RAM 是如何工作的？

什么是計(jì)算機(jī)內(nèi)存？

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，通常稱為 RAM，是一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)位置，可以在其中以任何順序檢索或重寫數(shù)據(jù)，以支持計(jì)算機(jī)和移動(dòng)應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)工作。

如果沒有快速存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的能力，任何應(yīng)用程序或其他功能都無法正常運(yùn)行。這就是 RAM 發(fā)揮作用的地方。RAM 或隨機(jī)存取存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分之一。它是一個(gè)短期存儲(chǔ)庫，其中存放必須快速檢索的數(shù)據(jù)。

RAM 保持?jǐn)?shù)據(jù)隨時(shí)可用，以便中央處理器單元 (CPU) 可以找到它，而無需訪問長期存儲(chǔ)來執(zhí)行緊急處理任務(wù)。

RAM 包含在所有計(jì)算設(shè)備中，包括臺(tái)式電腦（在 Windows、MacOS 和 Linux 上運(yùn)行）、平板電腦和智能手機(jī)（在 Android 或 iOS 上運(yùn)行），甚至物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備（如智能電視）。

RAM 也用于指代設(shè)備的短期記憶。它讀取程序或操作系統(tǒng)在不久的將來可能需要的數(shù)據(jù)，并臨時(shí)存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，以便 CPU、顯卡和任何其他可能需要它的組件輕松訪問。此信息在 RAM 中保持可用，直到應(yīng)用程序或設(shè)備關(guān)閉或重新啟動(dòng)。然后清理 RAM 并準(zhǔn)備好接受新的、適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)。

每當(dāng)您打開新的瀏覽器選項(xiàng)卡時(shí)，RAM 都會(huì)阻止其他組件訪問速度較慢的存儲(chǔ)設(shè)備，例如硬盤驅(qū)動(dòng)器或固態(tài)驅(qū)動(dòng)器 (SSD)。雖然當(dāng)前的存儲(chǔ)速度比舊驅(qū)動(dòng)器快，但它仍然比 RAM 慢得多。然而，這些存儲(chǔ)組件是必需的，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S在 RAM 未處于完全功能狀態(tài)時(shí)進(jìn)行更長期的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

為什么 RAM 被稱為隨機(jī)存取？

RAM 被稱為隨機(jī)訪問，因?yàn)槿绻R(shí)別出在該單元重疊的行和列，則可以直接訪問任何存儲(chǔ)單元。

另一方面，串行存取存儲(chǔ)器 (SAM) 將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一系列存儲(chǔ)塊，只能連續(xù)檢索（如盒式磁帶）。如果信息不在當(dāng)前位置，則檢查每個(gè)塊，直到找到所需的數(shù)據(jù)。SAM 非常適用于數(shù)據(jù)通常按使用順序存儲(chǔ)的存儲(chǔ)庫。相反，RAM 數(shù)據(jù)可以按任何順序檢索。

多少 RAM 是理想的？

構(gòu)建 Pentium CPU 上的硬件時(shí)，用戶很少需要超過 8 MB 的 RAM，如果系統(tǒng)用于業(yè)務(wù)，則需要 32 MB。這足以運(yùn)行 Windows 95、最早的 Microsoft Word 版本和早期的 PC 游戲。目前，打開多個(gè)選項(xiàng)卡的 Web 瀏覽器可能很容易占用 2.2 GB 的 RAM，因此 PC RAM 的最低要求為 4 GB，移動(dòng)設(shè)備的最低要求為 3 GB。

所需的 RAM 量取決于您的應(yīng)用程序和用戶同時(shí)打開的窗口數(shù)量以及所需的用戶體驗(yàn)。系統(tǒng)擁有的 RAM 越多，運(yùn)行速度就越快。當(dāng)設(shè)備過時(shí)時(shí)，可能需要更換 RAM 或其他組件。所有活動(dòng)的應(yīng)用程序，包括瀏覽器選項(xiàng)卡，都使用 RAM。

當(dāng)計(jì)算機(jī)的工作需求超過可用 RAM 的數(shù)量時(shí)，操作系統(tǒng)必須將程序轉(zhuǎn)移到硬盤驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)您返回程序時(shí)，它必須在您繼續(xù)工作之前檢索數(shù)據(jù)。這稱為分頁或轉(zhuǎn)移，這需要一些時(shí)間。該過程導(dǎo)致延遲和功能受損。

購買 PC 的客戶將有多種 RAM 容量選擇—4GB、8GB、16GB，如果他們使用高級(jí)編輯工具或圖形應(yīng)用程序（如 CAD），甚至可以選擇額外的內(nèi)存（32GB、64GB）。

