DRAMSim2學習3——DRAM中BANK和RANK的差別

一、 SDRAM記憶體晶片的内部結構 

1、 實體層P-Bank 

傳統記憶體系統為了保證CPU的正常工作，必須一次傳輸完CPU在一個傳輸周期内所需要的資料。 

而CPU在一個傳輸周期能接受的資料容量就是CPU資料總線的位寬，機關是bit（位）。 

當時控制記憶體與CPU之間資料交換的北橋晶片也是以将記憶體總線的資料位寬等同于CPU資料總線的位寬，而這個位寬就稱之為實體層（Physical Bank，下文簡稱P-Bank）的位寬。 

是以，那時的記憶體必須要組織成P-Bank來與CPU打交道。資格稍老的玩家應該還記得Pentium剛上市時，需要兩條72pin的SIMM才能啟動，因為一條72pin -SIMM隻能提供32bit的位寬，不能滿足Pentium的64bit資料總線的需要。直到168pin-SDRAM DIMM上市後，才可以使用一條記憶體開機。下面将通過晶片位寬的講述來進一步解釋P-Bank的概念。 

不過要強調一點，P-Bank是SDRAM及以前傳統記憶體家族的特有概念，在RDRAM中将以通道（Channel）取代，而對于像Intel E7500那樣的并發式多通道DDR系統，傳統的P-Bank概念也不适用。

2、 晶片位寬 

上文已經講到SDRAM記憶體系統必須要組成一個P-Bank的位寬，才能使CPU正常工作，那麼這個P-Bank位寬怎麼得到呢？這就涉及到了記憶體晶片的結構。 

每個記憶體晶片也有自己的位寬，即每個傳輸周期能提供的資料量。理論上，完全可以做出一個位寬為64bit的晶片來滿足P-Bank的需要，但這對技術的要求很高，在成本和實用性方面也都處于劣勢。是以晶片的位寬一般都較小。桌上型電腦市場所用的SDRAM晶片位寬最高也就是16bit，常見的則是8bit。這樣，為了組成P-Bank所需的位寬，就需要多顆晶片并聯工作。對于16bit晶片，需要4顆（4×16bit=64bit）。對于8bit晶片，則就需要8顆了。

以上就是晶片位寬、晶片數量與P-Bank的關系。P-Bank其實就是一組記憶體晶片的集合，這個集合的容量不限，但這個集合的總位寬必須與CPU資料位寬相符。随着計算機應用的發展，一個系統隻有一個P-Bank已經不能滿足容量的需要。是以，晶片組開始可以支援多個P-Bank，一次選擇一個P-Bank工作，這就有了晶片組支援多少（實體）Bank的說法。而在Intel的定義中，則稱P-Bank為行（Row），比如845G晶片組支援4個行，也就是說它支援4個P-Bank。另外，在一些文檔中，也把P-Bank稱為Rank（列）。 

回到開頭的話題，DIMM是SDRAM集合形式的最終展現，每個DIMM至少包含一個P-Bank的晶片集合。在目前的DIMM标準中，每個模組最多可以包含兩個P-Bank的記憶體晶片集合，雖然理論上完全可以在一個DIMM上支援多個P-Bank，比如SDRAM DIMM就有4個晶片選擇信号（Chip Select，簡稱片選或CS），理論上可以控制4個P-Bank的晶片集合。隻是由于某種原因而沒有這麼去做。比如設計難度、制造成本、晶片組的配合等。至于DIMM的面數與P-Bank數量的關系，面數≠P-Bank數，隻有在知道晶片位寬的情況下，才能确定P-Bank的數量，而這種情況在Registered模組中非常普遍。

二、 SDRAM記憶體晶片的内部結構 

1、邏輯Bank與晶片位寬 

講完SDRAM的外在形式，就該深入了解SDRAM的内部結構了。這裡主要的概念就是邏輯Bank。簡單地說，SDRAM的内部是一個存儲陣列。因為如果是管道式存儲（就如排隊買票），就很難做到随機通路了。 

