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[资料] SDRAM P_Bank和L_bank基本概念

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发表于 2013-7-31 21:24:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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1、 物理层P-Bank
传统内存系统为了保证CPU的正常工作,必须一次传输完CPU在一个传输周期内所需要的数据。而CPU在一个传输周期能接受的数据容量就是CPU数据总线的位宽,单位是bit(位)。当时控制内存与CPU之间数据交换的北桥芯片也因此将内存总线的数据位宽等同于CPU数据总线的位宽,而这个位宽就称之为物理层(Physical Bank,下文简称P-Bank)的位宽。所以,那时的内存必须要组织成P-Bank来与CPU打交道。资格稍老的玩家应该还记得Pentium刚上市时,需要两条72pin的SIMM才能启动,因为一条72pin -SIMM只能提供32bit的位宽,不能满足Pentium的64bit数据总线的需要。直到168pin-SDRAM DIMM上市后,才可以使用一条内存开机。下面将通过芯片位宽的讲述来进一步解释P-Bank的概念。
不过要强调一点,P-Bank是SDRAM及以前传统内存家族的特有概念,在RDRAM中将以通道(Channel)取代,而对于像Intel E7500那样的并发式多通道DDR系统,传统的P-Bank概念也不适用。


2、 芯片位宽
上文已经讲到SDRAM内存系统必须要组成一个P-Bank的位宽,才能使CPU正常工作,那么这个P-Bank位宽怎么得到呢?这就涉及到了内存芯片的结构。
每个内存芯片也有自己的位宽,即每个传输周期能提供的数据量。理论上,完全可以做出一个位宽为64bit的芯片来满足P-Bank的需要,但这对技术的要求很高,在成本和实用性方面也都处于劣势。所以芯片的位宽一般都较小。台式机市场所用的SDRAM芯片位宽最高也就是16bit,常见的则是8bit。这样,为了组成P-Bank所需的位宽,就需要多颗芯片并联工作。对于16bit芯片,需要4颗(4×16bit=64bit)。对于8bit芯片,则就需要8颗了。


以上就是芯片位宽、芯片数量与P-Bank的关系。P-Bank其实就是一组内存芯片的集合,这个集合的容量不限,但这个集合的总位宽必须与CPU数据位宽相符。随着计算机应用的发展,一个系统只有一个P-Bank已经不能满足容量的需要。所以,芯片组开始可以支持多个P-Bank,一次选择一个P-Bank工作,这就有了芯片组支持多少(物理)Bank的说法。而在Intel的定义中,则称P-Bank为行(Row),比如845G芯片组支持4个行,也就是说它支持4个P-Bank。另外,在一些文档中,也把P-Bank称为Rank(列)。
回到开头的话题,DIMM是SDRAM集合形式的最终体现,每个DIMM至少包含一个P-Bank的芯片集合。在目前的DIMM标准中,每个模组最多可以包含两个P-Bank的内存芯片集合,虽然理论上完全可以在一个DIMM上支持多个P-Bank,比如SDRAM DIMM就有4个芯片选择信号(Chip Select,简称片选或CS),理论上可以控制4个P-Bank的芯片集合。只是由于某种原因而没有这么去做。比如设计难度、制造成本、芯片组的配合等。至于DIMM的面数与P-Bank数量的关系,面数≠P-Bank数,只有在知道芯片位宽的情况下,才能确定P-Bank的数量,而这种情况在Registered模组中非常普遍。有关内存模组的设计,将在后面的相关章节中继续探讨。
第3页:SDRAM与内存基础概念(二)
二、 SDRAM内存芯片的内部结构
1、逻辑Bank与芯片位宽
讲完SDRAM的外在形式,就该深入了解SDRAM的内部结构了。这里主要的概念就是逻辑Bank。简单地说,SDRAM的内部是一个存储阵列。因为如果是管道式存储(就如排队买票),就很难做到随机访问了。
阵列就如同表格一样,将数据“填”进去,你可以把它想象成一张表格。和表格的检索原理一样,先指定一个行(Row),再指定一个列(Column),我们就可以准确地找到所需要的单元格,这就是内存芯片寻址的基本原理。对于内存,这个单元格可称为存储单元,那么这个表格(存储阵列)叫什么呢?它就是逻辑Bank(Logical Bank,下文简称L-Bank)。