請(qǐng)記住，RAM 與存儲(chǔ)不同：計(jì)算機(jī)關(guān)閉時(shí)，RAM 中存儲(chǔ)的信息會(huì)丟失，而長期存儲(chǔ)設(shè)備（SSD 或 HDD）中的數(shù)據(jù)會(huì)保留。

內(nèi)存的使用

RAM 執(zhí)行以下關(guān)鍵功能：

1. 充當(dāng)臨時(shí)存儲(chǔ)位置

這是 RAM 的主要用途。當(dāng)用戶保存文件或任何其他數(shù)據(jù)類型時(shí)，信息會(huì)傳輸?shù)接脖P驅(qū)動(dòng)器或其他形式的長期存儲(chǔ)中。此外，當(dāng)您退出應(yīng)用程序時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將其從 RAM 中刪除，釋放計(jì)算機(jī)短期內(nèi)存中的空間，以便您可以開始下一個(gè)任務(wù)。

RAM 僅用于臨時(shí)存儲(chǔ)。因此，如果用戶沒有將文件保存到硬盤驅(qū)動(dòng)器并且斷電，他們的所有工作都可能丟失。但是，現(xiàn)代應(yīng)用程序可能有一種機(jī)制可以將文件的副本存儲(chǔ)在嵌入式備份系統(tǒng)中，以幫助以后恢復(fù)它。

2. 可以更快地讀取文件

RAM 用于快速檢索讀取任何文件內(nèi)容所需的數(shù)據(jù)。根據(jù)技術(shù)和工作的不同，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器處理數(shù)據(jù)的速度可能比存儲(chǔ)在硬盤上的數(shù)據(jù)快 20 到 100 倍。

如果用戶打開以前存儲(chǔ)在系統(tǒng)上的文檔，操作系統(tǒng)會(huì)在其長期存儲(chǔ)中識(shí)別該文件并將其內(nèi)容復(fù)制到 RAM 中。一旦數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 RAM 中，由于 RAM 閃電般的速度，用戶幾乎可以立即進(jìn)行讀寫。

但是，由于數(shù)據(jù)是分布式的，因此嘗試直接從硬盤驅(qū)動(dòng)器訪問文件會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間。要讀取文件，計(jì)算機(jī)的硬盤驅(qū)動(dòng)器每分鐘必須旋轉(zhuǎn)數(shù)百次，從而造成延遲。

為了加快速度，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將文件的副本存儲(chǔ)在 RAM 中以供讀取。

3. 提高應(yīng)用性能

RAM 還用于加快以前訪問過的應(yīng)用程序的加載。當(dāng)用戶第一次打開他們的計(jì)算機(jī)并運(yùn)行任何程序時(shí)，如 PowerPoint 或數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) (DBMS) 軟件，如 Access，加載需要一些時(shí)間。但是，當(dāng)程序關(guān)閉并重新啟動(dòng)時(shí)，它幾乎會(huì)立即打開，因?yàn)榧虞d應(yīng)用程序所需的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 RAM 中而不是硬盤驅(qū)動(dòng)器中。

應(yīng)用程序數(shù)據(jù)保留在 RAM 中，直到 PC 重新啟動(dòng)或應(yīng)用程序從任務(wù)管理器（或其非 Windows 等效項(xiàng)）強(qiáng)制關(guān)閉。對(duì)于移動(dòng) RAM，它甚至可以在后臺(tái)動(dòng)態(tài)刷新應(yīng)用程序數(shù)據(jù)以提升設(shè)備性能。

RAM 是如何工作的？

讓我們首先了解隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的物理結(jié)構(gòu)和功能。RAM 在概念上類似于一系列盒子，每個(gè)盒子可以存儲(chǔ)一個(gè) 0 或一個(gè) 1。每個(gè)盒子都有一個(gè)特定的地址，可以通過跨列和向下計(jì)數(shù)來確定。

RAM 盒子的集合稱為數(shù)組，每個(gè)盒子稱為單元格。RAM 控制器將列和行地址向下傳輸?shù)叫酒械囊桓‰娋€中，以定位特定的單元格。在 RAM 陣列中，每一行和每一列都分配有不同的地址線。任何檢索到的數(shù)據(jù)都在不同的數(shù)據(jù)行上返回。

RAM 物理上緊湊并存儲(chǔ)在微芯片上，這一點(diǎn)至關(guān)重要。它可以存儲(chǔ)的信息量也有限?；镜墓P記本電腦可能有 8 GB 的 RAM，而硬盤驅(qū)動(dòng)器可能包含 10 TB。

