随机存取存储器

概述

　　随机存取存储器（RAM）是计算机存储器中最为人熟知的一种。存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。

　　与RAM形成鲜明对比的是顺序存取存储器（SAM）。SAM中的数据存储单元按照线性顺序排列，因而只能依顺序访问（类似于盒式录音带）。如果当前位置不能找到所需数据，就必须依次查找下一个存储单元，直至找到所需数据为止。SAM非常适合作缓冲存储器之用，一般情况下，缓存中数据的存储顺序与调用顺序相同（显卡中的质素缓存就是个很好的例子）。而RAM则能以任意的顺序存取数据。

　　与只读存储器(ROM)相比，随机存取存储器的优点是存取方便、使用灵活，既能不破坏地读出所存信息，又能随时写入新的内容。它可以在任意时刻，对任意选中的存储单元进行信息的存入(写入)或取出(读出)操作。如遇停电，所存内容便全部丢失为其缺点。

结构

　　随机存取存储器由存储矩阵、地址译码器、读/写控制电路、输入/输出电路和片选控制电路等组成，其结构示意图如下：

　　1.存储矩阵：由存储单元构成，一个存储单元存储一位二进制数码“1”或“0”。与ROM不同的是RAM存储单元的数据不是预先固定的，而是取决于外部输入信息，其存储单元必须由具有记忆功能的电路构成。

　　2.地址译码器：也是N取一译码器。

　　3.读/写控制电路：当R/W=1时，执行读操作，R/W=0时，执行写操作。

　　4.片选控制：当CS=0时，选中该片RAM工作， CS=1时该片RAM不工作。

特点

　　1.随机存取

　　所谓“随机存取”，指的是当存储器中的消息被读取或写入时，所需要的时间与这段信息所在的位置无关。相对的，读取或写入顺序访问（Sequential Access）存储设备中的信息时，其所需要的时间与位置就会有关系（如磁带）。

　　2.易失性

　　当电源关闭时RAM不能保留数据。如果需要保存数据，就必须把它们写入  静态随机存取存储器

　　一个长期的存储设备中（例如硬盘）。RAM和ROM相比，两者的区别是RAM在断电以后保存在上面的数据会自动消失，而ROM不会。

　　3.高访问速度

　　现代的随机存取存储器几乎是所有访问设备中写入和读取速度最快的，取存延迟也和其他涉及机械运作的存储设备相比，也显得微不足道。

　　4.需要刷新

　　现代的随机存取存储器依赖电容器存储数据。电容器充满电后代表1(二进制)，未充电的代表0。由于电容器或多或少有漏电的情形，若不作特别处理，数据会渐渐随时间流失。刷新是指定期读取电容器的状态，然后按照原来的状态重新为电容器充电，弥补流失了的电荷。需要刷新正好解释了随机存取存储器的易失性。

　　5.对静电敏感

　　正如其他精细的集成电路，随机存取存储器对环境的静电荷非常敏感。静电会干扰存储器内电容器的电荷，引致数据流失，甚至烧坏电路。故此触碰随机存取存储器前，应先用手触摸金属接地。

类型

　　1.SRAM：静态随机存取存储器采取多重晶体管设计，通常每个存储单元使用4-6只晶体管，但没有电容器。SRAM主要用于缓存。

　　2.DRAM：动态随机存取存储器中每个存储单元由配对出现的晶体管和电容器构成，需要不断地刷新。

　　3.FPM DRAM：快速页模式动态随机存取存储器是最早的一种DRAM。在存储器根据行列地址进行位元定位的全程中，FPM DRAM必须处于等待状态，数据读取之后才能开始处理下一位数据。向二级缓存的传输速率约为176MB每秒。

　　4.EDO DRAM：扩展数据输出动态随机存取存储器在处理前一位数据的过程中无需全程等待，就可以开始处理下一位数据。只要前一位数据的地址定位成功，EDO DRAM就开始为下一位数据寻址。它比FPM快5%左右。向二级缓存的传输速率约为264MB每秒。