陣列就如同表格一樣，将資料“填”進去，你可以把它想象成一張表格。和表格的檢索原理一樣，先指定一個行（Row），再指定一個列（Column），我們就可以準确地找到所需要的單元格，這就是記憶體晶片尋址的基本原理。對于記憶體，這個單元格可稱為存儲單元,那麼這個表格（存儲陣列）叫什麼呢？它就是邏輯Bank（Logical Bank，下文簡稱L-Bank）。

由于技術、成本等原因，不可能隻做一個全容量的L-Bank，而且最重要的是，由于SDRAM的工作原理限制，單一的L-Bank将會造成非常嚴重的尋址沖突，大幅降低記憶體效率（在後文中将詳細講述）。是以人們在SDRAM内部分割成多個L-Bank，較早以前是兩個，目前基本都是4個，這也是SDRAM規範中的最高L-Bank數量。到了RDRAM則最多達到了32個，在最新DDR-II的标準中，L-Bank的數量也提高到了8個。 

這樣，在進行尋址時就要先确定是哪個L-Bank，然後再在這個標明的L-Bank中選擇相應的行與列進行尋址。可見對記憶體的通路，一次隻能是一個L-Bank工作，而每次與北橋交換的資料就是L-Bank存儲陣列中一個“存儲單元”的容量。在某些廠商的表述中，将L-Bank中的存儲單元稱為Word（此處代表位的集合而不是位元組的集合）。

從前文可知，SDRAM記憶體晶片一次傳輸率的資料量就是晶片位寬，那麼這個存儲單元的容量就是晶片的位寬（也是L-Bank的位寬），但要注意，這種關系也僅對SDRAM有效，原因将在下文中說明。

2、記憶體晶片的容量 

現在我們應該清楚記憶體晶片的基本組織結構了。那麼記憶體的容量怎麼計算呢？顯然，記憶體晶片的容量就是所有L-Bank中的存儲單元的容量總和。計算有多少個存儲單元和計算表格中的單元數量的方法一樣： 

存儲單元數量=行數×列數（得到一個L-Bank的存儲單元數量）×L-Bank的數量 

在很多記憶體産品介紹文檔中，都會用M×W的方式來表示晶片的容量（或者說是晶片的規格/組織結構）。M是該晶片中存儲單元的總數，機關是兆（英文簡寫M，精确值是1048576，而不是1000000），W代表每個存儲單元的容量，也就是SDRAM晶片的位寬（Width），機關是bit。計算出來的晶片容量也是以bit為機關，但使用者可以采用除以8的方法換算為位元組（Byte）。比如8M×8，這是一個8bit位寬晶片，有8M個存儲單元，總容量是64Mbit（8MB）。

不過，M×W是最簡單的表示方法。位寬的變化會引起存儲單元的數量變化。在相同的總容量下，位寬可以采用多種不同的設計。 

3、與晶片位寬相關的DIMM設計 

為什麼在相同的總容量下，位寬會有多種不同的設計呢？這主要是為了滿足不同領域的需要。現在大家已經知道P-Bank的位寬是固定的，也就是說當晶片位寬确定下來後，一個P-Bank中晶片的個數也就自然确定了，而前文講過P-Bank對晶片集合的位寬有要求，對晶片集合的容量則沒有任何限制。高位寬的晶片可以讓DIMM的設計簡單一些（因為所用的晶片少），但在晶片容量相同時，這種DIMM的容量就肯定比不上采用低位寬晶片的模組，因為後者在一個P-Bank中可以容納更多的晶片。比如記憶體晶片容量都是128Mbit，合16MB。如果DIMM采用雙P-Bank+16bit晶片設計，那麼隻能容納8顆晶片，計128MB。但如果采用4bit位寬晶片，則可容納32顆晶片，計512MB。DIMM容量前後相差出4倍，可見晶片位寬對DIMM設計的重要性。是以，8bit位寬晶片是桌面桌上型電腦上容量與成本之間平衡性較好的選擇，是以在市場上也最為普及，而高于16bit位寬的晶片一般用在需要更大位寬的場合，如顯示卡等，至于4bit位寬晶片很明顯非常适用于大容量記憶體應用領域，基本不會在标準的Unbuffered 模組設計中出現。

總之，Rank是實體上的劃分；Bank是邏輯上的劃分。