RAM 的工作取決于以下關(guān)鍵功能：

1. 內(nèi)存主板

所有 RAM 硬件組件都焊接在該電路板上。它由基于硅的集成電路組成，可提供跨內(nèi)存組件的連接以及與計(jì)算機(jī)的接口，以便 CPU 和內(nèi)存控制器可以訪問 RAM。

2. 實(shí)際數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的內(nèi)存庫

這部分包含存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)際內(nèi)存模塊或單元。RAM 總是由兩個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)體組成，使一個(gè)存儲(chǔ)體可以在另一個(gè)存儲(chǔ)體充電時(shí)訪問。這減少了銀行預(yù)充電的延遲，從而加快了傳輸速度。它還降低了每個(gè)存儲(chǔ)體的粒度，從而以更低的成本提高了內(nèi)存容量和性能。

3. 計(jì)時(shí)

RAM 中的內(nèi)存操作與時(shí)鐘信號(hào)同步。這簡化了控制器接口并消除了模擬信號(hào)生成的需要。它還降低了內(nèi)存組件的制造成本，因?yàn)榭梢砸韵嗤某杀旧筛斓膬?nèi)存。

4. 模式寄存器組件

該寄存器配置核心器件操作。它調(diào)節(jié)列地址選通 (CAS) 延遲、突發(fā)持續(xù)時(shí)間和突發(fā)類型。它通常在機(jī)器啟動(dòng)時(shí)配置。高級(jí)用戶通常需要 4,000MHz RAM 和 CAS 15-18 或更低的延遲才能獲得最佳性能。

5.SDP 芯片

SPD 是「串行存在檢測(cè)」的縮寫。RAM 配備內(nèi)置 SPD 芯片，可存儲(chǔ)有關(guān)內(nèi)存大小、類型、頻率和訪問時(shí)間線的信息。該芯片使計(jì)算機(jī)能夠在啟動(dòng)階段的開機(jī)測(cè)試周期中獲取此信息。

6. RAM 的突發(fā)計(jì)數(shù)器

突發(fā)計(jì)數(shù)器是存儲(chǔ)列地址信息的片上計(jì)數(shù)器。它通過采用順序和交錯(cuò)的突發(fā)類型以及不同的突發(fā)持續(xù)時(shí)間來提供高頻突發(fā)訪問。模式寄存器允許對(duì)這些設(shè)置進(jìn)行編程。

大多數(shù) PC 允許用戶安裝特定容量的 RAM 單元。具有更多 RAM 的計(jì)算機(jī)減少了 CPU 必須從硬盤驅(qū)動(dòng)器讀取數(shù)據(jù)的次數(shù)，這是一個(gè)比從 RAM 讀取數(shù)據(jù)更慢的過程。RAM 訪問時(shí)間以納秒為單位，而存儲(chǔ)器訪問持續(xù)時(shí)間以毫秒為單位。

RAM 與閃存

閃存和 RAM 均由固態(tài)半導(dǎo)體組成。然而，由于它們的構(gòu)造、性能標(biāo)準(zhǔn)和價(jià)格的差異，它們?cè)谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)中的職責(zé)也不同。閃存用于存儲(chǔ)。RAM 用作活動(dòng)存儲(chǔ)器，它處理從存儲(chǔ)器獲得的數(shù)據(jù)。

RAM 與閃存之間的一個(gè)根本區(qū)別在于，信息必須從后者的完整塊中擦除。這使它比 RAM 慢，其中可能會(huì)刪除單個(gè)位。

然而，與 RAM 相比，閃存要便宜得多且具有非易失性。與 RAM 不同，它即使在電源關(guān)閉時(shí)也可以保存數(shù)據(jù)。由于其降低速度、非易失性和成本降低，閃存通常用于長期存儲(chǔ)。

計(jì)算機(jī)內(nèi)存的類型

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器可以是以下類型：

1. 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）

對(duì)于每個(gè)存儲(chǔ)單元，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器需要許多晶體管，通常為四到六個(gè)。然而，每個(gè)電池不包含電容器。它通常用于緩存。如果電源可用，SRAM 會(huì)將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中，這與必須經(jīng)常更新的動(dòng)態(tài) RAM DRAM 形成對(duì)比。因此，SRAM 速度更快但成本更高，使 DRAM 成為計(jì)算機(jī)中更常見的內(nèi)存類型。

