（笔记）CPU & Memory, Part 1: RAM

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原文：What every programmer should know about memory, Part 1, RAM

1 Introduction

如今的计算机架构中CPU和main memory的访问速度的差异是很大的，解决这一瓶颈有这么几种形式：

• RAM硬件设计的改善（速度和并行）
• Memory controller设计
• CPU caches
• 给设备用的Direct memory access（DMA）

2 Commodity Hardware Today

大众架构

Figure 2.1: Structure with Northbridge and Southbridge

• 所有CPU通过FSB连接到北桥，北桥包含内存控制器（memory controller），连接到RAM。不同的内存类型如SRAM、DRAM有不同的内存控制器。
• 南桥又称I/O桥，如果要访问其他系统设备，北桥必须和南桥通信。南桥连接着各种不同的bus

这个架构要注意：

• CPU之间的所有数据通信必须经过FSB，而这个FSB也是CPU和北桥通信的bus。
• 所有和RAM的通信都必须经过北桥
• RAM只有一个端口（port）
• CPU和挂接到南桥设备的通信则有北桥路由

可以发现瓶颈：

• 为设备去访问RAM的瓶颈。解决办法是DMA，让设备直接通过北桥访问RAM，而不需要CPU的介入。如今挂到任一bus的所有高性能设备都能利用DMA。虽然DMA减少了CPU的工作量，但是争用了北桥的带宽
• 北桥到RAM的瓶颈。老的系统里只有一条通往所有RAM芯片的bus。现在的RAM类型要求有两条独立的bus，所以倍增了带宽（DDR2里称为channel）。北桥通过多个channel交替访问内存。

多内存控制器

比较贵的系统北桥自己不包含内存控制器，而是外接内存控制器：

Figure 2.2: Northbridge with External Controllers

在这种架构里有多个内存bus，大大增加了带宽。在并发内存访问的时候，可以同时访问不同的memory bank（我理解为就是内存条）。而这个架构的瓶颈则是北桥内部的带宽。

NUMA

除了使用多个内存控制器，还可以采用下面的架构增加内存带宽。做法就是把内存控制器内置在CPU里。每个CPU访问自己的本地RAM。

Figure 2.3: Integrated Memory Controller

这个架构同样也有缺点：因为这种系统里的所有CPU还是要能够访问所有的RAM，所以the memory is not uniform anymore (hence the name NUMA - Non-Uniform Memory Architecture - for such an architecture)。访问本地内存速度是正常的，访问别的CPU的内存就不一样了，CPU之间必须interconnect才行。在上图中CPU₁访问CPU₄的时候就要用到两条interconnect。

2.1 RAM Types

2.1.1 Static RAM

• 访问SRAM没有延迟，但SRAM贵，容量小。

Figure 2.4: 6-T Static RAM

电路图就不解释了。

2.2.1 Dynamic RAM

Figure 2.5: 1-T Dynamic RAM

电路图就不解释了。

• DRAM物理结构：若干RAM chip，RAM chip下有若干RAM cell，每个RAM cell的状态代表1 bit。
• 访问DRAM有延迟（等待电容充放电），但DRAM便宜，容量大。商业机器普遍使用DRAM，DDR之类的就是DRAM。

2.1.3 DRAM Access

Figure 2.7: Dynamic RAM Schematic

访问DRAM的步骤：

1. RAS（Row address selection）
2. CAS（Column address selection）
3. 传输数据

RAS和CAS都需要消耗时钟频率，如果每次都需要重新RAS-CAS则性能会低。如果一次性把一行的数据都传输，则速度很快。

2.1.4 Conclusions

• 不是所有内存都是SRAM是有原因的（成本原因）
• memory cell必须被单独选择才能够使用
• address line的数目直接影响到内存控制器、主板、DRAM module、DRAM chip的成本
• 需要等待一段时间才能得到读、写操作的结果

2.2 DRAM Access Technical Details

略。

2.2.4 Memory Types

• 现代DRAM内置I/O buffer增加每次传输的数据量。

Figure 2.14: DDR3 SDRAM Operation

2.2.5 Conclusions

• 假如DRAM的时钟频率为200MHz，I/O buffer每次传送4份数据（商业宣传其FSB为800MHz），你的CPU是2GHz，那么两者时钟频率则是1:10，意味着内存延迟1个时钟频率，那么CPU就要等待10个时钟频率。

2.3 Other Main Memory Users

• 网络控制器、大存储控制器，使用DMA访问内存。
• PCI-E卡也能通过南桥-北桥访问内存。
• USB也用到FSB。
• 高DMA流量会占用FSB，导致CPU访问内存的时候等待时间变长。
• 在NUMA架构中，可以CPU使用的内存不被DMA影响。在Section 6会详细讨论。
• 没有独立显存的系统（会使用内存作为显寸），这种系统对于RAM的访问会很频繁，造成占用FSB带宽，影响系统性能。