L-Bank存储阵列示意图
由于技术、成本等原因,不可能只做一个全容量的L-Bank,而且最重要的是,由于SDRAM的工作原理限制,单一的L-Bank将会造成非常严重的寻址冲突,大幅降低内存效率(在后文中将详细讲述)。所以人们在SDRAM内部分割成多个L-Bank,较早以前是两个,目前基本都是4个,这也是SDRAM规范中的最高L-Bank数量。到了RDRAM则最多达到了32个,在最新DDR-Ⅱ的标准中,L-Bank的数量也提高到了8个。
这样,在进行寻址时就要先确定是哪个L-Bank,然后再在这个选定的L-Bank中选择相应的行与列进行寻址。可见对内存的访问,一次只能是一个L-Bank工作,而每次与北桥交换的数据就是L-Bank存储阵列中一个“存储单元”的容量。在某些厂商的表述中,将L-Bank中的存储单元称为Word(此处代表位的集合而不是字节的集合)。
从前文可知,SDRAM内存芯片一次传输率的数据量就是芯片位宽,那么这个存储单元的容量就是芯片的位宽(也是L-Bank的位宽),但要注意,这种关系也仅对SDRAM有效,原因将在下文中说明。


2、内存芯片的容量
现在我们应该清楚内存芯片的基本组织结构了。那么内存的容量怎么计算呢?显然,内存芯片的容量就是所有L-Bank中的存储单元的容量总和。计算有多少个存储单元和计算表格中的单元数量的方法一样:
存储单元数量=行数×列数(得到一个L-Bank的存储单元数量)×L-Bank的数量
在很多内存产品介绍文档中,都会用M×W的方式来表示芯片的容量(或者说是芯片的规格/组织结构)。M是该芯片中存储单元的总数,单位是兆(英文简写M,精确值是1048576,而不是1000000),W代表每个存储单元的容量,也就是SDRAM芯片的位宽(Width),单位是bit。计算出来的芯片容量也是以bit为单位,但用户可以采用除以8的方法换算为字节(Byte)。比如8M×8,这是一个8bit位宽芯片,有8M个存储单元,总容量是64Mbit(8MB)。


不过,M×W是最简单的表示方法。下图则是某公司对自己内存芯片的容量表示方法,这可以说是最正规的形式之一。


业界正规的内存芯片容量表示方法
我们可以计算一下,结果可以发现这三个规格的容量都是128Mbit,只是由于位宽的变化引起了存储单元的数量变化。从这个例子就也可以看出,在相同的总容量下,位宽可以采用多种不同的设计。
3、与芯片位宽相关的DIMM设计
为什么在相同的总容量下,位宽会有多种不同的设计呢?这主要是为了满足不同领域的需要。现在大家已经知道P-Bank的位宽是固定的,也就是说当芯片位宽确定下来后,一个P-Bank中芯片的个数也就自然确定了,而前文讲过P-Bank对芯片集合的位宽有要求,对芯片集合的容量则没有任何限制。高位宽的芯片可以让DIMM的设计简单一些(因为所用的芯片少),但在芯片容量相同时,这种DIMM的容量就肯定比不上采用低位宽芯片的模组,因为后者在一个P-Bank中可以容纳更多的芯片。比如上文中那个内存芯片容量标识图,容量都是128Mbit,合16MB。如果DIMM采用双P-Bank+16bit芯片设计,那么只能容纳8颗芯片,计128MB。但如果采用4bit位宽芯片,则可容纳32颗芯片,计512MB。DIMM容量前后相差出4倍,可见芯片位宽对DIMM设计的重要性。因此,8bit位宽芯片是桌面台式机上容量与成本之间平衡性较好的选择,所以在市场上也最为普及,而高于16bit位宽的芯片一般用在需要更大位宽的场合,如显卡等,至于4bit位宽芯片很明显非常适用于大容量内存应用领域,基本不会在标准的Unbuffered 模组设计中出现。
发表于 2013-8-1 16:39:58 | 显示全部楼层
更深理解,谢谢
发表于 2013-8-4 17:00:54 | 显示全部楼层
很精辟,受教了。
发表于 2013-8-4 17:26:07 | 显示全部楼层
有学了些新 东西。
发表于 2014-8-8 14:00:35 | 显示全部楼层
kankan,学学
发表于 2014-8-21 12:27:26 | 显示全部楼层
没有讲明白P-bank与L-bank的联系与区别
发表于 2024-6-26 23:16:30 | 显示全部楼层
学习学习
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