2. 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）

DRAM 通常用作計(jì)算機(jī)中的主內(nèi)存。每個(gè) DRAM 存儲(chǔ)單元的電容器中都保留一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，由集成電路中的晶體管和電容器組成。由于晶體管不斷泄漏少量，電容器將逐漸耗盡，導(dǎo)致其中包含的數(shù)據(jù)丟失。為了維護(hù)數(shù)據(jù)，DRAM 必須每隔幾毫秒更新一次。

3. 擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（EDO RAM）

EDO RAM 是為提高 1990 年代使用的 RAM 芯片的效率而開發(fā)的 DRAM 的早期示例。它不會(huì)等到對(duì)第一位的分析完成后再繼續(xù)下一位。在確定第一位的位置后，EDO DRAM 開始搜索下一塊。

4. 同步 DRAM（SDRAM）

這種形式的 RAM 使內(nèi)存速率與中央處理器 (CPU) 的時(shí)鐘速度同步。因此，內(nèi)存控制器知道數(shù)據(jù)包可用的精確時(shí)鐘周期。這使得 CPU 每單位時(shí)間可以執(zhí)行更多的指令。SDRAM 通常以高達(dá) 133 MHz 的速度傳輸數(shù)據(jù)，比 DRAM 快得多。

5. Rambus 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RDRAM）

Rambus DRAM 及其后代 Concurrent Rambus DRAM 和 Direct Rambus DRAM 是 1990 年代和 2000 年代初期創(chuàng)建的一種同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。這種 RAM 芯片并行運(yùn)行，使數(shù)據(jù)傳輸速度在 800 MHz 和 1,600 Mbps 之間變化。然而，由于它們以如此高的速度工作，它們會(huì)散發(fā)出更多的熱量。

6. 單數(shù)據(jù)速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SDR SDRAM）

這種 RAM 最初使用的是單數(shù)據(jù)速率技術(shù)，這就是為什么這種 RAM 被稱為 SDR 的原因。隨著 SDRAM 在 1990 年代的首次亮相，時(shí)鐘速率首次同步。通過將計(jì)算機(jī)內(nèi)存與處理器輸入同步，機(jī)器可以更快地完成任務(wù)。然而，到 20 世紀(jì) 90 年代后期，SDR RAM 已經(jīng)達(dá)到了極限，讓位給了下一代 RAM。

7. 雙倍數(shù)據(jù)速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DDR SDRAM）

雙倍數(shù)據(jù)速率同步隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (DDR SRAM) 于 2000 年左右發(fā)明。它在開始和結(jié)束時(shí)在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行兩次數(shù)據(jù)傳輸。DDR SDRAM 已被重新設(shè)計(jì)三到四次，從 DDR2 到 DDR3 再到 DDR4，并且在每次迭代中，數(shù)據(jù)傳輸速率都提高了，功耗也降低了。然而，事實(shí)證明，DDR 的每一次迭代都與之前的其他迭代不兼容，PC 制造商不得不跟上步伐。DDR 仍然是當(dāng)今計(jì)算機(jī)中使用最廣泛的 RAM。

8. 圖形雙倍數(shù)據(jù)速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（GDDR SDRAM）

GDDR SDRAM 用于視頻和圖形設(shè)備。與 DDR SDRAM 相同，此架構(gòu)允許在 CPU 時(shí)鐘周期內(nèi)在多個(gè)位置傳輸數(shù)據(jù)。但是，與 DDR SDRAM 相比，它的運(yùn)行功率更高，時(shí)序要求也沒有那么嚴(yán)格。

GDDR 可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 或 3D 建模等圖形密集型任務(wù)的 GPU 性能所需的速度、內(nèi)存和帶寬級(jí)別。與 DDR 相比，GDDR 經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段，每次迭代都會(huì)帶來性能提升和功耗降低。圖形內(nèi)存的最新迭代是 GDDR6。

9. 視頻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（VRAM）

VideoRAM 僅供視頻適配器和 3D 加速器使用。它通常有兩個(gè)獨(dú)立的訪問端口而不是一個(gè)（多端口），使 CPU 和圖形處理器能夠同時(shí)訪問 RAM。計(jì)算機(jī)顯示器的分辨率和顏色深度由顯存 (VRAM) 的數(shù)量決定。此外，VRAM 用于存儲(chǔ)特定于圖形的數(shù)據(jù)，例如 3D 幾何數(shù)據(jù)或紋理貼圖。

真正的多端口 VRAM 通常很昂貴，這就是為什么許多圖形卡采用同步圖形 RAM (SGRAM) 的原因。性能具有可比性；但是，SGRAM 更便宜。