【x86】DRAM、SRAM、DDR、FLASH、双通道的概念科普

内存的DRAM、SRAM

在学习数电的时候就学习过，RAM分为两大类，有DRAM（Dynamic RAM）、SRAM（Static RAM），在装机器的时候也经常会听到DDR3 DDR4 DDR5等概念，下面详细介绍。
首先DRAM和SRAM这两大类，从原理上说：DRAM是将每bit数据保存在一个个的电容+晶体管内，而SRAM是将数据保存在一个个触发器中，由于电容储存的电荷会随时间减少，因此，DRAM需要周期性刷新否则数据将会丢失，SRAM则没有这种困扰。
但从工艺上来说，DRAM的电容会比SRAM触发器更简单，成本因此就更低，也更容易制作得更大容量，集成度更高。DRAM使用成本换取了访问速度和集成度。
SRAM通常用在CPU Cache的小容量但高速的场景中。DRAM需要刷新 + 预充 + 激活等一系列步骤才能访问使用，因此速度相对慢很多。
总结就是：

• SRAM 快但贵，小容量 → 用于 CPU cache。
  
• DDR 是 DRAM 快速变种，便宜大容量 → 用于主内存。
  

DDR

平时装机佬们说的DDR4 DDR5这些，是指DDR（Double Data Rate DRAM：“双倍数据速率”，所以是一种高速DRAM。
从原理上，它每个时钟周期传输两次数据（上升沿+下降沿），带宽比传统 SDRAM 更高。
其实，我们市面上现如今能买到的一般都是更好的DDR SDRAM，多了个S，代表着Synchronous DRAM，意思是和系统时钟同步。这个具体不用管，反正DDR就是双倍速率，就是快 φ(゜▽゜*)♪
FLASH

FLASH，又叫闪存，是一种断电不丢失数据（非易失性存储器，NVM，Non-Volatile Memory）存储器，是一种外存。其由浮栅晶体管构成，用于长期存储数据或文件（例如U盘），写入速度比较慢但是读取速度很快。
常见的FLASH有两种：

• NAND FLASH: 用于 SSD、U盘、TF 卡、eMMC（手机）
  
• NOR FLASH: 可随机读写，常用于固件（BIOS/UEFI ROM）存储 SPI NOR（BIOS 芯片）
  

没错，FLASH如今一般走SPI总线协议。
有关SPI FLASH，具体可以看这个：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/631629580

Intel于1988年首先开发出NOR Flash 技术，彻底改变了原先由EPROM（Erasable Programmable Read-Only-Memory电可编程序只读存储器）和EEPROM（电可擦只读存储器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory）一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND Flash 结构，强调降低每比特的成本，有更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。NOR Flash 的特点是芯片内执行（XIP ，eXecute In Place），这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR 的传输效率很高，在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响到它的性能。NAND的结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于Flash的管理需要特殊的系统接口。通常读取NOR的速度比NAND稍快一些，而NAND的写入速度比NOR快很多，在设计中应该考虑这些情况。
——《ARM嵌入式Linux系统开发从入门到精通》 李亚峰 欧文盛 等编著 清华大学出版社 P52

Flash闪存是NVM，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。
由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。
其他有关NOR和NAND的区别，具体可以看这个：
https://www.cnblogs.com/eleclsc/p/11393461.html
顺便一提，手机中一般使用的eMMC也是使用FLASH做的：eMMC = NAND Flash + 控制器（Controller）
它是把 Flash 芯片和控制器封装在一个 BGA 封装中，通过标准化接口（JESD84）提供存储功能，不需要额外的 Flash 控制器芯片。
SSD硬盘也是NAND FLASH制作而成的。NAND Flash 的成本更低，容量更高。
但是NOR FLASH也不是一无是处，虽然很难做大容量，但是其可以直接从FLASH中执行代码，类似于ROM，并且支持随机读取，因此在BIOS固件的场景或者MCU/嵌入式设备启动代码、Bootloader（例如，STM32 芯片的内置 Flash等） 存储等有重要作用。
注意：
刚刚说Flash 是一种 NVM（非易失性存储器），它

• ❌ 不是 RAM（随机存取存储器）
  
• ❌ 不是传统意义上的 ROM（只读存储器）
  
• ✅ 更准确地说，它是一种可擦写的 ROM（即 EEPROM 的变种）
  

NVMe和PCIe

刚刚也说到了FLASH是一种NVM，顺带再提一嘴NVMe，NVMe是一种协议，全称：Non-Volatile Memory Express。NVMe 专为 Flash 打造。
NVMe是专为基于 Flash 的固态硬盘（SSD）设计的一种访问协议，工作在 PCIe 总线上。
如果说PCIe是高速公路，那么NVMe就是高速物流协议（专为 Flash 设计）。
NVMe 是协议层，是数据访问的协议；PCIe 是物理层，是硬件接口（物理的数据传输通道），也就是 NVMe 协议运行在 PCIe 总线上。
如果你买了一个 NVMe SSD：它里面的颗粒是 NAND Flash，控制器支持 NVMe 协议，使用 PCIe 通道 与 CPU 通信
双通道

装机时，经常也可以听到需要将内存条组成双通道的说法，这样性能更好，但是这具体是什么意思？
双通道（Dual Channel）是一种内存带宽增强的技术，这个技术是主板或内存控制器的一种工作方式，而非内存条本身的特性。
如果使用两根规格同样的内存条，主板可以将他们组成双通道模式。采用这个模式下的主板，可以同时读写两条内存，也就说性能可以翻倍。
两根内存条带宽就是两个总线，相当于高速路由单车道变成双车道，所以数据传输效率更高。

有双通道了，有三通道、四通道....这些说法吗？
答：对也不对，可以看下表：

模式通道数理论带宽提升倍数常见平台单通道11x所有系统最低配置双通道22x主流桌面平台、笔记本平台三通道33x已过时（曾用于 Intel X58 平台）四通道44x高端桌面（HEDT）、服务器平台六/八通道6 / 86x / 8x专业工作站、服务器（如 Xeon）

• Intel X58 平台（2008）：支持 三通道，典型配置是 3×2GB 内存；
  
• Intel X299、AMD TRX40（Threadripper）：支持 四通道；
  
• Intel Xeon Scalable/AMD EPYC：支持 六或八通道（每个内存控制器挂更多 DIMM）。
  

多通道的目的是为了提升带宽，提升数据的传输效率，不能提高时序延迟，但是对于机器来说，2 * 8GB 总是比单根 16GB 的内存条确实性能要更好的，但是这个也取决于主板是否支持。
如今的家用电脑/笔记本等一般均支持双通道，服务器支持更多通道组成。

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