一行。

这个要求意味着内存系统偶尔会不可用，因为它正在发送一个信号告诉每个芯片进行刷新。刷新的时间是行激活和同时写回行的预充电（这大约需要 2/3 的时间来获取数据，因为不需要列选择），这对于 DRAM 的每一行都是必需的。因为 DRAM 中的内存矩阵在概念上是正方形的，所以刷新的步数通常是 DRAM 容量的平方根。

SDRAM

SDRAM是一种内存技术（Synchronous Dynamic Random Access Memory）。它的特点是与CPU的时钟同步，可以提高数据传输的效率和速度。SDRAM的速度用MHz来表示，而不是ns2。SDRAM是一种动态随机存取存储器（DRAM），也就是说它需要定期刷新，才能保持数据不变。SDRAM 还允许添加突发传输模式，在这种模式下可以在不指定新列地址的情况下进行多次传输。 SDRAM主要用于计算机的主存储器，以及一些特殊的设备和应用。

SDRAM 引入了 bank 以帮助进行电源管理、改进访问时间并允许对不同 bank 进行交错和重叠访问。对不同 bank 的访问可以相互重叠，并且每个 bank 都有自己的行缓冲区。

为了启动新的访问，DRAM 控制器发送一个存储体和行号（在 SDRAM 中称为激活，以前称为 RAS——行选择）。该命令打开行并将整行读入缓冲区。然后可以发送列地址，SDRAM 可以传输一个或多个数据项，具体取决于它是单项请求还是突发请求。在访问新行之前，必须对存储区进行预充电。如果该行在同一组中，则可以看到预充电延迟；但是，如果该行位于另一个存储区中，则关闭该行和预充电可能会与访问新行重叠。在同步 DRAM 中，这些命令周期中的每一个都需要整数个时钟周期.

DRAM与SDRAM的区别

DRAM是动态随机访问存储器，SDRAM是同步动态随机访问存储器。DRAM利用电容器存储数据，需要定期刷新，而SDRAM是在DRAM的基础上增加了同步时钟，可以与CPU的时钟同步，提高了数据传输的效率。

DRAM在两个读周期之间需要等待一段时间，用于充电操作，而SDRAM一个模组有两个bank，在对一个bank充电时，可以操作另一个bank，实现流水线。

DRAM的传输速率较低，一般为66~133MHz，而SDRAM的传输速率较高，一般为100~200MHz。

DRAM的工作电压为5V或3.3V，而SDRAM的工作电压为3.3V或2.5V。

GDRAMs

GDRAMs是一种基于 SDRAM 设计的特殊 DRAM，但专为处理图形处理单元的更高带宽需求而定制。由于图形处理器单元（GPU）需要比 CPU 更高的每个 DRAM 芯片带宽，因此 GDDR 有几个重要的区别：

1. GDDR 具有更广泛的接口：32 位与当前设计中的 4、8 或 16 位相比。

2. GDDR 在数据引脚上具有更高的最大时钟速率。为了在不产生信号问题的情况下实现更高的传输速率，GDRAM 通常直接连接到 GPU 并通过将它们焊接到电路板上来连接，这与 DRAM 通常排列在可扩展的 DIMM 阵列中不同。

GDDR是一种内存技术，全称为图形双倍速率同步动态随机存取存储器（Graphics Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory）。它是为了设计高端显卡而特别设计的高性能DDR存储器规格，其有专属的工作频率、时钟频率、电压，因此与市面上标准的DDR存储器有所差异，与普通DDR内存不同且不能共用。GDDR的特点是与CPU的时钟同步，可以提高数据传输的效率和速度。GDDR有不同的代数，如GDDR3，GDDR4，GDDR5，GDDR6等，代数越高，一般意味着时钟频率越高，容量越大，电压越低，性能越好。GDDR主要用于显卡的显存，以及一些特殊的设备和应用。