　　5.SDRAM：同步动态随机存取存储器利用了爆发模式的概念，大大提升了性能。这种模式在读取数据时首先锁定一个记忆行，然后迅速扫过各记忆列，与此同时读取列上的位元数据。之所以有这种设计思想，是因为多数时候CPU请求的数据在内存中的位置是相邻的。SDRAM比EDO RAM快5%左右，已成为当今台式机内存中应用最广的一种。向二级缓存的传输速率约为528MB 每秒。

　　6.DDR SDRAM：双倍速率同步动态RAM与SDRAM相似，但带宽更高，即速度更快。向二级缓存的传输速率约为1064MB每秒。（133兆赫兹DDR SDRAM）。

　　7.RDRAM：Rambus动态随机存取存储器同先前的DRAM体系有着根本性的区别。由Rambus公司设计的RDRAM采用了Rambus直插式内存模组（RIMM），在外形尺寸和引脚构造方面类似于标准的DIMM。RDRAM与众不同之处在于它采取一种特殊的高速数据总线设计，称为Rambus信道。RDRAM内存芯片在并行模式下工作频率可达800兆赫（数据速率1600兆字节）。由于操作速率很高，RDRAM产生的热量要大大多于其他类型的芯片。为了驱散多余的热量，Rambus芯片配有散热器，这种散热器看上去就像是又长又薄的圆片。正如DIMM有其小外形版本一样，生产商还为笔记本电脑设计了小外形RIMM。

　　8.信用卡内存：信用卡内存是一种享有专利权的独立DRAM内存模组，使用时要将其插入笔记本电脑的特制长槽中。

　　9.PCMCIA内存卡：另一种用于笔记本电脑的独立DRAM内存模组，这种内存卡不享有专利权，只要系统总线能与内存卡设置相互匹配，即可用于各种笔记本电脑。

　　10.CMOS RAM：CMOS RAM这一术语是指用于电脑和其他设备中的一种小容量存储器，用来存储硬盘设置等信息——有关详细信息，请查见为什么计算机需要电池？一文。这种内存需要一个小型电池来供电，以维持存储器的内容。

　　11.VRAM：视频RAM，亦称多端口动态随机存取存储器（MPDRAM），为显示适配器和3D加速卡所专用。所谓“多端口”是指VRAM通常会有两个独立的访问端口，而非单一端口，允许CPU和图形处理器同时访问RAM。VRAM位于图形卡上，且种类繁多，其中很多享有专利权。VRAM的大小往往能决定显示器的分辨率和色深度。VRAM还可以用来保存一些图形专用信息，例如3D几何数据和质素图。真正的多端口VRAM往往价格不菲，因而当今的图形卡使用SGRAM（同步图形RAM）作为替代品。两种显存性能相差无几，而SGRAM价格更为便宜。

容量的扩展

　　在数字系统或计算机中，单个存储器芯片往往不能满足存储容量的要求，因此必须把若干个存储芯片连在一起，以扩展存储容量。扩展的方法可以通过增加位数或字数来实现。

　　1.位数的扩展

　　通常RAM芯片的字长多设计成一位、四位、八位等。当存储芯片的字数已够用，而每个字的位数不够时，可采用位扩展连接方式解决。如图10-10所示就是用8片1 024×1位RAM构成的1024×8位RAM。

图10-10 1024×1位RAM构成的1024×8RAM

　　由图10-10可知，位扩展是利用芯片的并联方式实现的，即将RAM芯片的地址线、读/写控制线和片选控制线对应地并联在一起，而各片的输入/输 出(I/O)线分开使用作为字的各条位线。

　　2.字数的扩展

　　当存储芯片的位数已够用，但字数不够时，可以采用字扩展连接方式解决。字扩展是利用外加译码器控制芯片的片选输入端来实现的。如图10-11所示是利用3/8线译码器将八片1KB×4位RAM扩展成的8KB×4位RAM。

图10-11 1KB×4位RAM构成8KB×4位RAM

　　在图10-11中，存储器扩展所要增加的地址线A10～A12与译码器的输入端相连，译码器的输出端分别接至8片RAM的片选控制端。这样，当输入一组地址时，尽管A9～A0并接至各个RAM芯片上，但由于译码器的作用，只有一个芯片被选中工作，从而实现了字的扩展。

　　在实际应用中，常将两种方法相互结合，以达到预期要求。