5.5 提高主存读写速度的技术

本节介绍为缓解CPU与主存之间的速度矛盾（即"存储墙"问题）而发展出的各种新型DRAM技术。

主存与CPU的速度匹配问题

CPU的速度发展远快于主存，导致CPU常常需要插入等待周期来等待主存完成数据读写，这极大地影响了系统整体性能。为此，DRAM技术不断革新。

主存技术的发展

1. SDRAM (同步动态RAM)

• 核心特点：与CPU共享同一个系统时钟，所有操作都在时钟信号的上升沿进行同步。这消除了异步DRAM中因时序协调产生的等待时间。

• 突发模式 (Burst Mode)：在给定一个起始地址后，可以在接下来的时钟周期内连续地存取后续地址的数据，大大提高了连续数据块的传输效率。其访问周期通常表示为 x-y-y-y 模式，如 5-1-1-1。

2. DDR SDRAM (双倍速率SDRAM)

• 核心特点：在SDRAM的基础上，不仅在时钟信号的上升沿，在下降沿也进行数据传输。

• 效果：在核心频率不变的情况下，数据传输率（等效频率）提高了一倍。

3. DDR2 / DDR3 / DDR4 / DDR5 SDRAM

这是DDR技术的持续演进，主要通过以下方式提升性能：

• 预取 (Prefetch)：

  • DDR2：拥有4位预取能力，即内部存储核心的频率是外部接口频率的1/2，但一次能预取4位数据。

  • DDR3：拥有8位预取能力，内部核心频率是外部接口的1/4。

  • 这种技术使得在核心工艺不变的情况下，外部数据传输率可以成倍提升。

• Bank Group (DDR4)：引入了Bank组的概念，允许对不同的Bank组进行独立的读写操作，进一步提升了内存的内部并行度。

• 更高的时钟频率和更低的工作电压：每一代DDR技术都在提升频率的同时降低功耗。

技术	预取位数	I/O 时钟与核心时钟关系	特点
DDR	2n	1:1	在上升沿和下降沿传输数据
DDR2	4n	2:1	预取位数加倍
DDR3	8n	4:1	预取位数再次加倍
DDR4	8n	4:1	引入Bank Group，电压更低
DDR5	16n	8:1	带宽和容量大幅提升

易考点：

• SDRAM与传统DRAM的核心区别：在于"同步"二字，即与系统时钟同步工作。
• DDR系列技术的核心思想：
  • DDR：利用时钟的上升沿和下降沿实现速率翻倍。
  • DDR2/DDR3：通过增加预取位数来进一步提高外部接口速率。
• 理解不同代内存技术的发展趋势：更高频率、更大带宽、更低功耗、更高集成度。